呂 偉，劉笑春，白海龍，彭明蘭

（1.中國石油長慶油田分公司油氣工藝研究院，陜西西安710018；2.中國石油長慶油田分公司工程技術(shù)管理部，陜西西安710018；3.中國石油長慶油田分公司第二采油廠，甘肅慶陽745100）

近年來，低滲透油藏開發(fā)受到越來越多的重視[1]。注氣是低滲透油藏開發(fā)的重要技術(shù)[2]，其中CO2溶于原油可降黏，溶于水生成碳酸可溶解碳酸鹽等巖石礦物，改善儲(chǔ)層滲透性，在國內(nèi)外注氣開發(fā)油田得到了大量應(yīng)用[3-7]。低滲透油藏CO2驅(qū)可有效補(bǔ)充地層能量，顯著提高原油采收率。但由于存在高滲條帶和天然裂縫，低滲透油藏CO2驅(qū)時(shí)，極易發(fā)生氣竄，嚴(yán)重降低了CO2的利用率和增產(chǎn)效果[8-12]。泡沫體系是常用的氣竄封堵體系，可以實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)，已在勝利、長慶、大慶、大港和中原等油田成功應(yīng)用。但是，常規(guī)泡沫強(qiáng)度不高，對裂縫及高滲條帶等強(qiáng)竄流通道的封堵效果較差，不適于非均質(zhì)嚴(yán)重儲(chǔ)層的氣竄控制。凍膠和聚合物可以通過增強(qiáng)液膜機(jī)械強(qiáng)度來提高泡沫強(qiáng)度和封堵能力，且可以通過控制聚合物和凍膠體系的濃度調(diào)節(jié)強(qiáng)化泡沫的強(qiáng)度，以滿足不同非均質(zhì)儲(chǔ)層的封堵，但聚合物和凍膠泡沫體系在注入前黏度已比較高，在儲(chǔ)層孔隙中的流動(dòng)阻力大，注入性較差，深部調(diào)驅(qū)效果受限。為此，筆者研究形成了CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系，利用響應(yīng)體系與氣竄通道中CO2作用后的增黏特性提高泡沫強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了氣竄通道的精準(zhǔn)、高效封堵，提高了低滲透油藏CO2驅(qū)的開發(fā)效果。

1 CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系研究

通過評(píng)價(jià)油田常用發(fā)泡劑的耐溫性和耐鹽性優(yōu)選發(fā)泡劑，將優(yōu)選出的發(fā)泡劑與小分子胺類CO2響應(yīng)體系復(fù)配，形成CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系。

1.1 發(fā)泡劑優(yōu)選

參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“鉆井液用發(fā)泡劑評(píng)價(jià)程序”（SY/T 5350—2009），以泡沫綜合值（發(fā)泡體積與半衰期的乘積）為指標(biāo)，評(píng)價(jià)發(fā)泡劑的綜合性能。首先，采用去離子水配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的發(fā)泡劑溶液，采用攪拌法測定泡沫綜合值，通過泡沫綜合值優(yōu)化發(fā)泡劑加量；在加量優(yōu)化基礎(chǔ)上，分別配制礦化度為5×104和10×104mg/L的發(fā)泡劑溶液，以泡沫綜合值評(píng)價(jià)發(fā)泡劑的耐鹽性；配制耐鹽發(fā)泡劑溶液，用高溫老化罐密封后置于恒溫箱（溫度分別設(shè)置為80和100℃）中老化72 h，評(píng)價(jià)發(fā)泡劑的耐溫耐鹽性能，優(yōu)選出發(fā)泡劑。

圖1 所示為α-烯烴磺酸鈉（AOS）、脂肪酸甲酯磺酸鹽（MES）、十二烷基硫酸鈉（SDS）、椰油酰胺丙基二甲胺乙內(nèi)酯（CAB-35）、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉（AES）和非離子表面活性劑ZYGK-3等6種發(fā)泡劑不同加量下的泡沫綜合值。從圖1可以看出，發(fā)泡劑加量對泡沫綜合值影響顯著。以泡沫綜合值200 000 mL·s為界限，根據(jù)圖1確定6種發(fā)泡劑的加量范圍和推薦加量，結(jié)果見表1。

圖1 不同發(fā)泡劑在不同加量下的泡沫綜合值Fig.1 Foam comprehensivevaluesof different foaming agentsin different dosages

利用礦化度為5×104和10×104mg/L的水，配制了6種發(fā)泡劑溶液（發(fā)泡劑加量采用表1中的推薦加量），測定其泡沫綜合值，結(jié)果見圖2。由圖2可知，CAB-35、ZYGK-3和AOS等3種發(fā)泡劑在礦化度為10×104mg/L時(shí)仍具有良好的發(fā)泡性能。

