劉雙星，彭 勃，劉 琦，李興春，薛 明

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京102249；2.中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京102206）

1 研究背景

CO2泡沫驅(qū)油技術(shù)兼具CO2氣體和泡沫流體的特點(diǎn)，具有功能性強(qiáng)、適用性廣、可調(diào)性好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ娜尾捎图夹g(shù)之一；同時(shí)，將CO2應(yīng)用于原油開采，亦能夠?yàn)槲覈?guó)的CO2減排提供幫助。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)泡沫體系的性能進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。而在諸多驅(qū)油用CO2泡沫體系性能的優(yōu)化方法中，粒徑控制能夠?qū)ε菽w系的黏度、流動(dòng)性、通過(guò)性等性能進(jìn)行較大程度的改變[1-2]。對(duì)粒徑對(duì)泡沫體系性能的影響進(jìn)行研究，有助于更好地通過(guò)粒徑控制方法優(yōu)化泡沫性能。

由于泡沫體系中類球形氣泡的存在，使泡沫流體具有不同于常規(guī)氣液兩相流體的兩個(gè)特性：

1）泡沫體系的能量更高[3-4]。泡沫體系的過(guò)剩能量由兩部分組成，一是氣-液界面面積增大導(dǎo)致的表面吉布斯自由能增量[5-6]，這部分能量與氣液間的界面張力有關(guān)[7-8]；二是彎曲液面產(chǎn)生的附加壓力（圖1），其大小由氣液界面張力和氣泡粒徑共同決定，可由Young-Laplace 公式計(jì)算，如公式1 所示，對(duì)于相同組成的泡沫體系，氣泡粒徑越小，體系能量越大。更高的能量使得泡沫體系在驅(qū)油過(guò)程中能夠向地層中注入更多的能量，但也會(huì)導(dǎo)致泡沫體系趨于降低體系能量（亦即泡沫破滅）。

圖1 附加壓力Fig.1 Additional pressure

式中：P為附加壓力，Pa；σ為液膜的界面張力，mN/m；r為氣泡的曲率半徑，m。

此外，粒徑的均勻程度亦會(huì)對(duì)泡沫體系的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響：兩個(gè)粒徑不同的氣泡相互靠近時(shí)，由于附加壓力的大小差異，會(huì)產(chǎn)生由小氣泡指向大氣泡的壓力差，導(dǎo)致小氣泡聚并至大氣泡內(nèi)，如圖2 所示。因此，泡沫的粒徑均勻程度提高，能夠減少氣泡聚并的發(fā)生，有利于體系穩(wěn)定性的提高。

圖2 氣泡粒徑差導(dǎo)致氣泡聚并Fig.2 Coalescence caused by difference of bubbles’sizes

2）氣泡成為體系中的獨(dú)立流動(dòng)單元[9-10]。驅(qū)油用泡沫體系中通常含有表面活性劑、聚合物等化學(xué)添加劑，因此其氣泡液膜具有一定的強(qiáng)度，氣泡可以隨體系流動(dòng)并維持形貌，亦可產(chǎn)生一定形變。這一特性使氣泡在多孔介質(zhì)能夠產(chǎn)生通過(guò)、受阻通過(guò)和封堵（賈敏效應(yīng)）三種現(xiàn)象，發(fā)生何種現(xiàn)象由氣泡粒徑和孔隙內(nèi)水化層內(nèi)直徑的大小關(guān)系決定。

由于上述兩種特性，泡沫體系中氣泡的粒徑大小會(huì)對(duì)體系的穩(wěn)定性和滲流特征產(chǎn)生影響。目前的研究普遍認(rèn)為，泡沫體系粒徑的減小，能夠使泡沫體系具有更強(qiáng)的通過(guò)性、液膜占比更高、表面zeta 電位更高、受外力作用小和受浮力作用小等有利于泡沫穩(wěn)定性提高、原油驅(qū)替能力增強(qiáng)的特性[11-17]。同時(shí)，相比于調(diào)整體系的化學(xué)組成，調(diào)整泡沫體系的粒徑能夠更直接地改變體系的物理性能，成本更低，對(duì)地層的傷害更小[18-21]。

