氮气泡沫驱机理

一、氮气泡沫驱简介我国现已发现的油田大部分属于陆相沉积储层，受地层非均质性及不利水油流度比的影响，水驱效果往往不是很理想。

而对于低渗、超低渗油藏，注水压力高，开采难度大，该类油藏普遍采取压裂措施，压裂后产量快速上升，但有效生产周期较短，表现为含水率快速上升，产油量快速降低。

与CO2和空气相比，氮气具有较高的压缩系数和弹性能量，且为惰性气体，无生产安全隐患。

氮气密度小，在地层中可向油藏高部位运移，在高部位形成次生气顶，增加了油藏的弹性能。

另外，氮气分子比水分子小很多，可以进入原来水驱不能进入的油藏基质，将基质的原油挤压、驱替出油藏，从而提高了采收率。

但受油藏非均质性的影响，氮气更易沿高渗透层窜进，造成生产井产气量高，氮气含量高。

不仅造成了资源的浪费，而且对生产井气体正常使用造成一系列影响。

氮气泡沫驱是近年来国比较成熟的技术，泡沫在地层中具有较高的视黏度，遇油消泡、遇水稳定，在含水饱和度较高的部位具有较高的渗流阻力，封堵能力随着渗透率的增加而增加，可以有效增加中低渗透部位的驱替强度，同时发泡剂一般都是性能优良的表面活性剂，可在一定程度上降低油水界面力。

因此，泡沫调驱既可以改善波及效率，也可以提高驱油效率。

二、氮气泡沫微观渗流阻力分析泡沫在多孔介质中产生的渗流阻力本质上是泡沫在孔道中产生的毛细管效应附加阻力。

根据气泡在多孔介质中的存在状态，主要可以分为以下3种情况。

（1）液体近壁边界层引起的附加阻力由于固体表面与水分子之间的相互作用，使得靠近固体表面的水层具有不同于自由水的性质，这一水层称为静水边界层。

考虑固体表面的微观结构和水分子的结构与性质，可以清楚地知道润湿实际上是水分子（偶极子）时固体表面的吸附形成的水化作用。

水分子是极性分子，固体表面的不饱和键也具有不同程度的极性，水分子受到固体表面的作用并在固体表面形成紧贴于表面的水层，即静水边界层。

静水边界层中，水分子是有秩序排列的，它们与普通自由水分子的随机稀疏排列不同。

最靠近固体表面的第一层水分子，受表面键能吸引最强，排列得最为整齐严密。

随着键能和表面势能影响的减弱，离表面较远的各层水分子的排列秩序逐渐渴乱。

表面键能作用不能达到的距离处，水分子已为普通水分子那样的无秩序状态。

所以静水边界层实际是固体边界与普通水间的过渡区域。

图2-1所示的静水边界层结构充分地表示出固体表面附近水分子的排列状况。

图2-1 静水边界层的结构模型a－弱极性固体表面；b－强极性固体表面静水边界层中，紧贴于固壁的一层水分子，由于受到固壁强烈的吸引作用，看似液态水，实际上具有固体的性质，而离开固壁的第二、三层水分子层，同样受到固壁分子的引力，具有一定弹性，虽然是液态水，却具有半固体的性质。

距离固壁越远，水分子受固壁的引力越小，越接近于普通液态水。

静水边界层对水流边界层的影响很大。

通过表面化学研究得知，固体表面对水分子的作用围决定于固体表面的性质，特别是固体表面的极性。

极性越高的表面，对水分子的作用围越大，石英、云母等亲水性物质的表面，对水分子的作用深度可达0.01mm 数量级或更大。

静水边界层中，水分子受到固体表面吸引势能的作用，已经不同于自由水分子，要使该边界层压缩，外界需要做功。

根据边界层压缩过程的势能变化，可以大体上确定固体表面对外界水分子作用势能场的分布规律。

考虑一个气泡向固体表面靠近的情形。

如图2-2所示，气泡向固体表面接近，先排除隔于两者夹缝间的自由水。

由于自由水的分子是无序的，所以很容易被挤走。

当气泡进一步接近时，固体表面的静水边界层受气泡的排挤而变薄。

静水边界层压缩的自由能变化，与固体表面的极性有关。

图2-2 静水边界层的厚度与自由能对于石英等强极性固体表面，则随着气泡向表面逼近，静水边界层自由能增加，如图2-2中的曲线1所示。

曲线1表明，当气泡与固体表面越来越接近时，其表面能不断升高。

所以，除非有外加能量，否则静水边界层是不会自发薄化的。

由于粘性是分子引力的表征，分子间引力越大，粘性越大，分子间引力越小，粘性越小。

按此规律，可以设粘性与分子引力成正比。

对于边界层中的水，粘性由两部分组成，一是自由水的粘性，另一是固体表面对水分子的作用产生的附加粘性。

如用公式表示，可设边界层中水的粘度为：nyαμμ+=0 (5-1)式中 μ——边界层中水的粘度； 0μ——普通水的粘度；α——与固体表面性质、水分子性质有关的系数； n ——指数；y ——离固体表面的距离。

由上式可知，在固体表面上，0→y ，水分子的粘度为无穷大，无论怎样，水分子不流动，这满足了经典边界层理沦的无滑移条件。

在离固体表面无穷远处，∞→y ，水的粘度为普通水的粘度0μ，但在实际中，这是不可能的，一般取边界层中水的粘度与自由水的粘度相差1%时，该处为边界层的外缘。

由此可以确定边界层的厚度为：01.1100=+=n yμαμμ 0100μα=n yny 0100μα=即边界层厚度0δ为：n0100μαδ= (5-2)再回到要讨论的液体近壁边界层引起的附加阻力问题，如图2-3所示，当一气泡处于孔道中时，在毛管力的作用下会对管道壁面产生一种挤压力1p 。

