一种低毒性凝胶泡沫体系及其制备方法以及其在线监测方法

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1.本发明属于油田开发调剖堵水技术领域，具体涉及一种低毒性凝胶泡沫体系及其制备方法以及其在线监测方法。

背景技术：

2.在油田的现场试验中，恶劣的油藏条件导致单一泡沫失稳现象，严重制约了泡沫驱的大规模现场应用。近年来，针对普通泡沫体系调剖封堵能力弱且有效期短的缺点，有学者提出采用凝胶来保持泡沫稳定作为调剖堵水的新方法。凝胶泡沫是聚合物溶于表面活性剂溶液中并加入交联剂后在气体作用下发泡形成的，泡沫壁中的聚合物和交联剂发生交联反应，形成的三维立体空间网状结构构成泡沫的骨架。凝胶泡沫深部调控技术综合了凝胶与泡沫的双重优势，能封堵裂缝性大孔道、防止水窜、调整吸水剖面，是一种适用于强非均质地层的良好选择性调剖剂。
3.凝胶泡沫使用的交联剂可分为无机金属交联体系和有机酚醛交联体系。然而，以往所使用的酚醛树脂、铬离子其毒性很大，对环境和施工人员有很大的伤害，从可持续战略出发，已经开始禁止大量使用了。为了降低苯酚和甲醛的毒性，有学者采用毒性较小的间苯二酚和六亚甲基四胺替代。但这类交联剂毒性仍然较大，甲醛代替物六亚甲基四胺也是石油开采相关规定禁止的。因此，有机交联剂种类可供选择的低毒性凝胶很少。而金属交联剂相较有更多的选择，如硼基交联剂、钛基交联剂和铝离子交联剂有很多学者对其进行研究。由于破胶后的硼基交联剂会产生大量的残渣，在岩石表面容易形成储饼，给地层造成巨大的伤害。钛基交联剂由于成本高，交联效果较差等缺点严重限制了其大规模使用。然而，铝离子交联剂具有低毒性、低成本、成胶强度较大和成胶时间可控等优点，被广泛用于室内研究和矿场试验。
4.随着对环境保护的重要性认识的不断深入，低毒甚至无毒凝胶泡沫体系的开发成为了研究的热点与前沿。因此，针对以上问题，本发明采用柠檬酸铝为交联体系，并引入甜菜碱类表面活性剂或烷基糖苷(apg-10)作为绿的起泡剂，以制备一种能适用于强非均质地层的低毒性凝胶泡沫调剖剂及其制备方法，且本发明提供一种凝胶泡沫体系的在线监测方法，能真实建立凝胶泡沫体系的流度控制能力和渗流过程。

技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种低毒性凝胶泡沫体系及其制备方法以及其在线监测方法；它克服了现有技术存在的诸多不足，提供一种能适用于强非均质地层的低毒性凝胶泡沫调剖剂及其制备方法，有利于保护环境和保障施工人员的身体健康；且提供一种凝胶泡沫体系的在线监测方法，能真实建立凝胶泡沫体系的流度控制能力和渗流过程。
6.本发明的目的通过以下技术方案来实现：
7.本发明第一方面，提供一种低毒性凝胶泡沫体系，该低毒性凝胶泡沫体系是向低
毒性凝胶泡沫基液内导入气相形成；
8.所述低毒性凝胶泡沫基液是由以下质量份数组分制备而成：聚合物0.2～0.3份；交联剂0.015～0.025份；起泡剂0.2～0.3份；除氧剂0.04～0.06份；缓凝剂0.015～0.025份；水；
9.以上原料总计100份；
10.所述起泡剂为烷基糖苷(apg-10)或甜菜碱类起泡剂；所述交联剂为柠檬酸铝交联剂。
11.进一步地，所述的气相为n2，且低毒性凝胶泡沫体系其泡沫质量为60％。
12.泡沫质量也叫泡沫特征值，是泡沫的气体体积占总泡沫体积的百分数。
13.更进一步地，所述的聚合物选自部分水解聚丙烯酰胺(hpam)、水溶性疏水缔合聚丙烯酰胺(app-4)、抗温阴离子聚丙烯酰胺(kypam-6s)中的至少一种。
14.进一步地，所述的甜菜碱类起泡剂选自月桂酰胺丙基甜菜碱(lab-35)、十二烷基甜菜碱(bs-12)中的至少一种。
15.在本发明一种实施方案中，所述的除氧剂为硫脲。
16.进一步地，所述的缓凝剂选自木质磺酸钠、柠檬酸钠、酒石酸钠中的至少一种。
17.本发明还提供一种低毒性凝胶泡沫体系的制备方法，该制备方法，包括以下步骤：
18.(1)按各组分的质量份数，分别将聚合物、交联剂、起泡剂、除氧剂、缓凝剂和水依次加入西林瓶中，并搅拌均匀，得到混合均匀的溶液；
19.(2)将混合均匀的溶液放置在恒温烘箱中，老化成胶，得到低毒性凝胶泡沫基液；
20.(3)将n2通入泡沫评价装置，然后将低毒性凝胶泡沫基液泵入泡沫评价装置内，加热泡沫评价装置至70～90℃温度，并通过搅拌机搅拌一定时间，即可得到低毒性凝胶泡沫体系。