隨著對(duì)泡沫流體、多相流等內(nèi)容研究的深入和檢測(cè)手段的進(jìn)步，泡沫驅(qū)的機(jī)理、適用條件、影響因素、性能優(yōu)化方式等被逐漸發(fā)現(xiàn)，但目前有關(guān)驅(qū)油用泡沫體系的性能優(yōu)化仍集中在調(diào)整體系的化學(xué)組成，通過(guò)調(diào)整泡沫粒徑進(jìn)行性能優(yōu)化的研究相對(duì)較少。鑒于粒徑對(duì)泡沫體系性能影響的重要程度，通過(guò)機(jī)械方式調(diào)整體系粒徑，以優(yōu)化體系性能，使其適用于不同油藏條件，不失為一種泡沫驅(qū)優(yōu)化的新方法、新方向。同時(shí)，相比于改變化學(xué)添加劑組成，制備設(shè)備的改造成本更低，能夠提高泡沫驅(qū)的經(jīng)濟(jì)適宜性。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)泡沫粒徑對(duì)體系性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)全面的考察，總結(jié)歸納出了泡沫粒徑對(duì)泡沫體系穩(wěn)定性、氣泡衰變和滲流性能的影響方式及規(guī)律，能夠?yàn)榕菽w系性能優(yōu)化提供新思路。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

使用本實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的立式泡沫發(fā)生器進(jìn)行泡沫制備（圖3），通過(guò)改變篩板目數(shù)控制氣泡粒徑。篩板目數(shù)分別為50目、80目、140目、200目、325目和400 目，常壓、常溫，氣液比為2.5∶1，總注入速度為2.1 mL/s，CO2注入速度為1.5 mL/s，液體注入速度為0.6 mL/s，篩板間距2 mm，注入時(shí)間3 min，使用NaCl-KCl 型模擬地層水配制，總礦化度9 862 mg/L，粒徑（d），μm。測(cè)量使用奧林巴斯BX-61 型光學(xué)顯微鏡（Olympus Microscope BX-61，最大放大倍數(shù)250x），，由上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)每次測(cè)量100個(gè)氣泡，結(jié)果取平均值±方差。所用化學(xué)劑如表1所示，所用無(wú)機(jī)鹽如表2 所示；模擬地層水的礦化度為9 862 mg/L，離子組成如表3所示。所用氣體為CO2，純度99.5%，北京京高氣體有限公司生產(chǎn)。滲流實(shí)驗(yàn)所用人造巖心為實(shí)驗(yàn)室自制，尺寸為長(zhǎng)6 cm，直徑2.5 cm，體積29.45 cm3，巖心參數(shù)及實(shí)驗(yàn)分組如表4所示；所用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)室自建的無(wú)油滲流性能評(píng)價(jià)裝置，裝置示意圖如圖4所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)劑Table 1 Chemicals used in this study

圖3 立式泡沫發(fā)生器及其結(jié)構(gòu)Fig.3 Vertical foam generator and its structure

表2 實(shí)驗(yàn)所用無(wú)機(jī)鹽Table 2 Inorganic salt used in this study

表3 模擬地層水的離子組成Table 3 Ion composition of formation water

表4 滲流性能測(cè)試分組及所用人造巖心參數(shù)Table 4 Grouping and parameters of cores used in percolation testing experiment

圖4 滲流性能評(píng)價(jià)裝置Fig.4 Equipment for evaluation of percolation performance

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）泡沫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

通過(guò)考察泡沫體系體積衰減和液體析出的情況，以得到氣泡粒徑對(duì)泡沫體系穩(wěn)定性的影響規(guī)律。在泡沫制備后將其置于封閉容器內(nèi)靜置，考察泡沫體積及余液體積隨時(shí)間的變化，以泡沫半衰期（泡沫體積衰減至初始體積一半所用的時(shí)間，記為t1/2，s）和析液半衰期（泡沫內(nèi)液體析出一半的時(shí)間，記為tD，s）為考察指標(biāo)。

