赵云海，王健，黄伟豪，张莉伟，彭琦林，杜红

（1.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500；2.中国石油 新疆油田分公司a.工程技术研究院；b.开发公司，新疆 克拉玛依 834000；3.中国石油大学（华东）工商管理学院，山东 青岛 266580）

吉林油田黑46 区块小井距注气试验区含油面积为1.46 km2，地质储量为108.0×104t，可采储量为41.0×104t；孔隙度为8.0%～18.8%，平均为13.0%；渗透率为0.02～20.21 mD，平均为3.47 mD，最大渗透率级差达到1 010.5；地层原油黏度为1.82～9.34 mPa·s。地层水为NaHCO3型，矿化度为10 302.60 mg/L，氯离子含量为3 766.2 mg/L，pH 值在7 左右。青一段中部埋深为2 400 m，油层压力为23.9 MPa，压力系数为0.89，油层温度为96.7 ℃，地温梯度为4.2 ℃/hm，属正常的温度和压力系统。目前，国内外常用水气交替WAG技术和泡沫控制气窜技术控制气窜。针对吉林油田黑46区块油藏非均质性强的特征，开展了常规CO2泡沫体系控制气窜现场试验，但常规CO2泡沫体系调整非均质性的能力弱，且抗温抗盐性差。本文通过在泡沫剂中加入纳米微球颗粒，提高泡沫的抗温抗盐性、稳定性及强度，实现深部调驱，以提高油藏采收率。

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

（1）实验材料 纯度为99.9%的CO2，由四川广汉劲力气体有限公司生产。阴离子型起泡剂FA-1，含量为95.7%；FA-2，含量为98.3%；FA-3，含量为99.5%。阳离子型起泡剂FB-1，含量为96.8%；FB-2，含量为97.8%。两性离子型起泡剂FC-1，含量为95.5%；FC-2，含量为92.5%；FC-3，含量为98.3%。非离子型起泡剂FD-1，含量为96.5%；FD-2，含量为93.1%，由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产。3种不同粒径的纳米微球M-1，粒径分别为0.10 μm、0.30 μm和0.60 μm，由山东诺儿生物科技有限公司生产。试验用水为模拟地层水，总矿化度为10 302.6 mg/L，水型为NaHCO3型；试验区原油，油藏温度96.7 ℃下黏度为9.34 mPa·s，由吉林油田CO2开发公司提供；试验区岩心参数见表1，其中，3 号和4 号岩心渗透率级差为5.80，5 号和6 号岩心渗透率级差为4.34。

表1 岩心基本参数Table 1.Basic parameters of tested cores

（2）实验设备 高温高压泡沫性能测试装置，最高耐压30 MPa，最高耐温200 ℃，腔体高度为100 cm，内径为5 cm，海安石油科技有限公司；HYDRO 2000型激光粒度分析仪，粒度测试范围0.02～2 000.00 μm，英国Malvern 公司；HAAKE MARS Ⅲ流变仪，最小转速10-7r/min，最大转速4 500 r/min，赛默飞世尔科技（中国）有限公司；界面参数一体测量系统，德国KRUSS 公司；JB200-SH 型电动搅拌器，调速范围0～8 000 r/min，上海标本模型厂；高温高压多功能泡沫岩心流动装置，油气藏地质及开发工程国家重点实验室。

1.2 实验方法

（1）泡沫性能评价实验 在高温高压下，使用CO2将高温高压泡沫性能测试装置内的空气排净，将装置预热至96.7 ℃，并将CO2加入高温高压泡沫性能测试装置内，加压至20.0 MPa。向高温高压泡沫性能测试装置内泵入100 mL 起泡剂溶液，并将压力升至油藏压力。启动实验装置，搅拌3 min，记录起泡体积和半衰期，计算综合指数。

