氮氣泡沫調(diào)剖堵及提高采收率的應用機理研究

1、 6/6氮氣泡沫調(diào)剖堵及提高采收率的應用機理研究氮氣泡沫調(diào)剖堵水及提高采收率的 應用機理研究 劉文章教授 中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院 二四年十月 氮氣泡沫調(diào)剖堵水及提高采收率的應用機理研究 中油勘探開發(fā)研究院 劉文章教授 前 言 油田注氮氣提高采收率技術在70年代及80年代前期在美國達到現(xiàn)場試驗及應用高潮。據(jù)調(diào)研，有33個油田采用注氮氣進行非混相驅、混相驅、保持壓力、重力驅等采油方式提高采收率。在加州大規(guī)模注蒸汽熱采稠油油田，蒸汽吞吐作業(yè)中加入氮氣泡沫進行調(diào)剖超過5000井次，蒸汽驅加入氮氣泡沫劑進行封堵汽竄及提高汽驅采收率的先導試驗項目超過30個。此外，在美國、加拿大、委內(nèi)瑞拉

2、等國，隨著從空氣中膜分離制氮技術設備迅速發(fā)展，注氮氣作業(yè)成本較低，僅為天然氣的1/3、CO2的1/4左右，注氮氣（包括氮氣泡沫）開采低滲透油田、底水油藏注氮氣壓水錐、低壓油藏氮氣泡沫欠平衡鉆井完井、各種油井增產(chǎn)技術如壓裂、酸化、洗井沖砂作業(yè)中，已廣泛應用。90年代以來，由于對各種注氮氣采油機理及先導試驗項目已有相當多的研究成果及經(jīng)驗，技術上比較成熟，應用上已常規(guī)化，因而這方面公開報道的文獻逐漸減少，但該項技術在推廣應用中仍在深入研究并向前發(fā)展。在我國，在70年代曾在玉門油田進行過注水中加空氣泡沫劑堵水提高采收率試驗。90年前后，華北油田在雁翎裂縫性古潛山油藏進行注氮氣壓水錐提高采收率技術試驗。

3、 在1987年，隨著我國稠油油田注蒸汽熱采技術的快速發(fā)展并且熱采產(chǎn)量突破300萬噸/年，許多油藏出現(xiàn)注入蒸汽竄流嚴重，本人為推進稠油注蒸汽熱采技術的發(fā)展，改善蒸汽吞吐及蒸汽驅采油效果，開始室內(nèi)實驗研究注入蒸汽中加入氮氣泡沫劑控制汽竄提高采收率技術。積極倡導注氮氣采油技術，首先在1987年中油石勘院（RIPED）與加拿大阿爾伯達研究院（ARC）合作，互派專家共同開展了“氮氣泡沫驅油提高原油采收率技術研究”。從此本人先后帶領五名碩士、博士研究生及多名科技人員，開展了室內(nèi)氮氣泡沫驅機理研究及10多項現(xiàn)場先導試驗設計方案，包括蒸汽驅加氮氣泡沫調(diào)剖提高采收率、水驅加氮氣泡沫提高采收率、注氮氣及泡沫劑提高

4、蒸汽吞吐效果、注氮氣控制水錐提高采收率，超稠油氮氣溶劑輔助蒸汽吞吐技術等。 目前，我國陸上油田，已有30多臺車載活動式注氮車及一座撬裝式大型制氮設備，應用于蒸汽吞吐油井注氮氣隔熱助排，注水驅加氮氣泡沫調(diào)剖提高采收率、注氮氣壓水錐增產(chǎn)、蒸汽驅注氮氣泡沫 2 提高采收率等作業(yè)，壓裂、酸化、沖砂洗井等作業(yè)中采用氮氣或氮氣泡沫已推廣應用。 本人積極倡導和推薦陸上東部某些注水開發(fā)的輕質(zhì)油田已進入高含水期后，采用氮氣泡沫段塞驅控制大孔道水竄以提高采收率，也推薦渤海某些注水開發(fā)的稠油油田，如SZ36-1、QH32-6、JZ9-3、埕島油田等也試驗注水加氮氣泡沫段塞驅以擴大水驅波及體積提高采收率技術。 本文按