21.进一步地，所述的恒温烘箱温度为70℃～90℃，老化成胶时间为24h～48h。
22.本发明还提供一种凝胶泡沫体系的在线监测方法，可用于监测凝胶泡沫体系的真实流度控制能力和渗流过程，该在线监测方法，包括以下步骤：
23.步骤a、建立岩心模型：采用串联岩心，设定模拟油藏温度，然后以1ml/min的流速向串联岩心注入模拟地层水，直至串联岩心尾端出液且驱替压力达到平稳，记录平稳压力值δp1，并计算岩心的渗透率；
24.步骤b、注入氮气凝胶泡沫：待模拟地层水驱替串联岩心稳定后，同时开启凝胶泡沫基液注入泵和高压氮气阀，以60％泡沫质量，0.5ml/min注入流速向岩心中注入凝胶泡沫体系，并分别记录串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化；
25.步骤c、建立不同位移阶段处的压力变化曲线图：即以注入pv数为横坐标，注入压力为纵坐标，绘制串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化曲线；
26.步骤d、绘制阻力系数对比柱状图：计算不同注入pv数下，不同位移阶段点的阻力系数值，并以位移阶段为横坐标，阻力系数为纵坐标，绘制阻力系数对比柱状图。
27.通过步骤c、步骤d得出压力变化曲线图和阻力系数对比柱状图后，便可从压力变化曲线图中出压力变化曲线上最初的压力突变处，此时的注入量为pva，该突变处即为最先监测到的凝胶泡沫已成胶位置，且该突变位置表现在3/4处压力曲线上。同理，通过观察1/2处动态压力变化曲线也可监测到1/2处的成胶和运移情况。
28.本方案绘制出阻力系数对比柱状图，图中，随着注入量的增加，入口处的凝胶泡沫能够建立较强的阻力系数，但此时的阻力系数并不属于凝胶泡沫体系，而是未成胶聚合物泡沫的阻力系数；当凝胶泡沫注入到3/4处后，由于凝胶泡沫此时已成胶，压力逐渐增加，3/4处阻力系数逐渐上升，表明凝胶泡沫能在3/4处建立属于凝胶泡沫体系的较强阻力系数。从而结合压力变化曲线图和阻力系数对比柱状图，能真实反映出凝胶泡沫体系的流度控制能力和渗流过程。
29.进一步地，在步骤c之前还包括步骤e、步骤f；
30.步骤e：待入口端、1/4、1/2、3/4各处的注入压力稳定后，分别在1/4、1/2、3/4处和串联岩心尾端取少量凝胶泡沫样品；
31.步骤f：将经步骤e采集凝胶泡沫样品迅速注入设有70℃加热套的可视观察装置中，设置显微镜配备的s-eye软件，对可视观察装置内部的凝胶泡沫进行拍摄，并记录凝胶泡沫微观图像。
32.阻力系数(rf)：表示降低流度比的能力，通过水的流度和凝胶泡沫的流度的比值来计算rf。
33.本发明提供一种低毒性凝胶泡沫体系，该低毒性凝胶泡沫体系是向低毒性凝胶泡沫基液内导入气相形成；
34.所述低毒性凝胶泡沫基液是由以下质量份数组分制备而成：聚合物0.2～0.3份；交联剂0.015～0.025份；起泡剂0.2～0.3份；除氧剂0.04～0.06份；缓凝剂0.015～0.025份；水；以上原料总计100份；
35.所述起泡剂为烷基糖苷(apg-10)、自月桂酰胺丙基甜菜碱(lab-35)、十二烷基甜菜碱(bs-12)中的至少一种；
36.所述交联剂为柠檬酸铝交联剂；
37.所述气相为n2，且低毒性凝胶泡沫体系其泡沫质量为60％；
38.所述聚合物选自部分水解聚丙烯酰胺(hpam)、水溶性疏水缔合聚丙烯酰胺(app-4)、抗温阴离子聚丙烯酰胺(kypam-6s)中的至少一种；所述除氧剂为硫脲；所述缓凝剂选自木质磺酸钠、柠檬酸钠、酒石酸钠中的至少一种。
39.本发明提供一种低毒性凝胶泡沫体系的制备方法，该制备方法，包括以下步骤：
40.(a)按各组分的质量份数，分别将聚合物、交联剂、起泡剂、除氧剂、缓凝剂和水依次加入西林瓶中，并搅拌均匀，得到混合均匀的溶液；
41.(b)将混合均匀的溶液放置在恒温烘箱中，老化成胶，得到低毒性凝胶泡沫基液；
42.(c)采用泡沫评价装置，通过排液法将氮气通入泡沫评价装置后，采用进液泵将低毒性凝胶泡沫基液泵入至泡沫评价装置中，同时加热泡沫评价装置，使得泡沫评价装置内部溶液加热至70～90℃，并开启泡沫评价装置内部的搅拌机，调整转速至6000rpm，控制搅拌时间2min，即可得到低毒性凝胶泡沫体系。
43.通过通排液法可将氮气通入泡沫评价装置，使装置内充满氮气。