（2）剖面改善效果实验 将岩心抽真空后饱和水，再用电子天平称量岩心质量，计算孔隙体积和孔隙度。水驱记录压差并计算水测渗透率，回压设置为12.0 MPa。水驱时，设置注入速度为0.1 mL/min，总段塞尺寸为1.00 PV 驱替岩心，记录高低渗岩心出口端出水量。进行泡沫驱时，设置气液比为2∶1，注入速度为0.1 mL/min，段塞尺寸为0.10 PV CO2+0.05 PV 泡沫液，注入6 轮次。进行后续水驱实验，并计量岩心出口端出水量，计算高低渗岩心分流率，计算剖面改善率。

（3）并联岩心驱油实验 将岩心放入岩心夹持器中，在地层温度和地层压力下，测定岩心渗透率，记录岩心两端压差。将岩心饱和油，待出口端不再出水，恒定出油之后，饱和油结束。先后以0.1 mL/min 的驱替速度进行水驱油和气驱油，记录压差及采收率。改用CO2泡沫驱油，驱替速度为0.1 mL/min，气液比为2∶1，段塞为0.10 PV CO2+0.05 PV 泡沫液，驱替6轮次，将出口端压力通过回压阀控制在井底流压，恒压泵设置为矿场注入压力，记录采收率。以0.1 mL/min的驱替速度分别进行后续气驱，记录压差及采收率。最后，利用所测得数据，分别计算综合指数、阻力因子、残余阻力因子和剖面改善率：

2 实验结果与讨论

2.1 泡沫配方初选

（1）起泡剂优选 常压下，用质量分数分别为0.10%、0.20%、0.30%、0.40%和0.50%的起泡剂FA-1、FA-2、FA-3、FB-1、FB-2、FD-1、FD-2、FC-1、FC-2和FC-3进行起泡实验，起泡剂FA-1、FA-2和FB-2的起泡效果较好（图1），考虑试验区开发经济成本，选用FA-1和FA-2 作为后续实验用起泡剂。起泡剂FA-1的质量分数为0.50%时，起泡体积为700 mL，半衰期为3.10 min，综合指数为1 628 mL·min；起泡剂FA-2的质量分数为0.50%时，起泡体积为660 mL，半衰期为4.60 min，综合指数为2 277 mL·min。

图1 不同类型起泡剂的综合指数与起泡剂质量分数的关系Fig.1.Relationship between comprehensive index and mass fraction of different types of foaming agents

（2）常规CO2泡沫体系复配 将优选出的起泡剂FA-1 和FA-2 按照不同质量分数复配，进行起泡实验，由实验结果（表2）可知，FA-1+FA-2复配起泡效果要优于单一起沫剂，其中，质量分数0.10%FA-1+0.50%FA-2 的起泡效果最好，综合指数为3 111 mL·min，起泡体积为650 mL，半衰期为6.38 min，表现出了复配体系的协同效应，因此，确定的最优复配体系为质量分数0.10%FA-1+0.50%FA-2。

表2 不同复配比例起泡剂（100 mL）起泡实验结果Table 2.Foaming test results of foaming agents(100 mL)with different proportions

2.2 纳米微球颗粒性能评价

微球调驱技术在提高采收率方面已得到了长足发展，尤其是各种具有优异性能微球的成功研制，使得微米—纳米微球深部调驱技术的适用范围越来越广泛。微米—纳米微球的主要特点是封堵性能高、注入能力强、在地层中运移能力强、对储集层伤害小等[1]。这主要是由于微米—纳米微球颗粒粒径较小，且具有优异的分散性能，在高温高压下发生溶胀，可通过微球桥接对孔隙吼道进行封堵，迫使液流转向，扩大波及范围，同时纳米微球颗粒具有良好的弹性，能在突破封堵后随水流运移，继续封堵储集层，进一步扩大波及体积[2-3]。

（1）纳米微球粒径与储集层孔喉直径的匹配 在低渗透非均质油藏条件下，一方面，要求纳米微球颗粒粒径与储集层孔喉直径匹配性能好；另一方面，要求纳米微球颗粒具有良好的溶胀性能。本文将地层用毛细管束模型简化，根据黏滞力与驱动力之间的平衡关系得：

