王彥玲，蘭金城，李 強(qiáng)，蔣保洋，許 寧，孟令韜

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)屬于低滲透油氣田[1]，然而其油層孔喉細(xì)小、滲透率低[2-3]等特征，使得長(zhǎng)慶油田的有效開(kāi)發(fā)難度很大；并且其試驗(yàn)區(qū)黃3區(qū)CO2驅(qū)時(shí)發(fā)生嚴(yán)重氣竄，CO2氣竄遇水溶解后呈酸性，使得普通泡沫和凍膠防氣竄效果較差[4-6]。為了解決黃3區(qū)氣竄嚴(yán)重的問(wèn)題，人們研究了兼具凍膠和泡沫雙重特點(diǎn)的耐酸改性凍膠泡沫的防氣竄效果[7-11]。

文獻(xiàn)中關(guān)于防氣竄的耐溫抗鹽的凍膠泡沫報(bào)道較少。李亮等[12]開(kāi)展了高溫高鹽油藏氮?dú)鈨瞿z泡沫調(diào)驅(qū)技術(shù)研究；任樹(shù)亮等[13]對(duì)泡沫體系進(jìn)行了優(yōu)選和性能研究；Almoshin等[14]利用石墨烯氧化鋯納米復(fù)合材料作為交聯(lián)劑來(lái)增強(qiáng)凍膠的強(qiáng)度。從文獻(xiàn)來(lái)看，都是采用單一的泡沫或凍膠來(lái)防止氣竄，并未有關(guān)于低滲油藏利用CO2凍膠泡沫來(lái)防氣竄的研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

FS924聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量約450×104，水解度7.0%，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司；酚醛交聯(lián)劑，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司；發(fā)泡劑F23、F29、F6、F3，長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院；Q4穩(wěn)泡劑,自制；實(shí)驗(yàn)用水為長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)地層模擬水；實(shí)驗(yàn)用油為長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)原油；實(shí)驗(yàn)用巖心,尺寸為φ25 mm×300 mm，滲透率分布為0.5/50/200×10-3μm2。

blender攪拌儀(7012S)，美國(guó)waring有限公司；注氣驅(qū)巖心評(píng)價(jià)系統(tǒng)，山東中石大石油儀器有限公司；氣體質(zhì)量流量計(jì)，江蘇拓創(chuàng)石油儀器有限公司；泡沫發(fā)生器，江蘇拓創(chuàng)石油儀器有限公司；HAAKE RS600型流變儀，德國(guó)Thermo公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 改性凍膠的制備

在催化劑作用下，將帶有苯環(huán)和硫脲結(jié)構(gòu)的有機(jī)物與液溴混合，加熱使其在苯環(huán)上發(fā)生溴原子取代氫原子反應(yīng)；將上一步產(chǎn)物在加熱條件加入碳酸鈉溶液，然后加入強(qiáng)酸；加入弱堿去雜質(zhì)，冷卻結(jié)晶得含硫脲結(jié)構(gòu)的酚類有機(jī)物。將聚合物、酚醛交聯(lián)劑和含硫脲結(jié)構(gòu)的酚類有機(jī)物按一定比例混合溶解后在85 ℃下制得改性凍膠。

1.2.2 改性凍膠的性能評(píng)價(jià)方法

1)凍膠的成膠性能。使用黃3區(qū)地層模擬水配制不同的成膠液，將其裝入試樣瓶中密封好后置于85 ℃下進(jìn)行成膠反應(yīng)，采用GSC強(qiáng)度代碼法(將裝有成膠反應(yīng)后的凍膠試劑瓶倒置，根據(jù)凍膠的流動(dòng)性能來(lái)判斷凍膠等級(jí))定性確定凍膠強(qiáng)度等級(jí)和成凍時(shí)間[15]。使用流變儀評(píng)價(jià)其儲(chǔ)能模量。

2)起泡性能。使用黃3區(qū)地層模擬水配制不同的發(fā)泡劑溶液，采用Waring方法對(duì)泡沫的起泡性能和穩(wěn)泡性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3)封堵性能實(shí)驗(yàn)。采用人造巖心，恒溫85 ℃模擬油藏溫度，首先將巖心烘干稱重，抽真空，飽和模擬地層水，測(cè)定孔隙度；氣測(cè)滲透率，然后分別注入1.0 PV的凍膠泡沫和普通泡沫(氣液體積比1∶1)，記錄注入壓力。將巖心密封后，成膠72 h后繼續(xù)氣測(cè)滲透率，計(jì)算封堵率(R)，R=(1-k1/k2)×100%，其中k1為注入封堵體系前測(cè)得的氣相滲透率，k2為注入封堵體系后的氣相滲透率。

