泡沫酸是用充气或气化了的酸液来代替普通酸液，与常规酸液相比，它具有粘度高、滤失低、摩阻小、缓速好、易返排、伤害小等特点[1-5]，对低压、低渗、非均质性强的油气层的增产改造是一种十分理想的酸液体系，特别是对于高含水油气层具有较好的降水增油效果。本试验针对砂岩地层开展了泡沫土酸体系配方研究及性能评价(文中泡沫酸均指泡沫土酸体系)。
泡沫起泡能力的测试和评价方法有多种，如搅拌法、倾注法、打击法、模拟法等。搅拌法具有周期短、操作简单、测定结果重复性好、可靠性高等特点。本研究采用该方法评价泡沫的起泡能力。实验仪器如图 1所示。
实验步骤：
(1) 配制基液(12%HCl+3%HF+ X%起泡剂+蒸馏水)100 mL；
(2) 用注射器抽取基液导入玻璃杯中；以12 000 r/min的转速高速搅拌5min后倒入量筒中；
(3) 记录泡沫的初始体积即起泡体积；
(4) 记录泡沫底部开始出现液体的时间即出液时间；
(5) 记录出液量达50 mL时的时间，即半衰期。
选择起泡剂应考虑：
(1) 起泡能力强；
(2) 泡沫稳定性好；
(3) 被地层岩石吸附量小。
一般阳离子型表面活性剂在储油层岩石表面的吸附量高，不可取。阴离子型表面活性剂在碳酸盐岩石表面的吸附量高，而在砂岩表面的吸附量很低，适合用于砂岩油层。非离子型表面活性剂在碳酸盐岩石表面的吸附量很少，而在砂岩表面的吸附相当严重，比较适合用于碳酸盐地层。本研究选取SDS和ABS两种起泡剂进行评价。实验结果见表 1。
由图 2和图 3可以看出，曲线的变化趋势大致相同，起泡体积和半衰期的最大值均出现在SDS质量分数为0.5%时，对应的ABS质量分数约为0.4%。说明两种起泡剂在该浓度时接近其临界胶束浓度，此时发泡量最大，泡沫稳定性最高，继续增加其加量，发泡量及半衰期均下降。另外，试验结果表明，SDS的起泡性能要好于ABS。
泡沫稳定剂按照其作用方式分为两类[6-7]。一类是通过提高液相粘度来减缓泡沫的排液速率，提供泡沫的稳定性，即增粘剂；另一类是通过增加薄膜的粘弹性，减小泡沫的透气性，从而增大泡沫的稳定性，即固泡剂。研究表明，这两类稳定剂复配使用，可以达到极好的稳定效果。
增粘剂除改善泡沫的稳定性外，还会影响体系的发泡能力。一般情况下，增粘剂加量增大则泡沫稳定性提高，但体系的发泡能力下降，密度增大。同时，若液相粘度过大则会造成气体在液相中分散困难。因此在确定增粘剂加量时，在地层温度及压裂条件下，泡沫稳定性满足要求时应尽量减少增粘剂加量。表 2为不同增粘剂用量对泡沫性能的影响。
由表 2可知，加入增粘剂使起泡体积有不同程度的减小，而半衰期有不同程度的增大。
三种增粘剂中，ZN-2稳泡效果最差，达不到使用要求。ZN-3稳泡效果最好，但起泡体积较小，而ZN-1介于二者之间，应该是理想的增粘剂。
固泡剂对溶液粘度的变化影响较小，但能提高液膜的表面粘度，从而增加液膜的粘弹性，减小液膜的透气性，提高泡沫稳定性。固泡剂同时也是起泡剂，只是它的发泡性较差。本研究复配了一种固泡剂GPJ，其加量对泡沫性能的影响见表 3。
从表 3可以看出，随着固泡剂加量的增大，体系发泡量先增大，泡沫稳定性提高，当加量增加到1%左右时，起泡体积反而开始减小，泡沫半衰期下降。因此，在使用该固泡剂提高泡沫稳定性时，应将其加量控制在1%以内。
对筛选出的起泡剂、增粘剂和固泡剂进行正交试验，优选出三者的最佳组合配方。结果见表 4。
根据正交试验结果，从半衰期的角度考虑所得的最佳配方为(0.5%、1.0%、0.2%)，从泡沫质量角度考虑其最佳配方为(0.5%、0.8%、0.1%)，由于各水平对泡沫质量的影响较小，而对泡沫半衰期的影响较大，因此，优先考虑满足泡沫半衰期的基本要求，选择最佳的泡沫酸配方体系为12% HCl+3% HF+0.5% SDS+1.0% GPJ+0.3% ZN-1。
分别选取土酸(12%HCl+3%HF+蒸馏水)、泡沫质量(Г)为50%和70%的泡沫酸(12%HCl+3%HF +0.5% SDS+ 1.0% GPJ+0.3% ZN-1+蒸馏水)进行溶蚀试验。试验结果见图 4。
从图 4可看出，相同溶蚀时间下，泡沫酸的溶蚀率要低于土酸，且泡沫特征值越大，溶蚀率越低。但长时间溶蚀后，三种酸液体系的溶蚀率基本接近。该试验结果表明，泡沫酸具有一定的缓速效果，且泡沫特征值越大，反应速度越慢，且对岩石的最终溶蚀程度影响不大。
在不加缓蚀剂的情况下，采用N80标准钢片进行挂片测试，测定不同酸液在温度为90 ℃下反应4 h后对钢片的腐蚀速度，测试结果见表 5。
从表 5可看出，泡沫酸的腐蚀速度要明显低于常规土酸，且泡沫质量越高，腐蚀速度越低。
选择渗透率相差较大的两块岩心做双岩心驱替实验，注酸前用盐水驱替，然后注入泡沫酸，最后再注盐水。从图 5可看出，泡沫酸具有很好的分流效果。注酸前，两岩心渗透率差异较大，注入泡沫酸后，两岩心渗透率趋于一致，注完酸后再注盐水，两岩心渗透率均有所增加，且渗透率差异较酸化前减小。
(1) 泡沫酸液体系一般由酸液、气相、起泡剂、稳泡剂组成。采用搅拌法，基于泡沫的半衰期及气泡体积等评价指标，筛选出泡沫酸添加剂，并利用正交设计法优选得到泡沫酸配方体系。
(2) 泡沫酸与常规土酸相比，其缓速和缓蚀效果较好，且泡沫特征值越大，泡沫酸的反应速度和腐蚀速度越低；并联岩心泡沫酸分流试验表明，过酸后两岩心渗透率均增加，且渗透率差异减小，表现出较好的分流效果。
(3) 泡沫酸良好的缓速、缓蚀、分流及助排等性能决定了其良好的应用前景，深入开展泡沫酸酸化机理研究具有重要的理论及现实意义。
2012, Vol. 41 Issue (3): 311-313,356
2012, Vol. 41 Issue (3): 311-313,356