一种油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系及其应用的制作方法

本发明涉及一种油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系，属于碳封存及利用技术和石油开采技术领域。

背景技术：

水驱采油是一种应用极其广泛的油田开发技术。随着水驱开发的深入推进，油田会逐渐进入高含水甚至特高含水阶段，此时储层中水窜优势通道形成，无效水循环加剧，水驱效率迅速下降。泡沫调驱是水驱后重要的提高原油采收率手段。水基泡沫流体表观粘度高，具备“堵大不堵小、堵水不堵油”的优良调剖特性，可改善储层中的油水流度比，控制水相窜流，扩大波及范围，提高驱油效率。特别对于以二氧化碳为内相的水基泡沫驱油体系，驱油效果突出，不仅可以利用二氧化碳和泡沫独特结构提升原油采收率，同时可以依托水基泡沫的高波及能力将大量的二氧化碳封存在地层中，从而达到温室气体地质封存及有效利用的目的。

然而，由于二氧化碳水基泡沫是一种热力学不稳定体系，泡沫在驱油过程中会发生衰变，气液在地层中逐渐分离引发二氧化碳气窜现象，不利于二氧化碳的地质封存，同时将导致泡沫调剖能力减弱，难以在后续水驱过程中进行相对稳定的长期流度控制。为了进一步增强水基泡沫体系稳定性及调剖性能，传统水基三相泡沫体系采用有机或无机微纳米颗粒作为固相强化剂，如交联聚合物微球、二氧化硅纳米颗粒、氧化铝纳米颗粒、粉煤灰、超细水泥等。这些微纳米颗粒可以改善泡沫在储层多孔介质中的调剖性能，强化提采效果。然而，传统三相泡沫所使用的微纳米颗粒本身无法对油水两相渗流产生选择性调堵，难以达到堵水不堵油的有益效果，当三相泡沫破灭后颗粒的调剖性能将会被削弱。例如在中国专利申请(申请号：201811375287.0)公开了一种油气田用超高特征值三相烟道气泡沫及其制备方法。该三相烟道气泡沫的气相为燃煤电厂产生的烟道气；液相为表面活性剂、ph值调剂和无机盐的水溶液；泡沫特征值为90％～99％。该三相烟道气泡沫所使用的固相稳泡剂为粉煤灰颗粒与纳米二氧化硅颗粒的复配体系，不仅成本较低，而且可以在泡沫液膜上形成稳固的固相颗粒吸附层，大幅减弱泡沫的液膜破裂、气体扩散和气泡聚并等不稳定特征，有效提高泡沫的稳定性，同时具有良好的耐温性和耐压性。然而，粉煤灰颗粒与纳米二氧化硅颗粒本身不具备选择封堵能力，虽然这类固相颗粒在优势通道需要控制时会起到一定有益的封堵效果，但在地层中长期大量的累计性滞留及封堵则可能会消耗水相的驱替能量，从而减弱水相驱油能力，不利于三相泡沫保持长周期内稳油控水性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系，所述油田用三相泡沫体系能够均匀稳定地裹挟具有亲油疏水特性的气凝胶颗粒，进而将气凝胶颗粒带入储层中，对储层中的优势通道进行选择性封堵，达到长周期“堵水不堵油”的目的，从而强化水基二氧化碳泡沫波及系数和驱油效率，最终实现采收率的提高；所述泡沫体系对储层的伤害性小，且具有绿色无毒无污染的特点，有利于油田周边环境的保护。

本发明所提供的油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系，由二氧化碳、液相和气凝胶颗粒制成；

所述液相为起泡剂、泡沫强化剂和无机盐助剂的水溶液。

上述的三相泡沫体系中，所述气凝胶颗粒可为氧化铝气凝胶颗粒、二氧化硅气凝胶颗粒和氧化锆气凝胶颗粒中至少一种；

所述气凝胶颗粒的参数如下：

比表面积为600～1300m²/g，粒径范围为4～500μm，孔隙率高于90％，孔径范围为5～80nm，其体积的90％以上为纳米孔洞，其余部分由三维纳米网状孔壁构成。

所述三相泡沫体系的泡沫特征值为50％～95％，所述的泡沫特征值，指的是泡沫中气相体积占泡沫总体积的百分比；

具体地，1)当液相中泡沫强化剂的浓度为0.05～0.15wt％时，所述泡沫体系的泡沫特征值为50％～75％；

2)当液相中泡沫强化剂的浓度为0.16～0.25wt％时，所述泡沫体系的泡沫特征值为50％～90％；

3)当液相中泡沫强化剂的浓度为0.26～0.40wt％时，所述泡沫体系的泡沫特征值为50％～95％。

上述的三相泡沫体系中，所述起泡剂可为油茶皂甙、α-烯基磺酸钠、槐糖脂、聚氧乙烯十二烷基醚硫酸钠中至少一种或两者的复配体系。

上述的三相泡沫体系中，所述泡沫强化剂可为羧基化纤维素纳米纤维、羟基化纤维素纳米纤维和高碘酸盐氧化纤维素纳米纤维中至少一种或两者的复配体系。

本发明中所述泡沫强化剂来源广泛，取材于木材、棉花等植物中，可通过微生物降解，不会在储层中产生残留和吸附，具有绿色环保的特征，并能够实现在较低浓度条件下一定程度提升泡沫液相粘度，有效降低三相泡沫体系的流动性，减缓泡沫液膜中液体流失的速率，降低气泡间气体的交换速度和相邻气泡产生聚并的速度，从而减少液膜破裂现象，提高三相泡沫体系稳定性。

