适用于长庆油田防气窜CO2冻胶泡沫的研究

王彦玲，兰金城，李 强，蒋保洋，许 宁，孟令韬

(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东 青岛 266580)

长庆油田黄3区属于低渗透油气田[1]，然而其油层孔喉细小、渗透率低[2-3]等特征，使得长庆油田的有效开发难度很大；并且其试验区黄3区CO2驱时发生严重气窜，CO2气窜遇水溶解后呈酸性，使得普通泡沫和冻胶防气窜效果较差[4-6]。为了解决黄3区气窜严重的问题，人们研究了兼具冻胶和泡沫双重特点的耐酸改性冻胶泡沫的防气窜效果[7-11]。

文献中关于防气窜的耐温抗盐的冻胶泡沫报道较少。李亮等[12]开展了高温高盐油藏氮气冻胶泡沫调驱技术研究；任树亮等[13]对泡沫体系进行了优选和性能研究；Almoshin等[14]利用石墨烯氧化锆纳米复合材料作为交联剂来增强冻胶的强度。从文献来看，都是采用单一的泡沫或冻胶来防止气窜，并未有关于低渗油藏利用CO2冻胶泡沫来防气窜的研究。

1 实 验

1.1 主要试剂与仪器

FS924聚合物，相对分子质量约450×104，水解度7.0%，北京恒聚化工集团有限责任公司；酚醛交联剂，北京恒聚化工集团有限责任公司；发泡剂F23、F29、F6、F3，长庆油田分公司勘探开发研究院；Q4稳泡剂,自制；实验用水为长庆油田黄3区地层模拟水；实验用油为长庆油田黄3区原油；实验用岩心,尺寸为φ25 mm×300 mm，渗透率分布为0.5/50/200×10-3μm2。

blender搅拌仪(7012S)，美国waring有限公司；注气驱岩心评价系统，山东中石大石油仪器有限公司；气体质量流量计，江苏拓创石油仪器有限公司；泡沫发生器，江苏拓创石油仪器有限公司；HAAKE RS600型流变仪，德国Thermo公司。

1.2 实验方法

1.2.1 改性冻胶的制备

在催化剂作用下，将带有苯环和硫脲结构的有机物与液溴混合，加热使其在苯环上发生溴原子取代氢原子反应；将上一步产物在加热条件加入碳酸钠溶液，然后加入强酸；加入弱碱去杂质，冷却结晶得含硫脲结构的酚类有机物。将聚合物、酚醛交联剂和含硫脲结构的酚类有机物按一定比例混合溶解后在85 ℃下制得改性冻胶。

1.2.2 改性冻胶的性能评价方法

1)冻胶的成胶性能。使用黄3区地层模拟水配制不同的成胶液，将其装入试样瓶中密封好后置于85 ℃下进行成胶反应，采用GSC强度代码法(将装有成胶反应后的冻胶试剂瓶倒置，根据冻胶的流动性能来判断冻胶等级)定性确定冻胶强度等级和成冻时间[15]。使用流变仪评价其储能模量。

2)起泡性能。使用黄3区地层模拟水配制不同的发泡剂溶液，采用Waring方法对泡沫的起泡性能和稳泡性能进行评价。

3)封堵性能实验。采用人造岩心，恒温85 ℃模拟油藏温度，首先将岩心烘干称重，抽真空，饱和模拟地层水，测定孔隙度；气测渗透率，然后分别注入1.0 PV的冻胶泡沫和普通泡沫(气液体积比1∶1)，记录注入压力。将岩心密封后，成胶72 h后继续气测渗透率，计算封堵率(R)，R=(1-k1/k2)×100%，其中k1为注入封堵体系前测得的气相渗透率，k2为注入封堵体系后的气相渗透率。

4)岩心驱替实验。将所用岩心烘干称重，抽真空，随后饱和模拟地层水；升温至地层温度85 ℃；地层水驱替充分饱和岩心，之后饱和油，并在地层温度下老化24 h；依次水驱、CO2驱、注入1.0 PV冻胶泡沫(气液体积比1∶1)、后续CO2驱。记录各个时刻的压力、产油量，产水量、产气量直至试验结束。

2 改性冻胶泡沫配方优化

2.1 发泡剂和稳泡剂的优选

长庆油田常用的发泡剂有阴离子型、非离子型和复合型发泡剂等几种类型，并且不同发泡剂的发泡稳泡性能差别较大，需要对它们进行初步筛选。使用长庆油田黄3区模拟地层水配置发泡液，其性能结果见表1。