图2-3 毛细管孔道中气泡气泡两端球形曲面上产生的毛管力为：rR p c θσσcos 22==' 同时圆柱体曲面产生的毛管力为：rp c σ=" 因此当气泡静止时，对管壁产生的挤压力为：rr r p p p c c )1cos 2(cos 21-=-="-'=θσσθσ (5-3) 在该挤压力的作用下，自由液体分子被挤走，并使边界层保持一定的平衡厚度。

由于边界层液体具有很高的粘度，因此，要使气泡移动，必须要有足够的外加压差，克服边界层产生的摩擦阻力f p。

（2）润湿滞后引起的附加阻力在压差的作用下，当毛细管中的气泡移动时，由于润湿滞后，气泡两端的液膜会产生变形，导致两端曲面的曲率半径不相等，如图2-4所示。

图2-4 外加压差使气泡变形这样由于气泡变形产生的附加阻力为：)cos (cos 22θθσ'-''=rp (5-4)因此，在毛细管中，要使静止的气泡移动，就必须克服1p 作用于边界层产生的摩擦阻力fp 以及由于气泡变形产生的附加阻力2p 。

（3）气泡通过孔喉时产生的附加阻力实际岩石的渗流通道是由很多孔隙和喉道组成的，通过恒速压汞以及微观分析可以确定岩石孔隙和喉道的大小以及分布频率。

当气泡由孔隙进入喉道时，遇阻变形，产生附加流动阻力3p ，即通常所说的贾敏效应，如图2-5所示。

图2-5 气泡在喉道处遇阻变形)11(23R R p '-''=σ (5-5)只有当气泡前端变形到与喉道最窄处一样大时，即rR θcos =''，气泡才能通过喉道而流动。

在实际地层中，以上几种流动阻力是同时存在的。

泡沫渗流过程中的屈服应力主要取决于2p 和3p 的大小。

水气交替注入也会引起流动阻力的增加，其与泡沫调驱的主要差别就在于泡沫调驱过程中产生了大量的气泡，进而影响到整个体系的流动状态。

在流动阻力方面，与气水交替注入相比，泡沫调驱中由2p 、3p 产生的流动阻力要大得多，并且随流动方向上气泡密度的增加而增加，这也是泡沫调驱与水气交替注入在流动阻力方面的主要差别。

三、室评价3.1 起泡剂浓度筛选采用Waring Blender法，量取100 ml质量浓度的起泡剂溶液，分别放入高速搅拌器中搅拌生成泡沫（转速为7000 r/min，搅拌时间为3 min）。

搅拌完毕后倒入量筒中，测量其起泡体积和半衰期，以此评价上述四种浓度条件下四种起泡剂的基本性能。

起泡剂浓度优选由实验结果可以看出，起泡体积和半衰期并非随着起泡剂浓度的增加而一直增大，当起泡剂浓度增加到一定值时，起泡体积增加幅度减小或呈现下降趋势，半衰期逐渐趋于稳定或增幅减小，泡沫综合值则可以更为明显的看到这种趋势。

3.2气液比对泡沫渗流特性的影响图3-1不同气液比条件下压力变化曲线由图3-1可以看出，在泡沫注入过程中，压力的变化曲线并不是平滑的，会出现一定的波动，这主要与泡沫的稳定性、泡沫的捕集与流动有关，当泡沫突然破裂或流动时，压力降低。

随着泡沫注入量的增加，越来越多的泡沫被捕集在孔隙中，流体的流动通道减少，流动阻力增加，注入压力逐渐增大。

另一方面，随着气液比的增大，注入压力升高的速度变快，同时驱替达到相对稳定状态需要注入泡沫的量也要少一些。

这主要是因为在高气液比条件下，单位时间通过岩心的气量相对要多，被捕集的气泡增多，泡沫的屈服应力和表观黏度增大，导致出现上述结果。

3.3 渗透率对泡沫渗流特性的影响由图3-2可以看出，在相同流量条件下，泡沫表观黏度由605×10-3µm2下的55.66mPa·s迅速增大到5998×10-3µm2下的360.49mPa·s，随渗透率的增大而迅速增大。

这主要是由于泡沫具有剪切变稀的性质，在相同流量条件下，不同渗透率岩心中泡沫受到剪切速率不同，渗透率越高剪切速率越小，泡沫的表观黏度越大，这样泡沫在岩心中渗流的阻力因子也就随渗透率的增大而增大，如图3-3所示。

图3-2 表观黏度随渗透率变化曲线图3-3 泡沫驱阻力因子随渗透率变化曲线3.3 泡沫调剖能力实验图3-4 A 组分流量对比010020030040050060070002468渗透率（µm 2）阻力因子图3-5 B组分流量对比图3-6 C组分流量对比由图3-4~图3-6中可以看出，在水驱阶段，高渗岩心和低渗岩心的分流量相差很大（图中横坐标为0处），水在高渗岩心形成窜流，低渗岩心分流量几乎为零。

注入泡沫后，高渗岩心的窜流得到有效地的遏制，分流量迅速降低，低渗岩心中的分流量则相应的增大，两个岩心的分流量变的相对均衡，甚至出现低渗岩心的分流量大于高渗岩心分流量的情况。

随着泡沫注入量的增加，高渗岩心和低渗岩心的分流量交替增大减小，并且渗透率差异越大交替频率越快。