黑46 区块储集层孔隙度为8.0%～18.8%，平均为10.7%；渗透率为0.02～20.21 mD，平均为3.47 mD。根据（5）式计算，黑46 区块储集层孔喉直径为0.09～1.86 μm，平均为1.10 μm。根据1/3～2/3 架桥理论，要求纳米微球颗粒原始粒径为0.37～0.73 μm，因此，选取粒径为0.10～0.60 μm 的M-1 纳米微球颗粒[2]，与研究区储集层孔喉直径相匹配[4]。

（2）纳米微球颗粒的抗盐性能评价 油田地层水情况各不相同，矿化度可以改变纳米微球颗粒内部的渗透压，对纳米微球颗粒的溶胀性能有很大的影响，因此需要研究不同矿化度地层水中纳米微球颗粒的溶胀性能。用矿化度分别为0 mg/L、2 575.65 mg/L、5 151.30 mg/L、7 726.95 mg/L 和10 302.60 mg/L 的地层水配制质量分数为0.20%的M-1 溶液，置于96.7 ℃恒温箱中20 d，利用HYDRO 2000 型激光粒度分析仪测定纳米微球颗粒粒径，计算膨胀倍率。随地层水矿化度的升高，纳米微球颗粒的平均粒径逐渐减小，分别为3.04 μm、2.99 μm、2.78 μm、2.41 μm和2.23 μm。在淡水和地层水中，纳米微球颗粒粒径分别为3.04 μm和2.23 μm，膨胀倍率分别为4.51和3.31。这是由于水中存在电解质，纳米微球颗粒内外的渗透压差减小；同时由于纳米微球颗粒内部水解电离，水中阳离子对带负电的高分子链段产生屏蔽，削弱静电斥力，高分子体系空间网络结构受到抑制。

（3）纳米微球颗粒的抗温性能评价 采用地层水配制质量分数为0.20%的M-1溶液，分别置于温度为30 ℃、45 ℃、60 ℃、75 ℃和90 ℃恒温箱中20 d，利用HYDRO 2000型激光粒度分析仪测定其粒径并计算膨胀倍率。随着温度的升高，纳米微球颗粒的平均粒径逐渐增大，分别为2.38 μm、2.49 μm、2.59 μm、2.83 μm和2.84 μm。当温度为90 ℃时，纳米微球颗粒的平均粒径为2.84 μm，膨胀倍率为4.21。这是因为随着温度的升高，分子的热运动加强，微球分子与溶剂分子相互作用，微球的亲水性能变好，使纳米微球颗粒的膨胀倍率增大。

2.3 纳米微球颗粒对泡沫起泡性能的影响

用黑46 区块的模拟地层水配制质量分数为0.10%FA-1+0.50%FA-2 的起泡剂溶液，在100 mL 起泡剂溶液中分别加入质量分数为0、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%、0.40%和0.50%M-1 纳米微球颗粒，在96 ℃烘箱中老化24 h 后，用Waring Blender 法搅拌起泡剂3 min，测量起泡剂的泡沫体积和半衰期，计算起泡剂综合指数（表3）。

起泡体积、半衰期和综合指数随着质量分数增加先增加后减小，在质量分数为0.10%时，起泡体积、半衰期和综合指数达到最大值，分别为660 mL、7.06 min和3 495 mL·min。与不加纳米微球颗粒的复配起泡剂相比，半衰期提高了10.7%，起泡体积略有升高，综合指数增加了12.3%。复配体系中加入纳米微球颗粒搅拌起泡，纳米微球颗粒主要分布在气液界面上，并且包裹着气泡，增加了泡沫液膜的厚度，从而减少气泡之间的接触，抑制了气泡之间的聚并和歧化[4]，有效延长泡沫的排液时间，提升泡沫的性能。