2）粒徑變化實(shí)驗(yàn)

考察了不同粒徑的泡沫體系其粒徑及粒徑均勻程度隨時(shí)間的變化情況，以考察不同體系中氣泡聚并的發(fā)生情況。選擇0 min（制備完成后立即測(cè)量）、1 h、泡沫半衰期時(shí)間和24 h作為測(cè)量點(diǎn)，取樣測(cè)量氣泡的粒徑大小并計(jì)算方差，每次測(cè)量100 個(gè)氣泡，氣泡粒徑結(jié)果取平均值，粒徑均勻程度結(jié)果取方差。

3）滲流實(shí)驗(yàn)

通過(guò)無(wú)油泡沫體系滲流實(shí)驗(yàn)，考察了50 目、140 目和325 目篩板條件下制備出的泡沫體系在1×10-3μm2滲透率和100×10-3μm2滲透率的多孔介質(zhì)（人造巖心）中的滲流性能，以阻力因子（泡沫注入時(shí)巖心兩端壓差與注水時(shí)巖心兩端壓差的比值，記為Rf）和殘余阻力因子（注入泡沫之前與之后注水時(shí)巖心兩端壓差的比值，記為Rff）為考察指標(biāo)，其中，阻力因子用于考察泡沫體系的封堵能力，殘余阻力因子則能夠反映泡沫體系的暫堵程度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 泡沫穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

氣泡粒徑對(duì)體系穩(wěn)定性的影響結(jié)果如表5所示。

由結(jié)果可知，目數(shù)越大的篩板制備出的泡沫粒徑越小、粒徑均勻程度越高、泡沫體系的泡沫半衰期和析液半衰期越長(zhǎng)。氣泡的形成過(guò)程，是液體形成液膜并對(duì)氣團(tuán)進(jìn)行包裹的過(guò)程，此過(guò)程中通過(guò)的氣體量、液膜能夠承受的附加壓力和液膜包裹的速率共同影響氣泡的粒徑。由于篩板目數(shù)不影響篩板的總空隙面積，因此對(duì)氣體量影響較小，且在一定范圍內(nèi)篩板目數(shù)對(duì)于液相形成液膜的能力、速率也沒(méi)有明顯影響；而目數(shù)較大的篩板具有更小的孔隙，能夠?qū)Ω罅椒秶鷥?nèi)的氣泡進(jìn)行切分。因此，篩板目數(shù)越大，氣液兩相的分散越充分、越均勻，導(dǎo)致了泡沫粒徑減小、粒徑均勻程度提高[22]。同時(shí)，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文研究的結(jié)論，粒徑更小的體系液膜更不易因排液而變薄，使得泡沫粒徑的減小有利于體系穩(wěn)定性的增加。粒徑均勻程度的提升，使體系中的氣泡間粒徑差變小，進(jìn)而使得氣泡間附加壓力差變小，體系穩(wěn)定性提高。

表5 粒徑對(duì)泡沫性能的影響Table 5 Impact of particle size on foam properties

3.2.粒徑變化實(shí)驗(yàn)

不同初始粒徑的泡沫體系其粒徑隨時(shí)間變化如圖5所示，粒徑均勻程度隨時(shí)間的變化如圖6所示。

圖5 粒徑隨時(shí)間的變化Fig.5 Change of particle size with time

圖6 粒徑均勻程度隨時(shí)間的變化Fig.6 Uniformity of particle size varies with time

由圖5、圖6可知，初始粒徑更小的泡沫體系，其氣泡粒徑隨時(shí)間延長(zhǎng)的增量更??；初始粒徑均勻程度更高的體系，其粒徑均勻程度隨時(shí)間延長(zhǎng)的衰減更小。結(jié)合前文內(nèi)容，粒徑越小的氣泡其液膜外表面zeta電位越高[16,21-22]，氣泡間的斥力越大，氣泡更不容易相互接觸，能夠減少聚并的發(fā)生；粒徑更小的氣泡其液膜緊密程度更高，液膜更厚，內(nèi)部氣體更不易滲透和擴(kuò)張。同時(shí)，小粒徑的氣泡具有收縮特性[16,23]，能夠延緩單個(gè)氣泡體積增大。在粒徑均勻程度更高的體系中，氣泡間的粒徑差越小，導(dǎo)致氣泡間的附加壓力差越小，同樣能夠較少氣泡相互接觸，減少聚并現(xiàn)象的發(fā)生，減少大粒徑氣泡的形成。