44.进一步地，所述的恒温烘箱温度为70℃～90℃，老化成胶时间为24h～48h。
45.泡沫评价装置，也叫泡沫发生装置(起泡装置)，是用于评价溶液的起泡能力、泡沫的稳定性及大小分布等性能的主要仪器，是油田开发技术领域内实验室常用设备。它依据模拟地层条件对体相状态条件下的泡沫进行评价，评价指标包括发泡体积、半衰期(泡沫体
积半衰期、析液半衰期)等。泡沫评价装置的结构主要包括泡沫发生器、加热模块和可视观察窗。泡沫发生器通常采用搅拌装置以使得注入气相与液相充分混合，从而产生泡沫；加热模块可用于模拟地层温度，加热模块通常利用加热套或加热管等结构进行加热；可视观察窗用于观察泡沫发生器中泡沫体积和泡沫形态。
46.本发明提供一种凝胶泡沫体系的在线监测方法，可用于监测凝胶泡沫体系的真实流度控制能力和渗流过程，该在线监测方法，包括以下步骤：
47.步骤s1、建立岩心模型：采用串联岩心，设定模拟油藏温度70℃，然后以1ml/min的流速向串联岩心注入模拟地层水，直至串联岩心尾端出液且驱替压力达到平稳，停止注入，记录平稳压力值δp1，并计算岩心的渗透率；
48.步骤s2、注入氮气凝胶泡沫：待模拟地层水驱替串联岩心稳定后，同时开启凝胶泡沫基液注入泵和高压氮气阀，以60％泡沫质量，0.5ml/min注入流速向岩心中注入凝胶泡沫体系，并分别记录串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化；
49.步骤s4、建立不同位移阶段处的压力变化曲线图：以注入pv数为横坐标，注入压力为纵坐标，绘制串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化曲线；
50.步骤s5、绘制阻力系数对比柱状图：计算不同注入pv数下，不同位移阶段点的阻力系数值，并以位移阶段为横坐标，阻力系数为纵坐标，绘制阻力系数对比柱状图。
51.进一步地，在步骤s4之前还包括步骤s6、步骤s7；
52.步骤s6：待入口端、1/4、1/2、3/4各处的注入压力稳定后，分别在1/4、1/2、3/4和串联岩心尾端取少量凝胶泡沫样品；
53.步骤s7：将经步骤s6采集凝胶泡沫样品迅速注入设有70℃加热套的可视观察装置中，设置显微镜配备的s-eye软件，对可视观察装置内部的凝胶泡沫进行拍摄，并记录凝胶泡沫微观图像。利用加热套对可视观察装置进行保温，降低观察过程中的热量流失，以保障拍摄凝胶泡沫时的凝胶泡沫的温度与模拟油藏温度相近。
54.本发明还提供一种可用于凝胶泡沫体系的在线监测的装置：
55.该在线监测装置包括串联岩心，该串联岩心设置在高温烘箱内，串联岩心入口端通过三通阀一与六通阀相连，六通阀处设有压力监测装置一以用以监测串联岩心入口端压力值p1，所述串联岩心的1/4、1/2、3/4处分别对应设有三通阀二、三通阀三、三通阀四；且，三通阀二、三通阀三、三通阀四一接口上分别设有压力监测装置二、压力监测装置三、压力监测装置四，以便于实时监测串联岩心的1/4、1/2、3/4处对应的压力值p2、p3、p4。
56.进一步地，三通阀一、三通阀二、三通阀三、三通阀四的另一接口均为采样口，且设有采样阀门，以便于采样观察凝胶泡沫。
57.进一步地，串联岩心右端与回压阀连通，回压阀输出端连接至尾液收集量筒。
58.本发明的有益效果：
59.(1)本发明采用柠檬酸铝为交联体系，并引入甜菜碱类表面活性剂或烷基糖苷(apg-10)作为绿的起泡剂；柠檬酸铝交联体系和甜菜碱类表面活性剂或烷基糖苷(apg-10)具有低毒性的优点，从而可制备了一种低毒性凝胶泡沫调剖剂；此外，凝胶泡沫的泡沫壁是聚合物与交联剂发生交联反应构成具有三维网状结构的泡沫骨架，使凝胶泡沫与普通泡沫相比具备较高的强度和稳定性；低毒性凝胶泡沫深部调控技术综合了凝胶与泡沫的双重优势，能封堵裂缝性大孔道、防止水窜、调整吸水剖面，是一种适用于强非均质地层的良
好选择性调剖剂；
60.(2)本发明提供一种凝胶泡沫体系的在线监测方法，通过建立岩心模型，在岩心模型上的不同位移阶段点设置多个压力监测点，根据不同监测点的监测情况绘制不同位移阶段处的压力变化曲线图和阻力系数对比柱状图，根据观察压力变化曲线图的曲线变化情况、曲线上的压力突变位置，以及阻力系数对比柱状图中，同一注入pv数下，不同位移阶段点间的阻力系数的比较情况，分析成胶和运移情况，同时，压力变化曲线图呈现锯齿状的曲线可凸显了凝胶泡沫不断发生的起泡、破裂、再起泡、再破裂状态，从而本方案能实现在线监测凝胶泡沫起泡、破裂、运移和成胶的四种状态，从而真实建立凝胶泡沫体系的真实流度控制能力和渗流过程；该方法弥补了现有技术无法建立凝胶泡沫体系阻力系数的不足，能够真实的反应凝胶泡沫体系流度控制能力；且本方案也为凝胶泡沫体系性的深入研究提供了安全，真实且简单的研究手段。