2.4 纳米微球颗粒强化泡沫的综合性能

（1）地层水矿化度对泡沫性能的影响 用质量分数为0.10%FA-1+0.50%FA-2+0.10%M-1 的强化泡沫、质量分数为0.10%FA-1+0.50%FA-2 的常规泡沫和不同矿化度地层水，配制不同比例的起泡剂溶液各100 mL，利用高温高压泡沫性能测试装置搅拌起泡，利用泡沫性能评价实验方法记录起泡体积和半衰期，计算综合指数（表4）。

表4 地层水矿化度对CO2泡沫性能影响实验结果Table 4.Experimental results of the influence of formation water salinity on the performance of CO2 foam

强化泡沫的半衰期和综合指数总体上随着地层水矿化度的增加而减小，但地层水矿化度对泡沫性能影响不大。在地层水条件下，泡沫的综合性能下降，但下降幅度不大。常规泡沫的起泡体积、半衰期随着地层水矿化度的增加而减小，其综合指数不如强化起泡剂，在相同地层水矿化度条件下，强化泡沫能够提升CO2泡沫性能。

（2）温度对泡沫性能的影响 温度是影响泡沫半衰期的一个重要参数。分别测量30.0 ℃、45.0 ℃、60.0 ℃、75.0 ℃、96.7 ℃和110.0 ℃下的CO2泡沫性能，使用高温高压泡沫性能测试装置，设置压力为23.9 MPa，利用泡沫性能评价实验方法记录起泡体积和半衰期，计算综合指数（表5）。

表5 温度对CO2泡沫性能影响实验结果Table 5.Experimental results of the influence of temperature on the performance of CO2 foam

温度对2 种CO2泡沫的起泡体积影响较小，泡沫的半衰期和综合指数随着温度的升高而降低。温度对泡沫的半衰期影响较大，温度升高，会加快液膜中的液体蒸发，使泡沫液膜变薄，加快泡沫破裂。强化泡沫的半衰期和综合指数均大于常规泡沫，是由于纳米微球颗粒吸附在液膜表面，形成了稳定的保护膜，从而提高了CO2泡沫的稳定性[5-6]。

（3）泡沫的耐酸性测定 在储集层内，一部分CO2溶解于地层水中，导致其pH 值发生变化，从而影响地层水的酸碱度，水的酸碱度对起泡剂的起泡性能和稳定性会产生较大影响。因此，进行泡沫耐酸性实验研究，用盐酸调节泡沫液pH值，利用泡沫性能评价实验方法测定起泡体积和半衰期，并计算综合指数（表6）。

表6 pH值对CO2泡沫性能影响实验结果Table 6.Experimental results of the influence of pH value on the performance of CO2 foam

随着溶液pH 值的降低，泡沫性能下降，2 种CO2泡沫在pH 值3.5～6.5 时性能较好，这是由于当pH 值小于3.5时，FA-1和FA-2复合泡沫液呈酸性，界面活性低，导致泡沫性能较差[7]。黑46 区块地层水pH 值在7.0 左右，因此，CO2泡沫在地层条件下具有较好的适应性。

（4）CO2泡沫的剪切稀释性 在常压高温条件下，2 种CO2泡沫的黏度均随着剪切速率的增加而减小，表现出泡沫的剪切稀释性。添加纳米微球颗粒，泡沫的黏度变化不大，当剪切速率为0.763 4 s-1时，强化泡沫和常规泡沫的黏度分别为53.91 mPa·s 和51.96 mPa·s。含纳米微球颗粒的泡沫在地层中的渗流不会受到黏度的影响[8]。

（5）CO2泡沫的黏弹性 频率为0.1～10.0 Hz 时，2种CO2泡沫的储能模量和损耗模量随频率的增加而增加，损耗模量大于储能模量，主要表现出泡沫黏性，并具有一定黏弹性。在渗流过程中，CO2泡沫液黏度能增加泡沫的稳定性，有利于提高采收率[9-11]。

2.5 强化泡沫岩心流动实验结果

（1）泡沫封堵能力测试 利用单根岩心驱替实验方法，将1号和2号岩心饱和水，回压设置为12.0 MPa，分别进行水驱、泡沫驱和后续水驱。设置注入速度为0.1 mL/min，气液比为1∶1，段塞尺寸为0.10 PV，分别测定常规泡沫和强化泡沫的阻力因子。