4)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。將所用巖心烘干稱重，抽真空，隨后飽和模擬地層水；升溫至地層溫度85 ℃；地層水驅(qū)替充分飽和巖心，之后飽和油，并在地層溫度下老化24 h；依次水驅(qū)、CO2驅(qū)、注入1.0 PV凍膠泡沫(氣液體積比1∶1)、后續(xù)CO2驅(qū)。記錄各個(gè)時(shí)刻的壓力、產(chǎn)油量，產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量直至試驗(yàn)結(jié)束。

2 改性凍膠泡沫配方優(yōu)化

2.1 發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的優(yōu)選

長(zhǎng)慶油田常用的發(fā)泡劑有陰離子型、非離子型和復(fù)合型發(fā)泡劑等幾種類型，并且不同發(fā)泡劑的發(fā)泡穩(wěn)泡性能差別較大，需要對(duì)它們進(jìn)行初步篩選。使用長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)模擬地層水配置發(fā)泡液，其性能結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 常溫常壓下不同發(fā)泡劑的發(fā)泡及穩(wěn)泡能力

注：FCI為泡沫特征綜合值。

由表1可知，從起泡體積和析液半衰期綜合來(lái)看，發(fā)泡穩(wěn)泡性能最好的是發(fā)泡劑F29。進(jìn)一步對(duì)發(fā)泡劑F29用量和穩(wěn)泡劑Q4的用量進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表2所示。

表2 不同F(xiàn)29用量和穩(wěn)泡劑Q4用量下的FCI

從表2可以看出，發(fā)泡劑在0.1%～0.8%范圍內(nèi)，泡沫特征綜合值隨發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先上升后趨于平穩(wěn)。隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)泡劑的分子向氣液界面吸附，當(dāng)增加到發(fā)泡劑的臨界膠束濃度后，起泡劑分子在氣液界面的吸附量達(dá)到最大值，表面張力及體系能量不再減小，泡沫特征綜合值基本保持不變，所以發(fā)泡劑F29較佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%；穩(wěn)泡劑的使用濃度對(duì)泡沫特征綜合值的影響與發(fā)泡劑相類似，較佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%。

2.2 改性凍膠的性能評(píng)價(jià)

2.2.1 濃度與成凍時(shí)間關(guān)系實(shí)驗(yàn)

改性凍膠的使用濃度和成凍時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，聚合物和交聯(lián)劑的濃度越高，成凍時(shí)間越短，這是因?yàn)楫?dāng)濃度越高時(shí)，酰胺基越多，酰胺加成反應(yīng)越快，成凍就越快。優(yōu)選出聚合物使用濃度為7 500 mg/L，交聯(lián)劑使用濃度為2 000 mg/L。

圖1 成凍時(shí)間和濃度關(guān)系

2.2.2 礦化度對(duì)凍膠體系性能的影響

圖2為礦化度對(duì)凍膠體系成凍時(shí)間和儲(chǔ)能模量的影響。

圖2 礦化度對(duì)凍膠體系成凍時(shí)間和儲(chǔ)能模量的影響

由圖2可知，鹽濃度對(duì)凍膠體系的成膠性能的影響較小。隨礦化度增加，凍膠體系的儲(chǔ)能模量逐漸降低，但降低幅度較小，這是由于聚合物分子被鹽離子壓縮導(dǎo)致的；隨著礦化度增加凍膠成凍時(shí)間被延長(zhǎng)，這是由于鹽離子的存在壓縮聚合物分子的水動(dòng)力學(xué)半徑，導(dǎo)致其與交聯(lián)劑分子碰撞幾率降低，而這一特點(diǎn)有益于延長(zhǎng)地面泵注時(shí)間、實(shí)現(xiàn)深部調(diào)堵。