表1 常温常压下不同发泡剂的发泡及稳泡能力

注：FCI为泡沫特征综合值。

由表1可知，从起泡体积和析液半衰期综合来看，发泡稳泡性能最好的是发泡剂F29。进一步对发泡剂F29用量和稳泡剂Q4的用量进行优化，结果如表2所示。

表2 不同F29用量和稳泡剂Q4用量下的FCI

从表2可以看出，发泡剂在0.1%～0.8%范围内，泡沫特征综合值随发泡剂质量分数的增加先上升后趋于平稳。随着发泡剂质量分数的增加，发泡剂的分子向气液界面吸附，当增加到发泡剂的临界胶束浓度后，起泡剂分子在气液界面的吸附量达到最大值，表面张力及体系能量不再减小，泡沫特征综合值基本保持不变，所以发泡剂F29较佳质量分数为0.3%；稳泡剂的使用浓度对泡沫特征综合值的影响与发泡剂相类似，较佳质量分数为0.05%。

2.2 改性冻胶的性能评价

2.2.1 浓度与成冻时间关系实验

改性冻胶的使用浓度和成冻时间的关系如图1所示。由图1可见，聚合物和交联剂的浓度越高，成冻时间越短，这是因为当浓度越高时，酰胺基越多，酰胺加成反应越快，成冻就越快。优选出聚合物使用浓度为7 500 mg/L，交联剂使用浓度为2 000 mg/L。

图1 成冻时间和浓度关系

2.2.2 矿化度对冻胶体系性能的影响

图2为矿化度对冻胶体系成冻时间和储能模量的影响。

图2 矿化度对冻胶体系成冻时间和储能模量的影响

由图2可知，盐浓度对冻胶体系的成胶性能的影响较小。随矿化度增加，冻胶体系的储能模量逐渐降低，但降低幅度较小，这是由于聚合物分子被盐离子压缩导致的；随着矿化度增加冻胶成冻时间被延长，这是由于盐离子的存在压缩聚合物分子的水动力学半径，导致其与交联剂分子碰撞几率降低，而这一特点有益于延长地面泵注时间、实现深部调堵。

2.2.3 pH值对冻胶体系性能的影响

图3为pH值对冻胶体系性能的影响。由图3可知，pH值对冻胶的储能模量影响不大，这是由于新引入的硫脲结构与酚醛发生共聚反应形成主链含硫脲结构的高分子螯合剂，其在一定温度下，分解成有机小分子化合物，其分子链上的氮原子含有的孤电子对可与地层中的氢离子化合生成配位化合物(图4)，减少了氢离子与冻胶分子的接触机会，从而降低了氢离子对冻胶本身的影响，进而增强了冻胶的耐酸性能。

图3 pH值对冻胶体系成冻时间和储能模量的影响

图4 小分子有机物与氢离子形成配位化合物

3 性能评价

3.1 封堵实验

实验采用单管人造岩心，注入参数为：气液比1∶1、注入速度为0.5 mL/min、气液混注1.0 PV、温度为85 ℃，考察普通泡沫和冻胶泡沫对不同渗透率岩心的防气窜能力，并用封堵率来具体表征，结果见表3。如表3所示，向不同渗透率岩心注入泡沫体系封堵时，普通泡沫的封堵效果随渗透率的增大而略有下降。具体来看，普通泡沫对于50×10-3μm2左右的岩心的封堵率为87%，而对200×10-3μm2左右岩心的封堵率为76%；冻胶泡沫的封堵却随渗透率的增加而增加，这是由于冻胶泡沫体系进入较低的渗透率的地层时，较强的剪切作用使得冻胶的稳定性有所下降，从而导致了封堵能力的下降，这在一定程度上证明了冻胶泡沫的选择性封堵能力，但是其对两者的封堵率都达到了95%以上，封堵强度高，防气窜效果优良。

