氮气泡沫调剖堵及提高采收率的应用机理研究氮气泡沫调剖堵水及提高采收率的应用机理研究刘文章教授中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院二○○四年十月氮气泡沫调剖堵水及提高采收率的应用机理研究中油勘探开发研究院刘文章教授前言油田注氮气提高采收率技术在70年代及80年代前期在美国达到现场试验及应用高潮。
据调研，有33个油田采用注氮气进行非混相驱、混相驱、保持压力、重力驱等采油方式提高采收率。
在加州大规模注蒸汽热采稠油油田，蒸汽吞吐作业中加入氮气泡沫进行调剖超过5000井次，蒸汽驱加入氮气泡沫剂进行封堵汽窜及提高汽驱采收率的先导试验项目超过30个。
此外，在美国、加拿大、委内瑞拉等国，随着从空气中膜分离制氮技术设备迅速发展，注氮气作业成本较低，仅为天然气的1/3、CO2的1/4左右，注氮气（包括氮气泡沫）开采低渗透油田、底水油藏注氮气压水锥、低压油藏氮气泡沫欠平衡钻井完井、各种油井增产技术如压裂、酸化、洗井冲砂作业中，已广泛应用。
90年代以来，由于对各种注氮气采油机理及先导试验项目已有相当多的研究成果及经验，技术上比较成熟，应用上已常规化，因而这方面公开报道的文献逐渐减少，但该项技术在推广应用中仍在深入研究并向前发展。
在我国，在70年代曾在玉门油田进行过注水中加空气泡沫剂堵水提高采收率试验。
90年前后，华北油田在雁翎裂缝性古潜山油藏进行注氮气压水锥提高采收率技术试验。
在1987年，随着我国稠油油田注蒸汽热采技术的快速发展并且热采产量突破300万吨/年，许多油藏出现注入蒸汽窜流严重，本人为推进稠油注蒸汽热采技术的发展，改善蒸汽吞吐及蒸汽驱采油效果，开始室内实验研究注入蒸汽中加入氮气泡沫剂控制汽窜提高采收率技术。
积极倡导注氮气采油技术，首先在1987年中油石勘院（RIPED）与加拿大阿尔伯达研究院（ARC）合作，互派专家共同开展了“氮气泡沫驱油提高原油采收率技术研究”。
从此本人先后带领五名硕士、博士研究生及多名科技人员，开展了室内氮气泡沫驱机理研究及10多项现场先导试验设计方案，包括蒸汽驱加氮气泡沫调剖提高采收率、水驱加氮气泡沫提高采收率、注氮气及泡沫剂提高蒸汽吞吐效果、注氮气控制水锥提高采收率，超稠油氮气溶剂辅助蒸汽吞吐技术等。
目前，我国陆上油田，已有30多台车载活动式注氮车及一座撬装式大型制氮设备，应用于蒸汽吞吐油井注氮气隔热助排，注水驱加氮气泡沫调剖提高采收率、注氮气压水锥增产、蒸汽驱注氮气泡沫2提高采收率等作业，压裂、酸化、冲砂洗井等作业中采用氮气或氮气泡沫已推广应用。
本人积极倡导和推荐陆上东部某些注水开发的轻质油田已进入高含水期后，采用氮气泡沫段塞驱控制大孔道水窜以提高采收率，也推荐渤海某些注水开发的稠油油田，如SZ36-1、QH32-6、JZ9-3、埕岛油田等也试验注水加氮气泡沫段塞驱以扩大水驱波及体积提高采收率技术。
本文按中海油油服公司研发中心的要求，写出这份综合性研究报告，重点概述了注水开发油田采用氮气泡沫调剖堵水及提高采收率的应用机理及室内研究成果。
第一节泡沫的形成泡沫是由大量的气泡所形成的聚集体，其外观形状如蜂窝，是由不溶性或微溶性气体分散在液体之中所形成的粗分散体系，气体是分散相，液体是分散介质。
气泡的大小约在10m以上。
肥皂泡沫、啤酒泡沫等都是气体分散在液体中所形成的泡沫。
泡沫的性质和乳状液相似，它的分散度很高，泡沫也存在着不均匀状态和聚结不稳定的性质。
一、泡沫的形成搅拌肥皂的水溶液可以产生气泡。
进一步的观察发现，泡沫是许多气体被液体分隔开的体系，与乳状液相似，也是一种分散体系。
但乳状液是一种液体被另一种不相混溶的液体分隔开来，而泡沫则是气体分散于液体中的分散介质：气体是分散相（不连续相），液体是分散介质（连续相）。
由于气体与液体的密度相差很大，故在液体中的气体总是很快上升至液面，形成以少量液体构成的液膜隔开气体的气泡聚集物，即通常所说的泡沫。
气泡在形态上的一个特点就是作为分散相的气泡，常常是多面体，而不象乳状液那样，分散相的液体经常是以液珠（球状）的形态而存在。
1．泡沫形成的条件：有气、水、起泡剂才可形成泡沫，缺一不可。
●气液接触因为泡沫是气体在液体中的粗分散体系，产生泡沫的首要条件，就是气体与液体发生接触，只有气体与液体连续、充分地接触才能产生大量泡沫。
●含有起泡剂纯净液体不能形成稳定的泡沫，如纯净的清水生成的泡沫，其寿命在0.5秒以内，只能瞬间存在。
其它纯液体如乙醇、苯等也不能形成泡沫，因此要形成稳定的泡沫，除了气相、液相之外，必须加入第三种具有起泡能力的物质，即某些表面活性剂水溶液，起泡性能好的表面活性物质称之为起泡剂。