5、中海油油服公司研發(fā)中心的要求，寫出這份綜合性研究報告，重點概述了注水開發(fā)油田采用氮氣泡沫調(diào)剖堵水及提高采收率的應用機理及室內(nèi)研究成果。 第一節(jié) 泡沫的形成 泡沫是由大量的氣泡所形成的聚集體，其外觀形狀如蜂窩，是由不溶性或微溶性氣體分散在液體之中所形成的粗分散體系，氣體是分散相，液體是分散介質(zhì)。氣泡的大小約在10m以上。肥皂泡沫、啤酒泡沫等都是氣體分散在液體中所形成的泡沫。泡沫的性質(zhì)和乳狀液相似，它的分散度很高，泡沫也存在著不均勻狀態(tài)和聚結不穩(wěn)定的性質(zhì)。 一、泡沫的形成 攪拌肥皂的水溶液可以產(chǎn)生氣泡。進一步的觀察發(fā)現(xiàn)，泡沫是許多氣體被液體分隔開的體系，與乳狀液相似，也是一種分散體系。但乳狀液是一

6、種液體被另一種不相混溶的液體分隔開來，而泡沫則是氣體分散于液體中的分散介質(zhì)：氣體是分散相（不連續(xù)相），液體是分散介質(zhì)（連續(xù)相）。由于氣體與液體的密度相差很大，故在液體中的氣體總是很快上升至液面，形成以少量液體構成的液膜隔開氣體的氣泡聚集物，即通常所說的泡沫。氣泡在形態(tài)上的一個特點就是作為分散相的氣泡，常常是多面體，而不象乳狀液那樣，分散相的液體經(jīng)常是以液珠（球狀）的形態(tài)而存在。 1泡沫形成的條件：有氣、水、起泡劑才可形成泡沫，缺一不可。 氣液接觸 因為泡沫是氣體在液體中的粗分散體系，產(chǎn)生泡沫的首要條件，就是氣體與液體發(fā)生接觸，只有氣體與液體連續(xù)、充分地接觸才能產(chǎn)生大量泡沫。 含有起泡劑 純凈液

7、體不能形成穩(wěn)定的泡沫，如純凈的清水生成的泡沫，其壽命在0.5秒以內(nèi)，只能瞬間存在。其它純液體如乙醇、苯等也不能形成泡沫，因此要形成穩(wěn)定的泡沫，除了氣相、液相之外，必須加入第三種具有起泡能力的物質(zhì)，即某些表面活性劑水溶液，起泡性能好的表面活性物質(zhì)稱之為起泡劑。 2起泡劑的起泡作用 降低表面張力 因為形成泡沫使體系增加了很大表面積，因而降低表面張力有助于降低體系的表 3 -7 面自由能，使體系得以穩(wěn)定。 增加泡沫液膜的強度和彈性 決定泡沫穩(wěn)定性的關鍵因素在于液膜的強度和彈性，而液膜強度主要決定于吸附膜的堅固性。起泡劑的非極性基團的碳氫分子之間有較大的側向引力，尤其是直鏈的碳氫鏈較長的非極性基團，它

8、們可產(chǎn)生相當強大的側向引力，使形成的吸附膜非常結實、堅固，有一定強度。同時由于起泡劑的表面活性分子可大幅度地降低溶液的表面張力，使液膜受到外力作用而變形時，即可局部形成較大的表面張力梯度，以便產(chǎn)生較大的馬朗格尼（Marangoni）效應，使液膜具有可以伸縮的彈性，導致液膜自行復原。 提高表面粘度 泡沫液膜中的液體，因受重力及邊界吸引力而導致從膜間排走，使液膜變薄，液膜減薄到一定程度，一般認為在30-40納米（10米），甚至有些可達20-30納米即行破裂，因此若液體有適當?shù)恼扯?，膜?nèi)的液體就不易流走，使泡沫穩(wěn)定性增加。起泡劑的親水基團，對水分子的吸引使液膜中的液體粘度顯著增加，流動度大大降低，因

