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微納米顆粒三相泡沫體系的溶液特性、界面性能和驅(qū)油效果(二)

來源: 《中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》 瀏覽 99 次 發(fā)布時間:2024-10-23

2結(jié)果分析


2.1微納米顆粒三相泡沫體系構(gòu)筑


依據(jù)大慶油田聚驅(qū)后油藏特征,采用不同厚度和滲透率的巖心模型并聯(lián)模擬聚驅(qū)后油藏。巖心模型水驅(qū)、聚驅(qū)和三相泡沫驅(qū)示意圖見圖1??梢钥闯?,聚驅(qū)后油藏注水時,由于水的黏度較低,水主要沿著高滲透層流動,形成無效循環(huán)。注聚合物時,聚合物黏度明顯大于水,聚合物進(jìn)入高滲層可形成一定封堵,使其進(jìn)入中低滲層,中滲層滲流阻力較大,進(jìn)入的聚合物較少,而低滲層滲流阻力最大,進(jìn)入的聚合物更少。因此聚驅(qū)后水驅(qū)或聚驅(qū)無法大幅提高采收率。


聚驅(qū)后油藏要大幅提高采收率,需要同時具有堵調(diào)驅(qū)功能的驅(qū)油體系,泡沫具有堵大不堵小、堵水不堵油作用,適用于非均質(zhì)油藏提高采收率。但普通泡沫只適用于滲透率級差較小的油藏提高采收率,為使泡沫適用于級差較大的聚驅(qū)后油藏提高采收率,本文中利用微納米顆粒、聚合物和表面活性劑形成三相泡沫體系。聚合物和微納米顆粒使泡沫液膜厚度大、排液速度慢、黏彈性大,具有超強(qiáng)泡沫性能;同時體系還具有顆粒、聚合物和表面活性劑3種特性及協(xié)同增效作用。


三相泡沫體系在聚驅(qū)后并聯(lián)巖心模型中,先進(jìn)入高滲層,高滲層含油飽和度低、孔吼大,泡沫可形成有效封堵,并穩(wěn)定向前運(yùn)移;吸附作用導(dǎo)致前緣泡沫破裂后,聚合物和微納米顆粒還具有一定的堵調(diào)作用,有利于后續(xù)泡沫發(fā)揮更好的封堵作用。高滲層形成一定封堵后,泡沫進(jìn)入中滲層,中滲層含油飽和度較高、孔吼較小,泡沫性能降低,經(jīng)過孔喉剪切后泡沫變小,進(jìn)入中滲層內(nèi)部;在中滲層前緣主要以聚合物、顆粒、串流氣體和少量泡沫形態(tài)存在,推動剩余油向前運(yùn)移,次前緣泡沫逐漸增多,即泡沫在中滲層具有調(diào)驅(qū)作用。中高滲層均形成一定堵調(diào)后,泡沫進(jìn)入低滲層,低滲層含油飽和度最高、孔吼最小,泡沫性能明顯降低,且經(jīng)過孔喉剪切后泡沫尺寸更小;低滲層前緣和次前緣主要以聚合物、顆粒和串流氣體形態(tài)存在,推動剩余油向前運(yùn)移,即泡沫均勻驅(qū)替低滲層(圖1)。三相泡沫體系在聚驅(qū)后油藏具有自適應(yīng)堵調(diào)驅(qū)作用,可大幅提高采收率。

圖1水驅(qū)、聚驅(qū)和泡沫驅(qū)示意圖


2.2微納米顆粒三相泡沫體系溶液特性


2.2.1三相泡沫體系液相剪切黏度


三相泡沫體系液相剪切黏度如圖2所示。由圖2(a)可知,隨著顆粒質(zhì)量濃度增加,DPCG三相泡沫體系液相的剪切黏度先快速增加,而后趨于平穩(wěn),而PPCG體系的剪切黏度僅略有增加。SNP、BNP或ANP對三相泡沫體系液相的剪切黏度影響較小。由圖2(b)可知,隨時間增加,不同三相泡沫體系液相的剪切黏度先快速降低,而后趨于平穩(wěn)。PPCG或PPCG三相泡沫體系液相剪切黏度保留率接近67%,SNP、BNP或ANP體系的保留率約為63%。