附图说明
61.图1为本发明实施例1制备的凝胶泡沫壁esem图；
62.图2为不同温度下凝胶泡沫的性能图；
63.图3为不同矿化度下凝胶泡沫的性能；
64.图4为不同含有饱和度下凝胶泡沫的性能；
65.图5为低毒性凝胶泡沫体系的微观衰变行为；
66.图6为在线监测凝胶泡沫驱替装置；
67.图7为不同位移阶段处的压力变化曲线图；
68.图8为阻力系数对比柱状图；
69.图9为岩心驱替时不同取样点处凝胶泡沫微观图；
70.图10为不同渗透率级差下低毒性凝胶泡沫体系的调剖性能图；
71.图11为一个测压点凝胶泡沫压力变化曲线(常规方法)；
72.其中，1、高温烘箱；2、压力监测装置二；3、压力监测装置三；4、压力监测装置四；5、压力监测装置一；6、六通阀；7、三通阀一；8、串联岩心；9、尾液收集量筒；10、回压阀；12、三通阀二；13、三通阀三；14、三通阀四。
具体实施方式
73.实施例1
74.本实施例提供一种低毒性凝胶泡沫体系，其中，该体系包括质量分数为0.2％的聚合物溶液，0.02％的交联剂，0.3％的起泡剂，0.03％除氧剂，0.02％的缓凝剂，其余为水；
75.其中，聚合物为抗温阴离子聚丙烯酰胺(kypam-6s)，起泡剂为月桂酰胺丙基甜菜碱(lab-35)，除氧剂为硫脲，缓凝剂为木质磺酸钠，交联剂为柠檬酸铝交联剂。
76.上述一种低毒性凝胶泡沫体系是通过以下制备方法制备，该方法包括：
77.步骤一：首先，量取50ml浓度为4000mg/l聚合物溶液，10ml浓度为2000mg/l的柠檬酸铝交联剂溶液，15ml浓度20000mg/l的起泡剂溶液，10ml浓度3000mg/l的除氧剂溶液，10ml浓度2000mg/l的缓凝剂溶液，以及适量实验用水，使上述物质共计100g；
78.步骤二：然后，依次将聚合物、交联剂、起泡剂、除氧剂、缓凝剂和水加入西林瓶中，
室温搅拌20min后得到总质量为100g的低毒性凝胶泡沫基液；
79.步骤三：将配制好的低毒性凝胶泡沫基液置于70℃的恒温烘箱中，老化成胶24h；
80.步骤四：通过排液法的方式将氮气通入泡沫评价装置后，采用进液泵将凝胶泡沫基液全部泵入至泡沫评价装置中；同时开启加热模块，将评价装置内部溶液加热至70℃；开启搅拌机调速开关，调整转速至6000rpm，搅拌时间2min，即可得凝胶泡沫体系。
81.进一步地，本实施例中，柠檬酸铝交联剂采用以下制备步骤制备：称取7.16g六水氯化铝，按一定摩尔比称取一定量的一水柠檬酸3.12g(柠檬酸:氯化铝＝0.5:1)，分别用一定量水溶解；在搅拌下将柠檬酸逐滴加入氯化铝溶液中，再加实验用水至100ml(铝的有效含量为0.8％)；在70℃下反应3h；停止加热，冷却到50℃，用氨水调ph值至5～7；在室温下老化8h，稀释为铝的有效含量为0.2％。
82.本方案制备的凝胶泡沫体系微观esem图如图1所示。
83.实施例2
84.本实施例提供了一种低毒性凝胶泡沫体系，该体系包括质量分数为0.25％的聚合物溶液，0.02％的交联剂，0.3％的起泡剂，0.03％除氧剂，0.02％的缓凝剂，其余为水；
85.其中，聚合物为部分水解聚丙烯酰胺(hpam)，起泡剂为烷基糖苷(apg-10)，除氧剂为硫脲，缓凝剂为柠檬酸钠，交联剂为柠檬酸铝交联剂。
86.本实施例一种低毒性凝胶泡沫体系是通过以下制备方法制备得到，该制备方法包括：
87.步骤一：首先，量取50ml浓度为5000mg/l的部分水解聚丙烯酰胺(hpam)溶液，10ml浓度为2000mg/l的柠檬酸铝交联剂，15ml浓度20000mg/l的烷基糖苷(apg-10)溶液，10ml浓度3000mg/l的硫脲溶液，10ml浓度2000mg/l的柠檬酸钠溶液，以及适量实验用水，使上述物质共计100g；
88.步骤二：然后，依次将hpam溶液、柠檬酸铝交联剂、apg-10溶液、硫脲溶液、柠檬酸钠溶液和水加入西林瓶中，室温搅拌20min后得到总质量为100g的低毒性凝胶泡沫基液；