9、而排液速度下降，故可增加泡沫的穩(wěn)定性。 3穩(wěn)泡劑的作用 起泡劑雖然有穩(wěn)定泡沫的作用，但泡沫仍然是熱力學不穩(wěn)定體系。為使配臵的泡沫更穩(wěn)定，往往還需加入穩(wěn)泡劑。穩(wěn)泡劑系指能夠維持泡沫長時間不破滅的一類物質(zhì)，如一些非離子型表面活性劑（十二烷基二甲基胺的氧化物，即C12H25N（CH3）2O；十二酰二乙醇胺，即月桂酰胺二乙醇胺等）；一些極性有機物（長鏈脂肪醇等），以及水溶性的高分子增粘劑（部分水解聚丙烯酰胺、鈉-羧甲基纖維素、褐藻酸鈉等）；此外，一些不親水的固體粉末如石油焦粉、煙煤粉、碳黑粉等，可吸附于氣/液界面上，形成穩(wěn)定的保護膜，起到了穩(wěn)泡的作用。 穩(wěn)泡劑的作用是增加介質(zhì)的粘度，使氣泡間液膜的粘滯

10、性增加，減弱排液速度，這樣就增加了泡沫的穩(wěn)定性。 二、泡沫的分類 泡沫的分類方法很多，特別是由于研究的目的不同，分類的方法往往有很大的差別。較為常用的方法有： 1按照泡沫存在的時間長短，把泡沫分為“穩(wěn)定性泡沫”和“非穩(wěn)定性泡沫”?！胺€(wěn)定”與“非穩(wěn)定”只是相對的概念，并無嚴格的時間界限。前者壽命在數(shù)分鐘，甚至幾天不破裂，為持久性泡沫。后者壽命僅在幾秒鐘之內(nèi)，也稱短暫泡沫。 2按照組成泡沫的氣、液比例分類，如果泡沫體系的含氣量大于50，則謂“干泡沫”；如果泡沫體系的含液量大于50，則謂“濕泡沫”。 4 -9 3按照泡沫存在的環(huán)境分類，如果盛裝泡沫的容器的半徑為R，其大于泡沫的平均半徑r（即RrF）

11、，F(xiàn) 則謂此泡沫為“松散泡沫”（bulk foam）；相反，如果RrF，則謂“封閉泡沫”（confining foam）或“液膜結構泡沫”（lamellar structure foam）。當然，這兩種泡沫的性質(zhì)是不完全一致的。 三、泡沫成份 1泡沫流體的成份有三：氣體、液體、起泡劑。 2氣相 用于石油工業(yè)的泡沫流體，其氣相多為空氣、氮氣、二氧化碳及天然氣。由于空氣和天然氣存在易燃、易爆等不安全因素，應盡量避免用于油、氣生產(chǎn)井作業(yè)，慎之又慎、嚴格把關。推薦用于油、氣井的泡沫流體，采用氮氣或二氧化碳，首選前者，因前者的成本比后者低數(shù)倍，無腐蝕性，通過膜分離制氮設備在井場就可從空氣中制取并增壓注入

12、油井。泡沫的液相一般有水、酸、醇及烴類，常用的是水。 四、氮氣 1氮氣的一般性質(zhì) 空氣中含氮78，氧氣21，惰性氣體0.94，二氧化碳0.03（按體積計算）。 在常溫常壓下氮氣為無色無嗅的氣體，在壓力為0.1MPa、溫度為時，氮氣密度為1.25kg/m，氮氣的導熱系數(shù)為0.0205Kcal/m.h.，動力粘度為16910mPa.s，1m液氮可變?yōu)?96.5m氣氮?？諝饨?jīng)壓縮液化、冷卻，溫度為-195.78時，氮氣將變成無色透明的液體，溫度為-210時，氮將凝固為雪狀的固體，氮氣的化學性質(zhì)極不活躍，在常態(tài)下表現(xiàn)出很大的惰性，氮氣的基本物理參數(shù)詳見表1-1所示。 表1-1 氮氣物理性質(zhì) 序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 -3 3 3 3 物理性質(zhì)及條件 化學式 分子量 相對密度（空氣=1），21，0.101MPa 氣體密度 21，0.101MPa 標準沸點 汽化熱 臨界壓力 臨界溫度 臨界點密度 三相點壓力 三相