氮?dú)馀菽?qū)機(jī)理

1、一、 氮?dú)馀菽?qū)簡介我國現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的油田大部分屬于陸相沉積儲(chǔ)層，受地層非均質(zhì)性及不利水油流度比的影響，水驅(qū)效果往往不是很理想。而對于低滲、超低滲油藏，注水壓力高，開采難度大，該類油藏普遍采取壓裂措施，壓裂后產(chǎn)量快速上升，但有效生產(chǎn)周期較短，表現(xiàn)為含水率快速上升，產(chǎn)油量快速降低。與CO2和空氣相比，氮?dú)饩哂休^高的壓縮系數(shù)和彈性能量，且為惰性氣體，無生產(chǎn)安全隱患。氮?dú)饷芏刃?，在地層中可向油藏高部位運(yùn)移，在高部位形成次生氣頂，增加了油藏的彈性能。另外，氮?dú)夥肿颖人肿有『芏?，可以進(jìn)入原來水驅(qū)不能進(jìn)入的油藏基質(zhì)，將基質(zhì)內(nèi)的原油擠壓、驅(qū)替出油藏，從而提高了采收率。但受油藏非均質(zhì)性的影響，氮?dú)飧籽馗邼B透層

2、竄進(jìn)，造成生產(chǎn)井產(chǎn)氣量高，氮?dú)夂扛摺２粌H造成了資源的浪費(fèi)，而且對生產(chǎn)井氣體正常使用造成一系列影響。氮?dú)馀菽?qū)是近年來國內(nèi)比較成熟的技術(shù)，泡沫在地層中具有較高的視黏度，遇油消泡、遇水穩(wěn)定，在含水飽和度較高的部位具有較高的滲流阻力，封堵能力隨著滲透率的增加而增加，可以有效增加中低滲透部位的驅(qū)替強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)泡劑一般都是性能優(yōu)良的表面活性劑，可在一定程度上降低油水界面張力。因此，泡沫調(diào)驅(qū)既可以改善波及效率，也可以提高驅(qū)油效率。二、 氮?dú)馀菽⒂^滲流阻力分析泡沫在多孔介質(zhì)中產(chǎn)生的滲流阻力本質(zhì)上是泡沫在孔道中產(chǎn)生的毛細(xì)管效應(yīng)附加阻力。根據(jù)氣泡在多孔介質(zhì)中的存在狀態(tài)，主要可以分為以下3種情況。（1）液體近

3、壁邊界層引起的附加阻力由于固體表面與水分子之間的相互作用，使得靠近固體表面的水層具有不同于自由水的性質(zhì)，這一水層稱為靜水邊界層?？紤]固體表面的微觀結(jié)構(gòu)和水分子的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，可以清楚地知道潤濕實(shí)際上是水分子（偶極子）時(shí)固體表面的吸附形成的水化作用。水分子是極性分子，固體表面的不飽和鍵也具有不同程度的極性，水分子受到固體表面的作用并在固體表面形成緊貼于表面的水層，即靜水邊界層。靜水邊界層中，水分子是有秩序排列的，它們與普通自由水分子的隨機(jī)稀疏排列不同。最靠近固體表面的第一層水分子，受表面鍵能吸引最強(qiáng)，排列得最為整齊嚴(yán)密。隨著鍵能和表面勢能影響的減弱，離表面較遠(yuǎn)的各層水分子的排列秩序逐漸渴亂。表面鍵

4、能作用不能達(dá)到的距離處，水分子已為普通水分子那樣的無秩序狀態(tài)。所以靜水邊界層實(shí)際是固體邊界與普通水間的過渡區(qū)域。圖2-1所示的靜水邊界層結(jié)構(gòu)充分地表示出固體表面附近水分子的排列狀況。圖2-1 靜水邊界層的結(jié)構(gòu)模型a弱極性固體表面；b強(qiáng)極性固體表面靜水邊界層中，緊貼于固壁的一層水分子，由于受到固壁強(qiáng)烈的吸引作用，看似液態(tài)水，實(shí)際上具有固體的性質(zhì)，而離開固壁的第二、三層水分子層，同樣受到固壁分子的引力，具有一定彈性，雖然是液態(tài)水，卻具有半固體的性質(zhì)。距離固壁越遠(yuǎn)，水分子受固壁的引力越小，越接近于普通液態(tài)水。靜水邊界層對水流邊界層的影響很大。通過表面化學(xué)研究得知，固體表面對水分子的作用范圍決定于固體