89.步骤三：将配制好的低毒性凝胶泡沫基液置于80℃的恒温烘箱中，老化成胶36h；
90.步骤四：通过排液法的方式将氮气通入泡沫评价装置后，采用进液泵将凝胶泡沫基液全部泵入至泡沫评价装置中；同时开启加热模块，将泡沫评价装置内部溶液加热至80℃；开启搅拌机调速开关，调整转速至6000rpm，搅拌时间2min，即可得凝胶泡沫体系。
91.实施例3
92.一种低毒性凝胶泡沫体系的制备方法，包括以下步骤：
93.步骤一：量取50ml聚合物溶液(app-4，浓度6000mg/l)，10ml浓度为2000mg/l的柠檬酸铝交联剂溶液，15ml起泡剂溶液(bs-12，浓度20000mg/l)，10ml除氧剂溶液(硫脲，浓度3000mg/l)，10ml缓凝剂溶液(酒石酸钠，浓度2000mg/l)，以及适量实验用水，使上述物质共计100g；
94.步骤二：依次将聚合物、交联剂、起泡剂、除氧剂、缓凝剂和水加入西林瓶中，室温搅拌20min后得到总质量为100g的低毒性凝胶泡沫基液；
95.步骤三：将配制好的低毒性凝胶泡沫基液置于90℃的恒温烘箱中，老化成胶48h；
96.步骤四：通过排液法的方式将氮气通入泡沫评价装置后，采用进液泵将凝胶泡沫基液全部泵入至泡沫评价装置中；同时开启加热模块，将泡沫评价装置内部溶液加热至90
℃；开启搅拌机调速开关，调整转速至6000rpm，搅拌时间2min，即可得凝胶泡沫体系。
97.实施例4
98.流度控制能力表示泡沫在地层中建立阻力系数和残余助力系数的能力；对于常规的泡沫体系而言，开始注入便能在地层中建立一定的阻力系数；而对于凝胶泡沫体系来说，凝胶泡沫注入地层后需要关井老化成胶，成胶后只能测得凝胶泡沫的残余阻力系数而没有测定阻力系数，这并不能真实的反应凝胶泡沫体系的流度控制能力和渗流过程。然而，凝胶泡沫在注入地层时，起泡、破裂、运移和成胶是同时发生的；因此本实施例提出在线监测凝胶泡沫起泡、破裂、运移和成胶的四种状态的方法，即一种低毒性凝胶泡沫体系的在线监测方法，可用于在线监测实施例1一种低毒性凝胶泡沫体系的真实流度控制能力和渗流过程。
99.一种低毒性凝胶泡沫体系的在线监测方法，用以在线实施例1制备低毒性凝胶泡沫体系，该方法包括以下步骤：
100.步骤a、建立岩心模型：采用串联岩心，串联岩心长度为60cm，设定模拟油藏温度70℃，然后以1ml/min的流速向串联岩心注入模拟地层水，直至串联岩心尾端出液且驱替压力达到平稳，记录平稳压力值δp1为0.02mpa，并计算岩心的渗透率k1为1000md；
101.步骤b、注入氮气凝胶泡沫：待模拟地层水驱替串联岩心稳定后，同时开启凝胶泡沫基液注入泵和高压氮气阀，以60％泡沫质量，0.5ml/min注入流速向岩心中注入实施例1所制备的低毒性凝胶泡沫体系，并分别记录串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化；
102.步骤c、建立不同位移阶段处的压力变化曲线图：即以注入pv数为横坐标，注入压力为纵坐标，绘制串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化曲线图如图7所示，串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化分别对应图7中的入口处压力曲线、1/4处压力曲线、1/2处压力曲线、3/4处压力曲线；
103.步骤d、绘制阻力系数对比柱状图：计算不同注入pv数下，不同位移阶段点的阻力系数值，并以位移阶段为横坐标，阻力系数为纵坐标，绘制阻力系数对比柱状图。
104.进一步地，本实施例中，在步骤c之前还包括步骤e、步骤f；
105.步骤e：待入口端、1/4、1/2、3/4各处的注入压力稳定后，分别在1/4、1/2、3/4处和串联岩心尾端取少量凝胶泡沫样品；
106.步骤f：将经步骤e采集凝胶泡沫样品迅速注入带加热套(70℃)可视观察装置中，设置显微镜配备的s-eye软件，对可视观察装置内部的凝胶泡沫进行拍摄，并记录得到凝胶泡沫微观图像图9。
107.本实施例采用串联岩心，凝胶泡沫以小流量的注入方式，并对岩心模型设置不同的压力测试点，分别测量串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化。同时对应设置不同的采样点，用于观察凝胶泡沫的稳定状态和运移情况。实例考察了凝胶泡沫在注入过程中的渗流行为，且在线监测的手段能够更真实的反应凝胶泡沫在地层中不同位移阶段的流度控制能力和封堵能力。