上述的三相泡沫体系中，所述无机盐助剂为氯化钾和/或氯化钠，优选氯化钾；

所述无机盐助剂的主要作用是，防止所述三相泡沫体系中的液相引起地层粘土的膨胀及分散运移，降低水基二氧化碳泡沫对水敏性油气层所造成的伤害，同时能够保证所述三相泡沫体系在储层中的稳定性。

上述的三相泡沫体系中，所述液相的质量百分比组成如下：

具体为下述任一种：

1)

2)

3)

上述的三相泡沫体系中，于所述液相中，所述气凝胶颗粒与所述泡沫强化剂的质量浓度比为1：0.5～2.5，如1：0.67～1、1：0.67或1：1；在该浓度比例下，所述气凝胶颗粒和水基二氧化碳泡沫的配伍性较好，泡沫体系能够将具有亲油疏水特性的气凝胶颗粒运载入地层，对储层中的优势通道进行选择性封堵，达到长周期“堵水不堵油”的目的。同时泡沫体系中泡沫强化剂纤维素纳米纤维能够在一定程度上提升液相粘度，降低泡沫流动性，有效减缓三相泡沫液膜中液体流失的速率，减少液膜破裂现象。

本发明可以通过调控泡沫强化剂纤维素纳米纤维的加入量，来控制三相泡沫体系的液相粘度，从而控制三相泡沫体系在对应泡沫特征值下的稳定性。在气凝胶颗粒与无机盐助剂的浓度比范围内，随着泡沫强化剂纤维素纳米纤维浓度的升高，本发明三相泡沫体系能够携带更多二氧化碳气体进入地层，产生更多稳定泡沫运载气凝胶颗粒进入地层，并在地层中均匀分散，更好地实现气凝胶颗粒的调堵作用。

本发明三相泡沫体系的室内样品可按照下述方法进行制备：

1)按照配比将所述泡沫强化剂加入100ml水中，搅拌均匀配置成泡沫强化剂的水溶液；

2)将所述气凝胶颗粒加入至所述泡沫强化剂的水溶液中，搅拌得到均匀稳定的气凝胶分散液，需搅拌3～5min，或采用超声分散的方式，以获取均匀稳定的所述气凝胶分散液；

3)将所述起泡剂和所述无机盐助剂加入至所述气凝胶分散液中，搅拌均匀得到泡沫基液；

4)所述泡沫基液在二氧化碳环境中搅拌起泡，即得到所述泡沫体系；

可采用waringblender方法搅拌所述泡沫基液；

所述搅拌的速度为5000～8000转/min，时间为2～7min。

本发明提供的泡沫体系可用于油田泡沫调驱。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明油田用三相泡沫体系能够均匀稳定的裹挟具有亲油疏水特性的气凝胶颗粒，将气凝胶颗粒带入储层中，实现气凝胶颗粒在储层中均匀分散，进而形成对储层中优势通道“堵水不堵油”的选择性封堵效果，强化水基二氧化碳泡沫波及系数和驱油效率，达到长周期稳油控水的目的，有利于实现采收率的提高。

(2)本发明油田用三相泡沫体系所用泡沫强化剂能够在较低浓度条件下提升液相粘度，有效降低三相泡沫体系中液相的流动性，减缓泡沫液膜中排液的速率，抑制液膜破裂现象并减弱气泡间的气相扩散，有利于维持三相泡沫体系整体的稳定性，促使气凝胶颗粒较长时间均匀稳定的分散在泡沫体系中。

(3)本发明油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系具有绿色无毒无污染的特点，气凝胶体系选择性封堵对储层伤害性小，泡沫强化剂所使用的纤维素纳米纤维取材于木材、棉花等植物中，来源广泛，并可通过微生物降解，不会在储层和环境中产生残留和吸附，有利于油田周边环境的保护，有利于推进高含水老油田的绿色开发。

(4)本发明油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系室内制备工艺流程简单快捷，操作成本低，可快速完成三相泡沫样本的制备，有利于根据储层需要优选所需体系。

(5)本发明油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系，气、液、固三相配伍性良好，气凝胶颗粒和水基泡沫两者可产生协同调堵作用，同时既可以实现碳封存及利用，也可以实现油藏的高效开发，具有较高的应用推广价值。

附图说明

图1为本发明实施例1-2和对比例1的三相泡沫体系的稳定性考察结果。

图2为本发明实施例1和对比例1的油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫微观形态及其变化。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中，泡沫析液半衰期指的是泡沫形成后，液体析出一半所用的时间。