3.3 滲流實(shí)驗(yàn)

滲流性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如圖7、圖8所示。

由滲流性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：

圖7 1×10-3 μm2巖心中泡沫的滲流特征Fig.7 Percolation characteristics of foam in with permeabity of cores

圖8 100×10-3 μm2巖心中泡沫的滲流特征Fig.8 Percolation characteristics of foam in with permeabity of cores

1）小粒徑泡沫體系的阻力因子和殘余阻力因子在滲透率1×10-3μm2的巖心中較高，在100×10-3μm2的巖心中較低。有關(guān)泡沫體系流動(dòng)性能、封堵作用的研究中，普遍認(rèn)為泡沫體系的封堵效果隨滲透率升高而提高[24-25]，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所差異。分析認(rèn)為，小粒徑的泡沫體系粒徑[26-28]，由于其泡沫粒徑小，在大直徑孔隙更多的高滲透率環(huán)境下難以匹配能夠發(fā)生賈敏效應(yīng)的孔隙，使其在高滲透率條件下兩項(xiàng)考察指標(biāo)的提升程度較低；而在低滲透率環(huán)境下，小直徑孔隙更多，氣泡更易進(jìn)入孔隙直徑小于其粒徑的窄小孔道，使賈敏效應(yīng)發(fā)生更加頻繁，在宏觀上表現(xiàn)為兩項(xiàng)考察指標(biāo)提升程度較高。

2）在相同滲透率條件下，氣泡粒徑越小，封堵效果越好。小粒徑的泡沫在巖心中的波及體積更大，能夠進(jìn)入更多的孔隙中；大直徑的孔隙則由泡沫破裂所產(chǎn)生的游離氣團(tuán)進(jìn)行封堵：根據(jù)液膜的產(chǎn)生機(jī)理，大團(tuán)游離氣體在通過(guò)孔喉進(jìn)、出孔隙時(shí)，可被看作是一個(gè)粒徑較大的氣泡，其同樣能夠產(chǎn)生賈敏效應(yīng)。

3）在兩種滲透率條件下，殘余阻力因子均明顯小于阻力因子。這是由于泡沫和模擬地層水的黏度、流動(dòng)性差別很大，兩者有各自的流動(dòng)通道，導(dǎo)致了后段注水時(shí)巖心前后壓差減小。同時(shí)，注泡沫后注水會(huì)對(duì)處于暫時(shí)性封堵狀態(tài)的氣泡產(chǎn)生干擾，容易導(dǎo)致其破滅或是發(fā)生移動(dòng)，解除暫時(shí)性封堵，這也會(huì)使巖心前后壓差減小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，粒徑較大的泡沫體系暫堵現(xiàn)象占據(jù)的比例更大。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)，考察了氣泡粒徑對(duì)驅(qū)油用泡沫體系的穩(wěn)定性、粒徑變化和在多孔介質(zhì)中滲流特征的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出主要如下結(jié)論：

1）對(duì)組成相同的泡沫體系而言，粒徑更小、粒徑均勻程度更高的體系具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，體系中的氣泡更不易破裂、消失，并且氣泡粒徑隨時(shí)間的增幅更小，氣泡間的聚并更不易發(fā)生。

2）在滲透率不同時(shí)，大、小粒徑的泡沫體系均在低滲透率條件下表現(xiàn)出了更好的封堵效果；而在相同滲透率條件下，粒徑較小、均勻程度更高的泡沫體系表現(xiàn)出了更好的封堵效果。