在低渗条件下，常规泡沫稳定压差为1.12 MPa，阻力因子和残余阻力因子分别为18.67 和4.50；强化泡沫稳定压差为3.81 MPa（图2），阻力因子和残余阻力因子分别为22.41 和13.30。强化泡沫较常规泡沫的阻力因子增加20.03%，一方面，纳米微球颗粒吸附在泡沫液膜表面，提高了泡沫的稳定性；另一方面，纳米微球颗粒降低了岩心渗透率，使泡沫驱替过程中压差增大，泡沫波及体积增加，泡沫封堵能力提高[12-13]。

图2 岩心驱替压差变化Fig.2.Variations of pressure difference during core flooding experiment

（2）剖面改善效果实验 3 号和4 号岩心组合的并联岩心渗透率级差为5.80，利用剖面改善效果实验方法，设置注入速度为0.1 mL/min，气液比为1∶1，段塞尺寸为0.10 PV，计算3号和4号岩心并联后的分流率。

水驱过程中，高、低渗岩心的分流率分别为82%和18%，随着泡沫的注入，高渗岩心分流率逐渐上升，低渗岩心分流率逐渐下降，泡沫驱后高、低渗岩心分流率分别为53% 和47%（图3），剖面改善率为75.13%。强化泡沫在岩心中由于纳米微球颗粒和复合泡沫封堵调剖的“叠加”效果，相较常规泡沫，其剖面改善率提升了14.29%，具良好的分流效果[14-16]。

图3 高、低渗岩心分流率与注入孔隙体积的关系Fig.3.Relationship between separate flow rate and injected pore volume for high-and low-permeability cores

（3）并联岩心驱油实验 用5 号和6 号岩心进行并联岩心驱油实验，渗透率级差为4.34，利用岩心驱油实验方法，设置注入速度为0.1 mL/min，气液比为1∶1，段塞尺寸0.10 PV，记录采收率。吉林油田黑46区块油藏条件下，渗透率级差为4.34时，高、低渗层水驱阶段采收率分别为41.88%和34.51%，气驱阶段采收率分别为18.02%和5.14%，泡沫驱阶段采收率分别为11.32% 和19.73%，后续气驱采收率分别为81.77%和78.17%，总采收率为79.97%，泡沫驱较气驱提高采收率15.53%，强化泡沫提高采收率效果明显[17-21]。

3 结论

（1）针对吉林油田黑46 区块，选取直径为0.10～0.60 μm的纳米微球颗粒，最终优选出强化泡沫配方，即质量分数0.10%FA-1+0.50%FA-2+0.10%M-1。

（2）矿化度对强化泡沫性能影响不大。温度对强化泡沫和常规泡沫的起泡体积影响较小，对半衰期影响较大。相较于常规泡沫，强化泡沫具有更好的抗温、抗盐和耐酸性能。

（3）强化泡沫阻力因子和残余阻力因子分别为22.41 和13.30，相较于常规泡沫，强化泡沫阻力因子增加20.03%。在渗透率级差为5.80 时，强化泡沫剖面改善率为75.13%。岩心驱油实验中，总采收率为79.97%，泡沫驱较气驱提高采收率15.53%，提高采收率效果明显。强化泡沫配方的应用前景较好，对于改善黑46 区块CO2驱开发效果和提高采收率具有重要的意义。

符号注释

E——剖面改善率，%；

K——平均渗透率，mD；

p1——水驱岩心两端压差，MPa；

p2——泡沫驱岩心两端压差，MPa；

p3——泡沫驱后，水驱岩心两端压差，MPa；

r——平均孔喉半径，μm；

RF——阻力因子；

RFr——残余阻力因子；

t1——泡沫半衰期，min；

V0——起泡剂的初始泡沫体积，mL；

Z——综合指数，mL·min；

φ——平均孔隙度，%；

η1——泡沫驱前吸水比，%；

η2——泡沫驱后吸水比，%。