圖2 不同發(fā)泡劑溶液在不同礦化度下的泡沫綜合值Fig.2 Foam comprehensive values of different foaming agent solutionsat different salinities

利用不同礦化度的模擬地層水，配制CAB-35，ZYGK-3和AOS等3種發(fā)泡劑的溶液（發(fā)泡劑的加量采用表1中的推薦加量），密封后在8 0和100℃溫度下老化72 h，測定泡沫綜合值，結(jié)果見圖3。由圖3可知，在高礦化度下老化后，AOS依然具有良好的發(fā)泡能力和泡沫穩(wěn)定性能。因此，發(fā)泡劑選用AOS，加量為0.10%。0.10%AOS溶液在高溫高鹽條件下具有良好的發(fā)泡性能和泡沫穩(wěn)定性，可以滿足苛刻條件下CO2驅(qū)氣竄封堵的需求。

圖3 不同發(fā)泡劑溶液在不同溫度下的泡沫綜合值Fig.3 Foam comprehensive values of different foaming agent solutionsat different temperatures

表1 發(fā)泡劑加量優(yōu)化結(jié)果Table1 Optimization result of foaming agent dosage

1.2 CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系

將發(fā)泡劑AOS、小分子胺和去離子水按比例（0.10%AOS+4.00%小分子胺+水）加入到三口燒瓶中，以轉(zhuǎn)速120 r/min攪拌5 min形成均勻溶液，靜置1 h后除去表面泡沫，即為CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系。該體系為透明澄清液體，在與CO2作用前，黏度為1.1 mPa·s，具有優(yōu)良的注入性能；與CO2充分接觸后，黏度顯著升高，最高可達(dá)到20.3 mPa·s。

2 CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系性能評(píng)價(jià)

2.1 綜合性能

設(shè)計(jì)密封攪拌杯，充入CO2氣體（純度99.99%），采用Waring Blender法評(píng)價(jià)常規(guī)泡沫體系（配方為0.10%AOS+水）和CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的泡沫綜合性能，攪拌速度5 000 r/min，攪拌時(shí)間3 min，結(jié)果見表2。

由表2可知：與常規(guī)CO2泡沫體系相比，CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的起泡體積較小，但泡沫穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)；CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的泡沫綜合值可達(dá)常規(guī)泡沫體系的11倍以上。這說明CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系具有良好的起泡能力和優(yōu)異的泡沫穩(wěn)定性能。

表2 CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫性能Table 2 Performance of CO2 responsive enhanced foam system

2.2 流變性和黏彈性

利用安東帕Physica MCR301流變儀的椎板系統(tǒng)（量杯半徑14.466 mm，轉(zhuǎn)子半徑13.330 mm）在70℃下測定CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的穩(wěn)態(tài)流變性及動(dòng)態(tài)黏彈性，分析CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的穩(wěn)定機(jī)理。測試穩(wěn)態(tài)流變性時(shí)，剪切速率為0.01～2000.00 s-1；測試動(dòng)態(tài)黏彈性時(shí)，先進(jìn)行振幅掃描確定線性平臺(tái)區(qū)，然后在線性平臺(tái)區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行頻率掃描，頻率為0.01～100.00 Hz。

常規(guī)CO2泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的穩(wěn)態(tài)流變曲線如圖4所示。由圖4可知，2種泡沫體系均具有明顯的剪切稀釋特性，隨剪切速率增大，表觀黏度迅速降低。CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系中的小分子胺可與CO2通過可逆反應(yīng)形成陽離子聚和物[13-14]，使液膜黏度急劇升高，增大了液膜中流體流動(dòng)的阻力，導(dǎo)致低剪切速率下其表觀黏度明顯高于常規(guī)泡沫體系。剪切速率7.34 s-1下，常規(guī)沫體系和CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的表觀黏度分別為4.9和55.1 mPa·s。

圖4 不同泡沫體系的穩(wěn)態(tài)流變曲線Fig.4 Steady-state rheological curves of different foam systems

對圖4中的流變曲線進(jìn)行擬合，流變方程均符合冪律流體流變模式[15]，相應(yīng)的稠度系數(shù)K和流變指數(shù)n如表3所示。與常規(guī)泡沫體系相比，CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的稠度系數(shù)顯著增大，這與表觀黏度升高一致；其流變指數(shù)減小，說明CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的剪切稀釋性更強(qiáng)。

表3 不同泡沫體系的稠度系數(shù)和流變指數(shù)Table 3 Consistency coefficients and flow behavior indexesof different foam systems

