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，将基质内的原油挤压、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内比较成熟的技术，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张力。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范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，对水分子的作用范围越大，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：

n

y

α

μμ+

=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

y μαμμ 0

100μα

=

n y

n

y 0

100μα

=

即边界层厚度0δ为：

n

0100μα

δ= (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：

r

R p c θσσcos 22=

=' 同时圆柱体曲面产生的毛管力为：

r

p c σ=" 因此当气泡静止时，对管壁产生的挤压力为：

r

r 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。由于边界层内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。