108.阻力系数(rf)表示降低流度比的能力，通过水的流度和凝胶泡沫的流度的比值来计算rf；
109.阻力系数(rf)计算公式见式1，式中，qw为水驱注入流速(ml/min)、qf为泡沫驱注入流速(ml/min)；δpw为水驱相对稳定压力(mpa)、δpf为泡沫驱阶段相对稳定压力(mpa)；
[0110][0111]
封堵能力：封堵率(s)的大小能够直接反映凝胶泡沫体系的封堵能力，是评价其性能好坏的重要指标之一；s计算公式见式2，式中，k1,k2分别为注入调堵剂前后多孔介质的渗透率，md；
[0112][0113]
串联岩心注入凝胶泡沫各测压点的压力曲线如图7所示；根据式1可以计算出凝胶泡沫在不同位移阶段建立的阻力系数，然后绘制得到阻力系数对比柱状图如图8所示。
[0114]
图7中，入口端压力逐渐上升并趋于稳定，此时的凝胶泡沫未达到成胶时间；从图7、图8可看出，当注入量大于11pv时，3/4处的压力逐渐上升，并表现为突然加速上升，表明最初注入到岩心中，并移动至3/4处的凝胶泡沫已成胶，形成较强的封堵能力，标记此处的pv数为pva。
[0115]
当注入量为18pv时，1/2处的压力逐渐上升，并表现为突然的加速上升，表明1/2处的凝胶泡沫已成胶，标记此处的pv数为pvb。当凝胶泡沫在岩心尾端建立了较大的阻力系数时，将会造成凝胶泡沫的注入困难，注入端的压力将逐渐增加，此时停止注入。
[0116]
从图8中还可看出，在注入数为15pv的这一时刻，1/4处阻力系数＞1/2处阻力系数＜3/4处阻力系数；表明在此时前3/4处已成胶，而在注入数为10pv的这一时刻，1/4处阻力系数＞1/2处阻力系数＞3/4处阻力系数，表明此时3/4处明显未成胶；从而表明在从10pv持续注入到15pv的过程中，前期注入的凝胶泡沫在3/4处成胶，进而进一步可佐证注入数pva为11pv时凝胶泡沫开始成胶。
[0117]
由于注入过程中1/4处靠近入口端，受到注入压力的影响较大，且由于后续注入困难，停止注入时1/4处可能还未成胶，因此1/4处的压力变化曲线上无法观察到压力突然加速上升的压力突变处。
[0118]
如图8所示，随着注入量的增加，入口处的凝胶泡沫能够建立较强的阻力系数，但此时的阻力系数并不属于凝胶泡沫体系，而是未成胶聚合物泡沫的阻力系数；从图7、图8中观察可知，只有当凝胶泡沫注入到3/4处，并产生压力突增时，凝胶泡沫此时已成胶，压力逐渐增加，即对应注入pv数为pva时，3/4处为最先监测到的成胶位置，3/4处凝胶泡沫体系的阻力系数逐渐上升。
[0119]
此外，当凝胶泡沫在岩心尾端建立了较大的阻力系数，并停止注入凝胶泡沫后，根据式2可以计算得到凝胶泡沫在均质岩心不同位移阶段的封堵率；结果如表1所示，入口端、1/4、1/2和3/4处的封堵率分别为99.56％、99.37％、98.78％和99.36％，表明凝胶泡沫在1/2和3/4处起到有效的封堵。
[0120]
由于地层孔隙剪切稀释的作用，常规的泡沫体系一般只能在入口处和1/4处建立较强的阻力系数，无法在1/2和3/4处建立较强的阻力系数。而凝胶泡沫体系则能在整个位移阶段建立较强的阻力系数，这表明了凝胶泡沫具有较强的封堵能力，同时也起到了深部调剖的作用，可以防止强非均质地层局部水窜。
[0121]
岩心驱替时不同取样点处凝胶泡沫微观见图9，在岩心中生成的凝胶泡沫与泡沫评价装置中剪切成的凝胶泡沫相似，初始时刻的泡沫形态细腻，气泡尺寸较小。随着凝胶泡
沫向多孔介质深部运移，气泡个数减少，尺寸逐渐变大。泡沫是一种非牛顿流体，具有剪切稀释性，由于多孔介质的剪切应力较强，容易导致气泡的破裂，使承受剪切作用的气泡的数量大幅减少，泡沫流体的粘度降低，因此多孔介质的剪切作用是影响凝胶泡沫封堵率的原因之一，这也是常规泡沫无法在1/2和3/4处建立较强的阻力系数的原因。而凝胶泡沫体系不同，虽然地层孔隙的剪切稀释使得凝胶泡沫气泡个数减少，尺寸逐渐变大。但凝胶泡沫成胶后依然可以建立较强的阻力系数，可以对高渗地层进行有效的封堵，而本方案正是提出一种在线监测方法，能通过绘制压力变化曲线图、阻力系数对比柱状图，以及对凝胶泡沫取样样品的微观观察，在线监测凝胶泡沫起泡、破裂、运移和成胶的四种状态，并建立凝胶泡沫体系的真实流度控制能力和渗流过程，弥补了现有技术无法建立凝胶泡沫体系真实阻力系数，反应流度控制能力的现状，且本方案也为凝胶泡沫体系性的深入研究提供了安全，真实且简单的研究手段。