圖2三相泡沫體系液相剪切黏度


DPCG或PPCG溶于水后,吸水膨脹形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的軟體內(nèi)核,外部具有親水支鏈,形成軟體微米顆粒。DPCG或PPCG與DWS和聚合物通過靜電、范德華力和纏繞作用,均勻分布在液相中。PPCG僅具有短親水支鏈,使其三相泡沫體系液相剪切黏度略增加;而DPCG具有長親水支鏈,使其三相泡沫體系液相剪切黏度明顯增加。SNP、BNP或ANP為硬質(zhì)納米顆粒,對其三相泡沫體系液相剪切黏度不產(chǎn)生影響。隨時間增加,軟體微米顆粒溶脹更充分,對體系剪切黏度的貢獻(xiàn)更大;而硬質(zhì)納米顆粒體系的剪切黏度主要為聚合物黏度的宏觀體現(xiàn)。DPCG或PPCG體系的剪切黏度保留率高于SNP、BNP或ANP的。


2.2.2三相泡沫體系運(yùn)動黏度


三相泡沫體系運(yùn)動黏度見圖3??梢钥闯?,不同三相泡沫體系運(yùn)動黏度差別較大,DPCG體系的最大,PPCG、BNP、SNP和ANP體系的依次降低。放置30 d后DPCG或PPCG體系的運(yùn)動黏度保留率接近77%,而BNP、SNP或ANP體系的保留率56%~65%。三相泡沫體系的運(yùn)動黏度明顯大于其液相的。不同三相泡沫體系液相的運(yùn)動黏度差別較小,其中DPCG或PPCG體系的較大,SNP、BNP或ANP體系的較小。放置30 d后DPCG或PPCG體系液相的運(yùn)動黏度保留率接近66%,而BNP、SNP或ANP的保留率56%~61%。

圖3三相泡沫體系運(yùn)動黏度


DPCG與DWS和聚合物具有較強(qiáng)的靜電、范德華力和纏繞作用,使其三相泡沫體系具有較大的拉伸黏度、剪切黏度和黏彈性,導(dǎo)致DPCG三相泡沫體系運(yùn)動黏度最大。而PPCG僅具有短支鏈,與DWS和聚合物的靜電、范德華力和纏繞作用相對較弱,導(dǎo)致其運(yùn)動黏度低于DPCG的。硬質(zhì)納米顆粒在溶液中與DWS和聚合物的靜電、范德華力和纏繞作用較弱,因此其三相泡沫體系運(yùn)動黏度較低。


放置后不同三相泡沫體系的液相剪切黏度和泡沫性能均降低,使其在毛細(xì)管中流動的流體內(nèi)部拉伸黏度、與內(nèi)壁剪切黏度和液膜黏彈性減弱,導(dǎo)致其運(yùn)動黏度降低。由于軟體微米顆粒三相泡沫體系的剪切黏度和泡沫綜合指數(shù)保留率高于硬質(zhì)納米顆粒的,因此DPCG或PPCG體系的運(yùn)動黏度保留率大于BNP、SNP或ANP體系的。


2.2.3三相泡沫體系液相界面張力


三相泡沫體系液相界面張力見圖4。由圖4(a)可知,當(dāng)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.4%時,SNP三相泡沫體系液相與原油可形成超低界面張力。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,體系的界面張力增加,達(dá)不到超低。ANP體系的界面張力變化趨勢與SNP的相似,但界面張力更高一些。BNP、DPCG或PPCG三相泡沫體系液相的界面張力隨顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加略有增加,仍保持超低界面張力。由圖4(b)可知,隨時間增加,不同三相泡沫體系液相的界面張力變化不大,ANP三相泡沫體系液相的界面張力仍無法達(dá)到超低,其余體系的界面張力保持超低。


DPPG、PPCG或BNP三相泡沫體系的油水界面緊密排列DWS,同時嵌入少量DPCG、PPCG或BNP片狀結(jié)構(gòu),使界面張力略有升高。SNP質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時,油水界面排布DWS和SNP-DWS顆粒體系,使DWS排布緊密度降低,導(dǎo)致界面張力顯著增加。同樣,ANP降低了油水界面DWS排布緊密程度,導(dǎo)致界面張力升高。

圖4三相泡沫體系液相界面張力


2.2.4三相泡沫體系泡沫性能


三相泡沫體系泡沫綜合指數(shù)見圖5。由圖5(a)可知,隨顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,BNP、DPCG或PPCG三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)先增加后降低,而SNP或ANP體系的泡沫綜合指數(shù)先快速增加,而后趨于平穩(wěn)。DPCG三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)極大值最大,SNP、BNP或PPCG三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)低于DPCG的,而ANP的最小。由圖5(b)可知,隨時間增加,不同三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)先快速降低,而后趨于平穩(wěn)。DPCG或PPCG三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)大于SNP、BNP或ANP體系的。DPCG或PPCG三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)保留率達(dá)84%,其余體系保留率為50%~72%。