圖5 所示為常規(guī)泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的黏彈性能。其中，儲(chǔ)能模量和損耗模量分別代表泡沫體系的彈性和黏性。由圖5可知：在低頻率范圍內(nèi)，常規(guī)泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的儲(chǔ)能模量大于損耗模量，均以彈性為主；在高頻率范圍內(nèi)，2種泡沫體系的儲(chǔ)能模量大于損耗模量，表現(xiàn)出明顯的黏性。這是因?yàn)?，泡沫是氣泡的聚集體，具有獨(dú)特的空間多面體結(jié)構(gòu)，泡沫的黏彈性來源于相對移動(dòng)分散介質(zhì)的液層內(nèi)摩擦、分散相氣泡間的碰撞和擠壓[16-17]。低頻率剪切時(shí)，分散相氣泡間的碰撞和擠壓作用占主導(dǎo)，因此，常規(guī)泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系表現(xiàn)出較強(qiáng)的彈性。隨著剪切頻率增大，泡沫單體趨于整齊排列，一部分泡沫因變形過大而破裂，導(dǎo)致液層內(nèi)摩擦占主導(dǎo)，表現(xiàn)出明顯的黏性。CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系由于加入了小分子胺，液相黏度升高，泡沫液膜的機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，因此CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系表現(xiàn)出更強(qiáng)的黏彈性，具有更優(yōu)異的泡沫穩(wěn)定性能。

圖5 不同泡沫體系的黏彈性能Fig.5 Viscoelastic performance of different foam systems

2.3 提高采收率性能

采用不同滲透率的長巖心（φ2.5 cm×30.0 cm石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)巖心）組成非均質(zhì)驅(qū)替模型，評(píng)價(jià)常規(guī)泡沫體系和CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系對非均質(zhì)儲(chǔ)層的封堵和增產(chǎn)效果。試驗(yàn)用油為長慶油田五里灣一區(qū)原油，氣油比72 m3/t，飽和壓力7.5 MPa，黏度1.95 mPa·s。非均質(zhì)驅(qū)替模型巖心滲透率分別為118.5和5.2 mD，滲透率級(jí)差22.8。試驗(yàn)溫度70 ℃，巖心出口端回壓10 MPa，泡沫注入方式采用液-氣段塞注入（先注液后注氣）方式，氣液比1∶1，段塞為0.1倍孔隙體積，泡沫注入量為1.0倍孔隙體積。巖心驅(qū)替試驗(yàn)裝置如如圖6所示。

圖6 巖心驅(qū)替試驗(yàn)裝置示意Fig.6 Coreflooding device

試驗(yàn)時(shí)首先以0.15 mL/min的速度進(jìn)行CO2驅(qū)，出口端不產(chǎn)油后轉(zhuǎn)注1.0倍孔隙體積的泡沫，然后繼續(xù)進(jìn)行CO2驅(qū)。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出：泡沫封堵前，CO2驅(qū)采收率只有18%左右，且大部分原油產(chǎn)自高滲透巖心，低滲透巖心基本未動(dòng)用；CO2驅(qū)時(shí)的壓差較低，注入泡沫后壓差迅速增大，說明泡沫體系能有效增加氣竄通道中的滲流阻力，控制氣體在優(yōu)勢通道中的竄流；CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的封堵阻力系數(shù)可達(dá)到60，遠(yuǎn)大于常規(guī)泡沫體系的封堵阻力系數(shù)（12），說明小分子胺使泡沫體系的黏彈性增強(qiáng)，可以顯著提高泡沫體系的封堵能力；在CO2驅(qū)基礎(chǔ)上，常規(guī)泡沫封堵體系可以使采收率提高約10百分點(diǎn)，而CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系可以使采收率提高約23百分點(diǎn)。說明CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系使氣體在竄流通道中的流動(dòng)阻力增大，黏性力增強(qiáng)，從而可以使更多的氣體轉(zhuǎn)向低滲透巖心中，顯著增加氣驅(qū)波及體積。

圖7 不同泡沫體系封堵驅(qū)替試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Plugging and flooding test results of different foam systems

3 結(jié)論

1）優(yōu)選出了CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系配方：0.1%發(fā)泡劑AOS+4.0%小分子胺+水，該泡沫體系在接觸CO2前，黏度與水接近，與CO2接觸后其黏度可增大18倍以上。

2）CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系具有明顯的剪切稀釋特性，流變方程符合冪律流體流變模式。CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系比常規(guī)泡沫體系具有更強(qiáng)的黏彈性。

3）CO2響應(yīng)性增強(qiáng)泡沫體系的泡沫綜合值可以達(dá)到常規(guī)泡沫體系的11倍以上，能有效抑制滲透率級(jí)差大于20強(qiáng)的非均質(zhì)儲(chǔ)層的氣竄，提高非均質(zhì)低滲透油藏的CO2驅(qū)開發(fā)效果。