[0122]
表1凝胶泡沫在均质岩心不同位移阶段的封堵率
[0123][0124]
实施例5
[0125]
本实施例提供一种可用于凝胶泡沫体系的在线监测的装置，可用于实施实施例4的监测方法：
[0126]
如图6所示，该在线监测装置包括串联岩心8，该串联岩心8设置在高温烘箱1内，串联岩心8入口端通过三通阀一7与六通阀6相连，六通阀6处设有压力监测装置一5以用以监测串联岩心8入口端压力值p1，所述串联岩心8的1/4、1/2、3/4处分别对应设有三通阀二12、三通阀三13、三通阀四14；且三通阀二12、三通阀三13、三通阀四14一接口上分别设有压力监测装置二2、压力监测装置三3、压力监测装置四4，以便于监测串联岩心8的1/4、1/2、3/4处对应的压力值p2、p3、p4。
[0127]
进一步地，三通阀一7、三通阀二12、三通阀三13、三通阀四14的另一接口均为采样口，且设有采样阀门，以便于采样观察凝胶泡沫。
[0128]
进一步地，串联岩心8右端与回压阀10连通，回压阀10输出端连接至尾液收集量筒9；
[0129]
进行监测实验时的具体操作步骤包括：
[0130]
步骤a、建立岩心模型：采用60cm长的串联岩心8，设定高温烘箱1的温度为70℃，以模拟油藏温度，然后以1ml/min的流速向串联岩心8注入模拟地层水，直至串联岩心8尾端收集量筒11处的出液，且驱替压力达到平稳，记录平稳压力值δp1，并计算岩心的渗透率；
[0131]
步骤b、注入氮气凝胶泡沫：待模拟地层水驱替串联岩心8稳定后，同时开启凝胶泡沫基液注入泵和高压氮气阀，以60％泡沫质量，0.5ml/min注入流速从六通阀6向串联岩心8中注入实施例1所制备的低毒性凝胶泡沫体系，并分别记录串联岩心8入口端、1/4、1/2、3/4
处的压力变化，即压力监测装置一5、压力监测装置二2、压力监测装置三3、压力监测装置四4的压力变化；
[0132]
步骤c、建立不同位移阶段处的压力变化曲线图：即以注入pv数为横坐标，注入压力为纵坐标，绘制串联岩心8入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化曲线图图7，即p1、p2、p3、p4分别对应图7中的入口处压力曲线、1/4处压力曲线、1/2处压力曲线、3/4处压力曲线；
[0133]
步骤d、绘制阻力系数对比柱状图：计算不同注入pv数下，不同位移阶段点的阻力系数值，并以位移阶段为横坐标，阻力系数为纵坐标，绘制阻力系数对比柱状图图8。
[0134]
进一步地，本实施例中，在步骤c之前还包括步骤e、步骤f；
[0135]
步骤e：待入口端、1/4、1/2、3/4各处的注入压力稳定后，分别在1/4、1/2、3/4和出口端，即在三通阀二12、三通阀三13、三通阀四14各处的取样阀门处，和回压阀10输出端分别取少量凝胶泡沫样品；
[0136]
步骤f：将经步骤e采集凝胶泡沫样品迅速注入带加热套(70℃)可视观察装置中，设置显微镜配备的s-eye软件，对可视观察装置内部的凝胶泡沫进行拍摄，并记录得到凝胶泡沫微观图像如图9所示。
[0137]
实验例1：低毒性凝胶泡沫体系的泡沫性能
[0138]
a.耐温性
[0139]
探究凝胶泡沫在不同温度下的泡沫性能，将实施例1制备的凝胶泡沫基液置于泡沫评价装置中，开启泡沫评价装置的加热模块，将评价装置内部溶液分别加热至60℃、70℃、80℃、90℃、100℃后。在转速6000rpm下搅拌2min后，记录凝胶泡沫在不同温度下的起泡体积v、泡沫半衰期t
1/2
和析液半衰期t
1/2
。每组泡沫性能评价实验重复3次，无异常值时取平均值。
[0140]
不同温度下凝胶泡沫的性能如图2所示，当温度从60℃升至100℃时，起泡体积随着温度的增加而增大，泡沫半衰期(t
1/2
)和析液半衰期(t
1/2
)则是随着温度的升高而降低。由此可见，凝胶泡沫体系的起泡效果表现出一定的高温促进性，但高温破坏凝胶泡沫的稳定性。
[0141]
b.耐盐性
[0142]
探究凝胶泡沫在不同矿化度下的泡沫性能，设置泡沫基液的矿化度分别为0、5
×
104mg/l、10
×
104mg/l、15
×
104mg/l、20
×