5、表面的性質(zhì)，特別是固體表面的極性。極性越高的表面，對水分子的作用范圍越大，石英、云母等親水性物質(zhì)的表面，對水分子的作用深度可達(dá)0.01mm 數(shù)量級或更大。靜水邊界層中，水分子受到固體表面吸引勢能的作用，已經(jīng)不同于自由水分子，要使該邊界層壓縮，外界需要做功。根據(jù)邊界層壓縮過程的勢能變化，可以大體上確定固體表面對外界水分子作用勢能場的分布規(guī)律?？紤]一個(gè)氣泡向固體表面靠近的情形。如圖2-2所示，氣泡向固體表面接近，先排除隔于兩者夾縫間的自由水。由于自由水的分子是無序的，所以很容易被擠走。當(dāng)氣泡進(jìn)一步接近時(shí)，固體表面的靜水邊界層受氣泡的排擠而變薄。靜水邊界層壓縮的自由能變化，與固體表面的極性有關(guān)。圖2

6、-2 靜水邊界層的厚度與自由能對于石英等強(qiáng)極性固體表面，則隨著氣泡向表面逼近，靜水邊界層自由能增加，如圖2-2中的曲線1所示。曲線1表明，當(dāng)氣泡與固體表面越來越接近時(shí)，其表面能不斷升高。所以，除非有外加能量，否則靜水邊界層是不會(huì)自發(fā)薄化的。由于粘性是分子引力的表征，分子間引力越大，粘性越大，分子間引力越小，粘性越小。按此規(guī)律，可以設(shè)粘性與分子引力成正比。對于邊界層中的水，粘性由兩部分組成，一是自由水的粘性，另一是固體表面對水分子的作用產(chǎn)生的附加粘性。如用公式表示，可設(shè)邊界層中水的粘度為： (5-1)式中 邊界層中水的粘度； 普通水的粘度； 與固體表面性質(zhì)、水分子性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)； 指數(shù)； 離固體

7、表面的距離。由上式可知，在固體表面上，水分子的粘度為無窮大，無論怎樣，水分子不流動(dòng)，這滿足了經(jīng)典邊界層理淪的無滑移條件。在離固體表面無窮遠(yuǎn)處，水的粘度為普通水的粘度，但在實(shí)際中，這是不可能的，一般取邊界層中水的粘度與自由水的粘度相差1%時(shí)，該處為邊界層的外緣。由此可以確定邊界層的厚度為：即邊界層厚度為： (5-2)再回到要討論的液體近壁邊界層引起的附加阻力問題，如圖2-3所示，當(dāng)一氣泡處于孔道中時(shí)，在毛管力的作用下會(huì)對管道壁面產(chǎn)生一種擠壓力。圖2-3 毛細(xì)管孔道中氣泡氣泡兩端球形曲面上產(chǎn)生的毛管力為：同時(shí)圓柱體曲面產(chǎn)生的毛管力為：因此當(dāng)氣泡靜止時(shí)，對管壁產(chǎn)生的擠壓力為： (5-3)在該擠壓力的

8、作用下，自由液體分子被擠走，并使邊界層保持一定的平衡厚度。由于邊界層內(nèi)液體具有很高的粘度，因此，要使氣泡移動(dòng)，必須要有足夠的外加壓差，克服邊界層產(chǎn)生的摩擦阻力。（2）潤濕滯后引起的附加阻力在壓差的作用下，當(dāng)毛細(xì)管中的氣泡移動(dòng)時(shí)，由于潤濕滯后，氣泡兩端的液膜會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致兩端曲面的曲率半徑不相等，如圖2-4所示。圖2-4 外加壓差使氣泡變形這樣由于氣泡變形產(chǎn)生的附加阻力為： (5-4)因此，在毛細(xì)管中，要使靜止的氣泡移動(dòng)，就必須克服作用于邊界層產(chǎn)生的摩擦阻力以及由于氣泡變形產(chǎn)生的附加阻力。（3）氣泡通過孔喉時(shí)產(chǎn)生的附加阻力實(shí)際巖石的滲流通道是由很多孔隙和喉道組成的，通過恒速壓汞以及微觀分析可以