2．起泡剂的起泡作用●降低表面张力因为形成泡沫使体系增加了很大表面积，因而降低表面张力有助于降低体系的表3-7面自由能，使体系得以稳定。
●增加泡沫液膜的强度和弹性决定泡沫稳定性的关键因素在于液膜的强度和弹性，而液膜强度主要决定于吸附膜的坚固性。
起泡剂的非极性基团的碳氢分子之间有较大的侧向引力，尤其是直链的碳氢链较长的非极性基团，它们可产生相当强大的侧向引力，使形成的吸附膜非常结实、坚固，有一定强度。
同时由于起泡剂的表面活性分子可大幅度地降低溶液的表面张力，使液膜受到外力作用而变形时，即可局部形成较大的表面张力梯度，以便产生较大的马朗格尼（Marangoni）效应，使液膜具有可以伸缩的弹性，导致液膜自行复原。
●提高表面粘度泡沫液膜中的液体，因受重力及边界吸引力而导致从膜间排走，使液膜变薄，液膜减薄到一定程度，一般认为在30-40纳米（10米），甚至有些可达20-30纳米即行破裂，因此若液体有适当的粘度，膜内的液体就不易流走，使泡沫稳定性增加。
起泡剂的亲水基团，对水分子的吸引使液膜中的液体粘度显著增加，流动度大大降低，因而排液速度下降，故可增加泡沫的稳定性。
3．稳泡剂的作用起泡剂虽然有稳定泡沫的作用，但泡沫仍然是热力学不稳定体系。
为使配臵的泡沫更稳定，往往还需加入稳泡剂。
稳泡剂系指能够维持泡沫长时间不破灭的一类物质，如一些非离子型表面活性剂（十二烷基二甲基胺的氧化物，即C12H25N （CH3）2→O；十二酰二乙醇胺，即月桂酰胺二乙醇胺等）；一些极性有机物（长链脂肪醇等），以及水溶性的高分子增粘剂（部分水解聚丙烯酰胺、钠-羧甲基纤维素、褐藻酸钠等）；此外，一些不亲水的固体粉末如石油焦粉、烟煤粉、碳黑粉等，可吸附于气/液界面上，形成稳定的保护膜，起到了稳泡的作用。
稳泡剂的作用是增加介质的粘度，使气泡间液膜的粘滞性增加，减弱排液速度，这样就增加了泡沫的稳定性。
二、泡沫的分类泡沫的分类方法很多，特别是由于研究的目的不同，分类的方法往往有很大的差别。
较为常用的方法有：1．按照泡沫存在的时间长短，把泡沫分为“稳定性泡沫”和“非稳定性泡沫”。
“稳定”与“非稳定”只是相对的概念，并无严格的时间界限。
前者寿命在数分钟，甚至几天不破裂，为持久性泡沫。
后者寿命仅在几秒钟之内，也称短暂泡沫。
2．按照组成泡沫的气、液比例分类，如果泡沫体系的含气量大于50％，则谓“干泡沫”；如果泡沫体系的含液量大于50％，则谓“湿泡沫”。
4-93．按照泡沫存在的环境分类，如果盛装泡沫的容器的半径为R，其大于泡沫的平均半径r（即R>rF），F则谓此泡沫为“松散泡沫”（bulk foam）；相反，如果R≤rF，则谓“封闭泡沫”（confining foam）或“液膜结构泡沫”（lamellar structure foam）。
当然，这两种泡沫的性质是不完全一致的。
三、泡沫成份1．泡沫流体的成份有三：气体、液体、起泡剂。
2．气相用于石油工业的泡沫流体，其气相多为空气、氮气、二氧化碳及天然气。
由于空气和天然气存在易燃、易爆等不安全因素，应尽量避免用于油、气生产井作业，慎之又慎、严格把关。
推荐用于油、气井的泡沫流体，采用氮气或二氧化碳，首选前者，因前者的成本比后者低数倍，无腐蚀性，通过膜分离制氮设备在井场就可从空气中制取并增压注入油井。
泡沫的液相一般有水、酸、醇及烃类，常用的是水。
四、氮气1．氮气的一般性质●空气中含氮78％，氧气21％，惰性气体0.94％，二氧化碳0.03％（按体积计算）。
●在常温常压下氮气为无色无嗅的气体，在压力为0.1MPa、温度为０℃时，氮气密度为1.25kg/m，氮气的导热系数为0.0205Kcal/m.h.℃，动力粘度为169×10mPa.s，1m液氮可变为696.5m气氮。
空气经压缩液化、冷却，温度为-195.78℃时，氮气将变成无色透明的液体，温度为-210℃时，氮将凝固为雪状的固体，氮气的化学性质极不活跃，在常态下表现出很大的惰性，氮气的基本物理参数详见表1-1所示。
表1-1 氮气物理性质序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11-3333物理性质及条件化学式分子量相对密度（空气=1），21℃，0.101MPa 气体密度 21℃，0.101MPa 标准沸点汽化热临界压力临界温度临界点密度三相点压力三相点温度法定计量单位 N2 28.0134 0.9669 3 1.1605kg/m-195.76℃51.99×10J/kg 3.4MPa -147℃ 3 311kg/m0.0125MPa -210℃ 5其它单位条件：70℉，1Atm 3 0.07245磅/英尺-320.36℉ 85.6英热单位/磅 2 492.9磅/英寸-232.4℉ 3 19.415磅/英尺2 1.819磅/英寸-346.01℉。