实施例1-2、油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系

原料为二氧化碳、液相和气凝胶颗粒，具体组成如下：

液相的质量百分比组成为：0.2wt％的起泡剂，0.3wt％的泡沫强化剂，0.05wt％的无机盐助剂，余量为水，其中，发泡剂为α-烯基磺酸钠：泡沫强化剂为羧基化纤维素纳米纤维；无机盐助剂为氯化钾。

气凝胶颗粒为二氧化硅气凝胶颗粒，比表面积为800～1000m²/g，平均粒径为300μm，孔隙率为95％，平均孔径为30nm；液相中气凝胶颗粒的添加浓度为0.3wt％，其体积的90％以上为纳米孔洞，其余部分由三维纳米网状孔壁构成。

采用0.5g气凝胶颗粒压制的滤饼进行油水透过性实验，其中滤饼厚度为18.6mm，半径为10.5mm。实验结果表明，水依靠重力无法透过气凝胶颗粒滤饼，而原油可以依靠重力透过气凝胶颗粒滤饼。

按照下述方法制备泡沫体系：

1)按照配比将0.3wt％的泡沫强化剂加入100ml水中，在磁力搅拌器上搅拌均匀配置成第一混合液；

2)按照配比将0.3wt％的气凝胶颗粒加入至第一混合液中，在磁力搅拌器上搅拌3～5min获得均匀稳定的气凝胶颗粒分散液；

3)按照配比将0.2wt％的起泡剂和0.05wt％无机盐助剂加入至均匀稳定的气凝胶颗粒分散液中，在磁力搅拌器上搅拌均匀配置成泡沫基液；

4)采用waringblender方法对泡沫基液在二氧化碳环境中进行搅拌起泡，搅拌速度为7000转/min，搅拌时间为3min，即得气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系。

按照上述质量配比和方法制备泡沫体系，不同之处仅在于泡沫强化剂于液相中添加浓度为0.2wt％，作为实施例2。

按照上述质量配比和方法制备泡沫体系，不同之处仅在于不添加泡沫强化剂，作为对比例1。

将上述制备得到的泡沫倒入1000ml密闭量筒中，在常温常压下记录泡沫的初始体积、泡沫析液半衰期。

将上述所得的油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系与不加入泡沫强化剂的三相泡沫体系作对比，实验数据如表1所示。

表1油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系与不加入泡沫强化剂的三相泡沫体系参数对比

表1中的实验结果表明，本发明油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系的析液半衰期相比于不加入泡沫强化剂纤维素纳米纤维的析液半衰期明显延长，三相泡沫体系的稳定性大幅提高。同时实验结果也表明，本发明泡沫体系中气、液、固三相配伍性良好，加入气凝胶颗粒的水基二氧化碳泡沫仍然具有良好的起泡能力，泡沫质量维持在一个稳定的范围。

本发明考察了三种不同泡沫强化剂浓度的三相泡沫体系的稳定性(15min)，结果如图1所示。

由该图可以看出，没有添加泡沫强化剂纤维素纳米纤维的三相泡沫体系在静置15min后析液高度线接近100ml，而添加泡沫强化剂纤维素纳米纤维的三相泡沫体系在静置15min后析液高度线均没有超过50ml，且随着泡沫强化剂纤维素纳米纤维浓度的增加，析液高度线逐渐降低，这表明泡沫强化剂纤维素纳米纤维浓度的变化能够对油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫体系的稳定性产生影响。同时也证明了泡沫强化剂纤维素纳米纤维能够与气凝胶颗粒协同有效地稳定三相泡沫体系，减缓泡沫液膜中的排液速率，抑制泡沫液膜破裂现象。此外，在气凝胶颗粒与无机盐助剂的浓度比范围内，随着泡沫强化剂纤维素纳米纤维浓度的升高，液相的粘度逐渐增加，三相泡沫体系的析液半衰期逐渐延长，这表明在一定范围内体系中泡沫强化剂纤维素纳米纤维的含量越高，其与气凝胶颗粒的协同作用效果越好，从而使三相泡沫体系更加稳定。

本发明还考察了实施例1和对比例1的油田用气凝胶颗粒-二氧化碳-水基三相泡沫微观形态及其变化，显微镜微观照片如图2所示。

图2中能够看到泡沫裹挟着气凝胶颗粒在体系中稳定存在，初始时刻加入泡沫强化剂纤维素纳米纤维的三相泡沫体系气泡粒径更小，液膜更厚，15min后未加入泡沫强化剂纤维素纳米纤维的三相泡沫气泡聚并和歧化反应明显，泡沫稳定性较差；而加入泡沫强化剂纤维素纳米纤维的三相泡沫则展现出较好的泡沫稳定状态，这进一步表明了泡沫强化剂纤维素纳米纤维可以配伍气凝胶颗粒在体系中发挥着良好的协同稳定泡沫、降低液相流动性的作用。

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