9、確定巖石孔隙和喉道的大小以及分布頻率。當(dāng)氣泡由孔隙進(jìn)入喉道時(shí)，遇阻變形，產(chǎn)生附加流動(dòng)阻力，即通常所說的賈敏效應(yīng)，如圖2-5所示。圖2-5 氣泡在喉道處遇阻變形 (5-5)只有當(dāng)氣泡前端變形到與喉道最窄處一樣大時(shí)，即，氣泡才能通過喉道而流動(dòng)。在實(shí)際地層中，以上幾種流動(dòng)阻力是同時(shí)存在的。泡沫滲流過程中的屈服應(yīng)力主要取決于和的大小。水氣交替注入也會(huì)引起流動(dòng)阻力的增加，其與泡沫調(diào)驅(qū)的主要差別就在于泡沫調(diào)驅(qū)過程中產(chǎn)生了大量的氣泡，進(jìn)而影響到整個(gè)體系的流動(dòng)狀態(tài)。在流動(dòng)阻力方面，與氣水交替注入相比，泡沫調(diào)驅(qū)中由、產(chǎn)生的流動(dòng)阻力要大得多，并且隨流動(dòng)方向上氣泡密度的增加而增加，這也是泡沫調(diào)驅(qū)與水氣交替注入在流動(dòng)

10、阻力方面的主要差別。三、 室內(nèi)評價(jià)3.1 起泡劑濃度篩選采用Waring Blender法，量取100 ml質(zhì)量濃度的起泡劑溶液，分別放入高速攪拌器中攪拌生成泡沫（轉(zhuǎn)速為7000 r/min，攪拌時(shí)間為3 min）。攪拌完畢后倒入量筒中，測量其起泡體積和半衰期，以此評價(jià)上述四種濃度條件下四種起泡劑的基本性能。起泡劑濃度優(yōu)選濃度%SDS濃度%ABSmLminmL·minmLminmL·min0.26107.064306.60.053805.362036.80.36217.074390.470.13806.5024700.46407.1045440.23856.532514.0

11、50.56637.174753.710.33937.052770.650.66677.184789.060.44157.112950.650.86657.2047880.54157.122954.81.06677.184789.060.64157.102946.51.26637.194766.970.84107.112915.1濃度%HY-2濃度%DY-1mLminmL·minmLminmL·min0.24156.152552.250.23856.4024640.342810.204365.60.33907.062753.40.443512.135276.550.43977

12、.102818.70.546014.296573.40.54107.162935.60.646015.327047.20.64057.122883.60.846516.467653.90.84057.112879.551.045517.397912.451.04057.162899.81.245517.177812.351.24007.172868由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，起泡體積和半衰期并非隨著起泡劑濃度的增加而一直增大，當(dāng)起泡劑濃度增加到一定值時(shí)，起泡體積增加幅度減小或呈現(xiàn)下降趨勢，半衰期逐漸趨于穩(wěn)定或增幅減小，泡沫綜合值則可以更為明顯的看到這種趨勢。3.2氣液比對泡沫滲流特性的影響圖3-1不同

13、氣液比條件下壓力變化曲線由圖3-1可以看出，在泡沫注入過程中，壓力的變化曲線并不是平滑的，會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)，這主要與泡沫的穩(wěn)定性、泡沫的捕集與流動(dòng)有關(guān)，當(dāng)泡沫突然破裂或流動(dòng)時(shí)，壓力降低。隨著泡沫注入量的增加，越來越多的泡沫被捕集在孔隙中，流體的流動(dòng)通道減少，流動(dòng)阻力增加，注入壓力逐漸增大。另一方面，隨著氣液比的增大，注入壓力升高的速度變快，同時(shí)驅(qū)替達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)需要注入泡沫的量也要少一些。這主要是因?yàn)樵诟邭庖罕葪l件下，單位時(shí)間內(nèi)通過巖心的氣量相對要多，被捕集的氣泡增多，泡沫的屈服應(yīng)力和表觀黏度增大，導(dǎo)致出現(xiàn)上述結(jié)果。3.3 滲透率對泡沫滲流特性的影響由圖3-2可以看出，在相同流量條件下，泡沫表觀黏度由605×10-3µm2下的55.66mPa·s迅速增大到5998×10-3µm2下的360.49mPa·s，隨滲透率的增大而迅速增大。這主要是由于泡沫具有剪切變稀的性質(zhì)，在相同流量條件下，不同滲透率巖心中泡沫受到剪切速率不同，滲透率越高剪切速率越小，泡沫的表觀黏度越大，這樣泡沫在巖心中滲流的阻力因子也就隨滲透率的增大而增大，如圖3-3所示。圖3-2 表觀黏度隨滲透率變化曲線 圖3-3 泡沫驅(qū)阻力因子隨滲透率變化曲線3.3 泡沫調(diào)剖能力實(shí)驗(yàn)圖3-4 A組分流量對比圖3-5 B組分流量