不同三相泡沫體系的起泡體積基本一致,導(dǎo)致泡沫綜合指數(shù)差異的原因是泡沫穩(wěn)定性、攜液量和攜液穩(wěn)定性不同。DPCG或PPCG三相泡沫體系氣液表面排布的DWS中嵌入顆粒和聚合物;氣泡間液膜內(nèi),顆粒與聚合物和DWS通過靜電、范德華力和纏繞作用,使顆粒均勻分布在液膜內(nèi),使液膜的厚度增加、黏彈性增強(qiáng),導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性、攜液量和攜液穩(wěn)定性提高,即泡沫綜合指數(shù)顯著增加。當(dāng)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時,顆粒吸附過多DWS和聚合物,懸浮性能變差,泡沫綜合指數(shù)出現(xiàn)降低。DPCG具有長親水支鏈,DPCG與DWS和聚合物作用強(qiáng)于PPCG,因此DPCG三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)大于PPCG的。

圖5三相泡沫體系泡沫綜合指數(shù)


SNP三相泡沫體系氣液表面排布有DWS、聚合物和SNP-DWS;氣泡間液膜內(nèi),SNP與DWS親水基團(tuán)靜電排斥作用,及聚合物增黏作用,使SNP懸浮在液膜內(nèi),液膜的厚度和黏彈性增加,導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性、攜液量和攜液穩(wěn)定性增加,泡沫綜合指數(shù)顯著增加。BNP三相泡沫體系氣液表面排布的DWS中嵌入少量BNP片狀結(jié)構(gòu)和聚合物;氣泡間液膜內(nèi),BNP片狀結(jié)構(gòu)與DWS和聚合物相互作用懸浮在液膜內(nèi),使液膜排液速度降低,泡沫歧化速度減緩,導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性、攜液量和攜液穩(wěn)定性增加,泡沫綜合指數(shù)明顯增加。而ANP與DWS和聚合物的作用相對較弱,其泡沫綜合指數(shù)相對較差。


隨時間增加,軟質(zhì)微米顆粒吸水膨脹形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的軟體內(nèi)核,外部具有親水支鏈,使其保持較好的懸浮性,而硬質(zhì)納米顆粒在三相泡沫體系中會出現(xiàn)少量沉淀。因此軟質(zhì)微米顆粒三相泡沫體系泡沫綜合指數(shù)保留率大于硬質(zhì)納米顆粒的。由于親水支鏈差異,DPCG懸浮性能好于PPCG的,導(dǎo)致DPCG體系保留率最好。


2.3微納米顆粒三相泡沫體系堵調(diào)驅(qū)特性


2.3.1三相泡沫體系驅(qū)油效果


三相泡沫體系聚驅(qū)后驅(qū)油效果見圖6。由圖6可知,3支并聯(lián)巖心水驅(qū)采收率約為38%,聚驅(qū)采收率約為17%,聚驅(qū)后DPCG三相泡沫體系注入壓力和驅(qū)油效果最好,聚驅(qū)后采收率超過15%;PPCG體系次之,采收率超過14%。聚驅(qū)后SNP或BNP三相泡沫體系注入壓力和驅(qū)油效果相對較差,聚驅(qū)后采收率約為13%。聚驅(qū)后ANP三相泡沫體系注入壓力和驅(qū)油效果最差,但聚驅(qū)后采收率仍超過10%。


DPCG三相泡沫體系的黏度性能和泡沫性能最好,同時具有超低界面張力,導(dǎo)致其注入壓力和驅(qū)油效果最好。而PPCG親水支鏈較短,使其黏度性能和泡沫性能低于DPCG的,導(dǎo)致其注入壓力和驅(qū)油效果略低于DPCG的。SNP、BNP或ANP三相泡沫體系黏度性能和泡沫性能均低于PPCG的,使其注入壓力和驅(qū)油效果低于PPCG的。ANP三相泡沫體系不具超低界面張力,導(dǎo)致其注入壓力和驅(qū)油效果最差。

圖6三相泡沫體系聚驅(qū)后驅(qū)油效果


2.3.2三相泡沫體系剖面改善效果


三相泡沫體系聚驅(qū)后剖面改善效果見圖7。由圖7可知,不同三相泡沫體系在高滲與中低滲層的剖面改善率(FHPR-MLPR)高于63%,在高、中滲與低滲層的剖面改善率(FHMPR-LPR)高于68%,平均改善率大于65%。其中DPCG或PPCG三相泡沫體系的FHPR-MLPR和FHMPR-LPR最好(超82%),DPCG三相泡沫體系的FHMPR-LPR低于FHPR-MLPR。SNP、BNP或ANP三相泡沫體系的FHPR-MLPR和FHMPR-LPR相對較差,但其FHMPR-LPR好于FHPR-MLPR。