2.2.3 pH值對(duì)凍膠體系性能的影響

圖3為pH值對(duì)凍膠體系性能的影響。由圖3可知，pH值對(duì)凍膠的儲(chǔ)能模量影響不大，這是由于新引入的硫脲結(jié)構(gòu)與酚醛發(fā)生共聚反應(yīng)形成主鏈含硫脲結(jié)構(gòu)的高分子螯合劑，其在一定溫度下，分解成有機(jī)小分子化合物，其分子鏈上的氮原子含有的孤電子對(duì)可與地層中的氫離子化合生成配位化合物(圖4)，減少了氫離子與凍膠分子的接觸機(jī)會(huì)，從而降低了氫離子對(duì)凍膠本身的影響，進(jìn)而增強(qiáng)了凍膠的耐酸性能。

圖3 pH值對(duì)凍膠體系成凍時(shí)間和儲(chǔ)能模量的影響

圖4 小分子有機(jī)物與氫離子形成配位化合物

3 性能評(píng)價(jià)

3.1 封堵實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用單管人造巖心，注入?yún)?shù)為：氣液比1∶1、注入速度為0.5 mL/min、氣液混注1.0 PV、溫度為85 ℃，考察普通泡沫和凍膠泡沫對(duì)不同滲透率巖心的防氣竄能力，并用封堵率來(lái)具體表征，結(jié)果見(jiàn)表3。如表3所示，向不同滲透率巖心注入泡沫體系封堵時(shí)，普通泡沫的封堵效果隨滲透率的增大而略有下降。具體來(lái)看，普通泡沫對(duì)于50×10-3μm2左右的巖心的封堵率為87%，而對(duì)200×10-3μm2左右?guī)r心的封堵率為76%；凍膠泡沫的封堵卻隨滲透率的增加而增加，這是由于凍膠泡沫體系進(jìn)入較低的滲透率的地層時(shí)，較強(qiáng)的剪切作用使得凍膠的穩(wěn)定性有所下降，從而導(dǎo)致了封堵能力的下降，這在一定程度上證明了凍膠泡沫的選擇性封堵能力，但是其對(duì)兩者的封堵率都達(dá)到了95%以上，封堵強(qiáng)度高，防氣竄效果優(yōu)良。

表3 普通泡沫和凍膠泡沫防氣竄封堵體系封堵性能評(píng)價(jià)表

綜合來(lái)看，凍膠泡沫的防氣竄能力顯著由于普通泡沫，這是由于凍膠體系的加入進(jìn)一步增強(qiáng)了泡沫體系的耐酸穩(wěn)定性和整體強(qiáng)度，大大提升了對(duì)二氧化碳的封堵能力。

3.2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)開(kāi)采情況，采用雙管并聯(lián)巖心模型，分別為0.5×10-3μm2與50×10-3μm2并聯(lián)以及0.5×10-3μm2與200×10-3μm2人造巖心并聯(lián)模型。實(shí)驗(yàn)先用水驅(qū)至含水率達(dá)99%以上，再使用CO2驅(qū)至只出氣不出油，而后注入凍膠泡沫1.0 PV，采取氣液混注，氣液比為1∶1，讓其在85 ℃條件下成凍48 h，最后再用后續(xù)CO2驅(qū)。記錄各個(gè)時(shí)刻的注入壓力、含水率、氣油比等數(shù)據(jù)，巖心參數(shù)見(jiàn)表4，驅(qū)替結(jié)果如圖5所示。

表4 雙管并聯(lián)巖心物理參數(shù)

其中，對(duì)于L1-3與L2-2并聯(lián)巖心，0～0.633 PV為水驅(qū)，0.633～0.977 PV為CO2驅(qū)，0.977～1.777 PV為注入凍膠泡沫體系過(guò)程，1.777 PV以后為后續(xù)CO2驅(qū)；對(duì)于L1-4與L3-2并聯(lián)巖心，0～0.831 PV為水驅(qū)，0.831～1.19 PV為CO2驅(qū)，1.19～1.1.99 PV為注入凍膠泡沫體系過(guò)程，1.99 PV以后為后續(xù)CO2驅(qū)。