表3 普通泡沫和冻胶泡沫防气窜封堵体系封堵性能评价表

综合来看，冻胶泡沫的防气窜能力显著由于普通泡沫，这是由于冻胶体系的加入进一步增强了泡沫体系的耐酸稳定性和整体强度，大大提升了对二氧化碳的封堵能力。

3.2 岩心驱替实验

实验模拟长庆油田黄3区开采情况，采用双管并联岩心模型，分别为0.5×10-3μm2与50×10-3μm2并联以及0.5×10-3μm2与200×10-3μm2人造岩心并联模型。实验先用水驱至含水率达99%以上，再使用CO2驱至只出气不出油，而后注入冻胶泡沫1.0 PV，采取气液混注，气液比为1∶1，让其在85 ℃条件下成冻48 h，最后再用后续CO2驱。记录各个时刻的注入压力、含水率、气油比等数据，岩心参数见表4，驱替结果如图5所示。

表4 双管并联岩心物理参数

其中，对于L1-3与L2-2并联岩心，0～0.633 PV为水驱，0.633～0.977 PV为CO2驱，0.977～1.777 PV为注入冻胶泡沫体系过程，1.777 PV以后为后续CO2驱；对于L1-4与L3-2并联岩心，0～0.831 PV为水驱，0.831～1.19 PV为CO2驱，1.19～1.1.99 PV为注入冻胶泡沫体系过程，1.99 PV以后为后续CO2驱。

如图5所示，当使用0.5×10-3μm2与50 ×10-3μm2并联时，随着注入量增加，水驱驱替效率逐渐增加，高渗岩心的能到50%左右，低渗岩心基本上不出油，说明高渗岩心见油后的压力不能够启动低渗岩心；CO2驱时，高渗岩心前期先出水，后出油，见油后驱替效率增加能到67%，后期见气后，气油比迅速增大，驱替效率增加缓慢直至不变，并且此时低渗岩心仍未启动，这是由于高渗岩心发生气窜后导致注入压力的下降，从而不能驱动低渗岩心；注入冻胶泡沫体系后，再进行后续CO2驱时，此时由于冻胶泡沫进入了高渗岩心，形成防气窜封堵体系，从而使注入压力升高，达到了低渗岩心的启动压力，最终低渗岩心的驱替效率能到42%，总驱替效率达到了63%，说明冻胶泡沫体系封堵效果优良，能有效防止二氧化碳的气窜。

图5 岩心驱替实验结果

当使用0.5 ×10-3μm2与200×10-3μm2并联时，其趋势大致上与0.5 ×10-3μm2与50×10-3μm2并联岩心的趋势相似，只是其封堵压力更高，对于低渗岩心的驱替效率的提升更高，这是由于冻胶泡沫在200×10-3μm2岩心中受到的剪切作用小于其在50×10-3μm2岩心中的剪切作用，从而形成了更为稳定的防气窜封堵体系。

3.3 冻胶泡沫防气窜机理

当冻胶泡沫进入多孔介质时，一方面，发泡剂降低界面张力的作用使得泡沫得以形成；另一方面，稳泡剂通过降低液膜分子的排斥力的作用而实现稳泡，从而使泡沫能在冻胶液中生成并维持泡沫状态，并且，冻胶液作为泡沫的外相能够增加液膜的黏度，进一步使泡沫能够更稳定地存在。

图6为冻胶泡沫在多孔介质中分布模型。冻胶液的分子通过氢键和范德华力紧紧地吸附在多孔介质的表面，从而需要很大的驱替压力才能使其从多孔介质中流出；当冻胶形成后，其紧密的网格状结构又将泡沫包裹其间，使其能够承受很大的驱替压力。气窜发生时，二氧化碳分子很难通过多孔介质时，这是因为冻胶液形成的网状结构致密细小，对其有很强的拖拽作用，降低了二氧化碳分子的移动速度，缓解了其对泡沫的大部分冲击；并且当二氧化碳气体通过孔隙喉道或孔隙窄口等时，被压缩的泡沫发生变形，叠加的Jamin效应又对二氧化碳气体形成了一个额外的巨大的阻力，导致二氧化碳气体被阻隔在孔道中，从而达到有效防止CO2气窜的目的。

图6 冻胶泡沫在多孔介质中分布模型

4 结 论

a.相比于普通泡沫和冻胶，兼具泡沫和冻胶特性的冻胶泡沫体系能有效地封堵中高渗岩心，防止二氧化碳气窜。随着渗透率降低，封堵效果略微下降，表现出一定的选择性封堵能力。

b.在理论上，本研究通过引入新的基团来适应酸性油藏的研究思路，对于开采其他类型的油藏(如高温油藏、高矿化度油藏)具有很好的借鉴意义；在实用上，本工作有效地解决长庆油田黄3区CO2气窜问题，而对于酸性地层的水窜问题尚未研究。