圖7三相泡沫體系聚驅(qū)后剖面改善效果


DPCG或PPCG三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)、運(yùn)動黏度和剪切黏度最大,且含有軟體微米顆粒和聚合物特性,對高中滲層具有自適應(yīng)封堵和調(diào)驅(qū)作用,導(dǎo)致其FHPR-MLPR和FHMPR-LPR較高;但DPCG三相泡沫體系泡沫綜合指數(shù)高,且含有長支鏈軟體微米顆粒,導(dǎo)致其進(jìn)入低滲層相對困難,因此其FHPR-MLPR略高于FHMPR-LPR。而SNP、BNP或ANP三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)、運(yùn)動黏度和剪切黏度相對較差,同時含有硬質(zhì)納米顆粒和聚合物,對高中滲層有效封堵和調(diào)驅(qū)效果相對較差,使FHPR-MLPR和FHMPR-LPR相對較差;由于泡沫綜合指數(shù)相對較小,且納米顆粒粒徑較小,使其易進(jìn)入低滲層,導(dǎo)致其FHMPR-LPR好于FHPR-MLPR。


2.4微納米顆粒三相泡沫體系溶液特性與驅(qū)油效果相關(guān)性


應(yīng)用歸一化和權(quán)重系數(shù)方法,分析三相泡沫體系溶液特性與驅(qū)油效果的相關(guān)性。利用歸一化方法處理三相泡沫體系的特性參數(shù),對剪切黏度、運(yùn)動黏度、界面張力和泡沫綜合指數(shù)的歸一化值采用權(quán)重系數(shù)方法擬合采收率或注入壓力歸一化值,擬合計(jì)算公式為

式中,NEOR和NIP分別為擬合采收率、擬合注入壓力歸一化值;NSV、NIT、NFCI和NKV分別為剪切黏度、運(yùn)動黏度、界面張力、泡沫綜合指數(shù)歸一化值;α、β、γ和δ分別為相應(yīng)歸一化值的權(quán)重系數(shù)。


三相泡沫體系溶液特性和驅(qū)油效果的相關(guān)性見圖8??梢钥闯?,DPCG三相泡沫體系的剪切黏度、運(yùn)動黏度、泡沫綜合指數(shù)、采收率和注入壓力歸一化值最大,PPCG三相泡沫體系的界面張力歸一化值最大,而ANP體系的歸一化值最小。當(dāng)權(quán)重系數(shù)α、β、γ、δ分別為0.1、0.2、0.4、0.3時,除BNP三相泡沫體系的采收率歸一化值擬合較差外,其余均擬合較好。不同三相泡沫體系的采收率擬合歸一化值與試驗(yàn)歸一化值相關(guān)系數(shù)R 2大于0.990。表明三相泡沫體系采收率的影響因素由大至小依次為泡沫綜合指數(shù)、運(yùn)動黏度、界面張力、剪切黏度。

圖8三相泡沫體系溶液特性與驅(qū)油效果的相關(guān)性


當(dāng)權(quán)重系數(shù)α、β、γ、δ分別為0.3、0.05、0.35、0.3時,除PPCG三相泡沫體系的注入壓力歸一化值擬合較差外,其余均擬合較好。不同三相泡沫體系的注入壓力擬合歸一化值與試驗(yàn)歸一化值相關(guān)系數(shù)R 2大于0.992。這表明泡沫綜合指數(shù)是三相泡沫體系注入壓力的主要影響因素,運(yùn)動黏度和剪切黏度是次要影響因素,界面張力的影響較小。


綜上分析,三相泡沫體系的泡沫綜合指數(shù)和運(yùn)動黏度是驅(qū)油效果的主要影響因素,而剪切黏度和界面張力是次要影響因素。這與三相泡沫體系在聚驅(qū)后油藏堵調(diào)驅(qū)機(jī)制相一致。即首先,需要強(qiáng)泡沫性能和高運(yùn)動黏度性能封堵高滲層;其次,需要較高運(yùn)動黏度和剪切黏度性能及低張力性能對中滲層調(diào)驅(qū);最后,需要低張力性能驅(qū)替低滲層,實(shí)現(xiàn)大幅提高采收率。


3結(jié)論


(1)DPCG、PPCG軟體微米顆粒三相泡沫體系的特性參數(shù)較好,具有超低界面張力,剖面改善率超過82%,聚驅(qū)后可提高采收率14%。SNP、BNP、ANP硬質(zhì)納米顆粒三相泡沫體系的特性參數(shù)相對較差,但聚驅(qū)后仍可提高采收率10%。


(2)三相泡沫體系泡沫綜合指數(shù)和運(yùn)動黏度是驅(qū)油效果的主要影響因素,而剪切黏度和界面張力是次要影響因素。