如圖5所示，當(dāng)使用0.5×10-3μm2與50 ×10-3μm2并聯(lián)時(shí)，隨著注入量增加，水驅(qū)驅(qū)替效率逐漸增加，高滲巖心的能到50%左右，低滲巖心基本上不出油，說(shuō)明高滲巖心見(jiàn)油后的壓力不能夠啟動(dòng)低滲巖心；CO2驅(qū)時(shí)，高滲巖心前期先出水，后出油，見(jiàn)油后驅(qū)替效率增加能到67%，后期見(jiàn)氣后，氣油比迅速增大，驅(qū)替效率增加緩慢直至不變，并且此時(shí)低滲巖心仍未啟動(dòng)，這是由于高滲巖心發(fā)生氣竄后導(dǎo)致注入壓力的下降，從而不能驅(qū)動(dòng)低滲巖心；注入凍膠泡沫體系后，再進(jìn)行后續(xù)CO2驅(qū)時(shí)，此時(shí)由于凍膠泡沫進(jìn)入了高滲巖心，形成防氣竄封堵體系，從而使注入壓力升高，達(dá)到了低滲巖心的啟動(dòng)壓力，最終低滲巖心的驅(qū)替效率能到42%，總驅(qū)替效率達(dá)到了63%，說(shuō)明凍膠泡沫體系封堵效果優(yōu)良，能有效防止二氧化碳的氣竄。

圖5 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)使用0.5 ×10-3μm2與200×10-3μm2并聯(lián)時(shí)，其趨勢(shì)大致上與0.5 ×10-3μm2與50×10-3μm2并聯(lián)巖心的趨勢(shì)相似，只是其封堵壓力更高，對(duì)于低滲巖心的驅(qū)替效率的提升更高，這是由于凍膠泡沫在200×10-3μm2巖心中受到的剪切作用小于其在50×10-3μm2巖心中的剪切作用，從而形成了更為穩(wěn)定的防氣竄封堵體系。

3.3 凍膠泡沫防氣竄機(jī)理

當(dāng)凍膠泡沫進(jìn)入多孔介質(zhì)時(shí)，一方面，發(fā)泡劑降低界面張力的作用使得泡沫得以形成；另一方面，穩(wěn)泡劑通過(guò)降低液膜分子的排斥力的作用而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)泡，從而使泡沫能在凍膠液中生成并維持泡沫狀態(tài)，并且，凍膠液作為泡沫的外相能夠增加液膜的黏度，進(jìn)一步使泡沫能夠更穩(wěn)定地存在。

圖6為凍膠泡沫在多孔介質(zhì)中分布模型。凍膠液的分子通過(guò)氫鍵和范德華力緊緊地吸附在多孔介質(zhì)的表面，從而需要很大的驅(qū)替壓力才能使其從多孔介質(zhì)中流出；當(dāng)凍膠形成后，其緊密的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)又將泡沫包裹其間，使其能夠承受很大的驅(qū)替壓力。氣竄發(fā)生時(shí)，二氧化碳分子很難通過(guò)多孔介質(zhì)時(shí)，這是因?yàn)閮瞿z液形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密細(xì)小，對(duì)其有很強(qiáng)的拖拽作用，降低了二氧化碳分子的移動(dòng)速度，緩解了其對(duì)泡沫的大部分沖擊；并且當(dāng)二氧化碳?xì)怏w通過(guò)孔隙喉道或孔隙窄口等時(shí)，被壓縮的泡沫發(fā)生變形，疊加的Jamin效應(yīng)又對(duì)二氧化碳?xì)怏w形成了一個(gè)額外的巨大的阻力，導(dǎo)致二氧化碳?xì)怏w被阻隔在孔道中，從而達(dá)到有效防止CO2氣竄的目的。

圖6 凍膠泡沫在多孔介質(zhì)中分布模型

4 結(jié) 論

a.相比于普通泡沫和凍膠，兼具泡沫和凍膠特性的凍膠泡沫體系能有效地封堵中高滲巖心，防止二氧化碳?xì)飧Z。隨著滲透率降低，封堵效果略微下降，表現(xiàn)出一定的選擇性封堵能力。

b.在理論上，本研究通過(guò)引入新的基團(tuán)來(lái)適應(yīng)酸性油藏的研究思路，對(duì)于開(kāi)采其他類型的油藏(如高溫油藏、高礦化度油藏)具有很好的借鑒意義；在實(shí)用上，本工作有效地解決長(zhǎng)慶油田黃3區(qū)CO2氣竄問(wèn)題，而對(duì)于酸性地層的水竄問(wèn)題尚未研究。