104mg/l。不同矿化度的模拟地层水分别由nacl、cacl2、mgcl2·
6h2o配制而成，离子组成见表2。将实施例1制备的凝胶泡沫基液置于泡沫评价装置中，开启加热模块，在转速6000rpm下搅拌2min后，记录凝胶泡沫在不同温度下的起泡体积v、泡沫半衰期t
1/2
和析液半衰期t
1/2
。每组泡沫性能评价实验重复3次，无异常值时取平均值。
[0143]
矿化度对凝胶泡沫的起泡体积和半衰期的影响变化规律如图3所示。随着含盐量的增加，起泡体积逐渐降低，t
1/2
和t
1/2
都呈现先增加后降低的趋势。说明矿化度对凝胶泡沫影响是低浓度促进，高浓度抑制的规律。
[0144]
表2不同矿化度模拟地层水的离子组成
[0145]
矿化度(104mg/l)nacl(g/l)cacl2(g/l)mgcl2·
6h2o(g/l)18.1310.2770.835540.6551.3854.175
1081.312.778.3515121.9654.15512.52520162.625.5416.7
[0146]
c.耐油性
[0147]
探究凝胶泡沫在不同含油量下的泡沫性能，按照实施例1制备的凝胶泡沫基液，分别加入含油量为0、5％、10％、15％、20％、30％的原油。并置于泡沫评价装置中，开启加热模块。在转速6000rpm下搅拌2min后，记录凝胶泡沫在不同温度下的起泡体积v、泡沫半衰期t
1/2
和析液半衰期t
1/2
。每组泡沫性能评价实验重复3次，无异常值时取平均值。
[0148]
不同含油饱和度下凝胶泡沫性能如图4所示。实验结果表明，随着含油饱和度的增加，泡沫起泡体积先增加后减小；在原油含量小于10％范围内，凝胶泡沫的起泡体积有小幅度的增加且与无油的情况下相近。随着含油饱和度的增加，凝胶泡沫的稳定性则呈现出先增大后减小的趋势，在含油量小于10％范围内表现出较高的稳泡性能。由此可见，在一定的含油范围内，凝胶泡沫能够将原油反转为稳泡行为。
[0149]
实验例2：低毒性凝胶泡沫体系的微观衰变行为
[0150]
基于凝胶泡沫的破裂行为(气泡粗化为主)，按照实施例1制备凝胶泡沫。将凝胶泡沫迅速注入带加热套可视观察装置中，利用工业显微镜观察凝胶泡沫气泡衰变情况随时间变化。每隔1min对可视观察装置内部的凝胶泡沫进行拍摄，并记录泡沫微观图像。同时带加热套可视观察装置恒温70℃，降低观察过程中的热量流失。本节通过显微镜记录二维泡沫形态变化(可部分排除重力析液的影响)，然后对泡沫照片进行图像分析定量研究泡沫演化规律，实验结果如图5所示。
[0151]
实验例3：低毒性凝胶泡沫体系的流度控制能力(常规方法)
[0152]
具体实验步骤：
[0153]
1)水驱：以1ml/min的流速向岩心模型注入模拟地层水，直至模型入口注入压力稳定，停止水驱；
[0154]
2)注入氮气凝胶泡沫：在出口端处的回压阀加压1mpa，然后以1ml/min的流速向岩心中注入0.5pv氮气凝胶泡沫(泡沫质量为60％)，记录岩心驱替压力及出口端出液情况。
[0155]
3)将岩心模型置于70℃烘箱48h后，以1ml/min的注入流速进行后续水驱，记录岩心驱替压力及出口端出液情况，计算封堵率。
[0156]
使用制备的凝胶泡沫对岩心模型进行封堵实验，实验过程中的压差变化如图11所示。由图可知，在凝胶泡沫注入阶段，压力逐渐增大，说明凝胶泡沫体系的生成。48h后泡沫在岩心内部形成凝胶泡沫，再次进行水驱，发现二次水驱的注入压力相比第一次水驱均大幅增加，说明凝胶泡沫对岩心起到了有效封堵。随着注入水量的增加，凝胶泡沫不断往岩心深处运移，注入压力呈现阶梯下降的趋势。凝胶泡沫在岩心中呈现出破裂与再生的动态变化，驱体压力逐渐下降，突破后维持在一个较为稳定的水平。此时计算得到凝胶泡沫的封堵率为99.14％，说明凝胶泡沫体系稳定性较好，实际压力作用在整个凝胶泡沫阻挡层上，流动阻力较大，封堵效果较好。
[0157]
表3低毒性凝胶泡沫的封堵率
[0158]
序号k1/md孔隙度/％气液比注入压力/mpak2/md封堵率/％1100037.32:11.4518.699.14
[0159]
本实验例是用于评价凝胶泡沫在地层中老化成胶后的封堵效果的常规方式，然而，凝胶泡沫在注入地层时，凝胶泡沫起泡、破裂、运移和成胶是同时发生的。因此这种评价方式并不能真实的反应凝胶泡沫在地层中的度控制能力和渗流情况，同时这种评价手段也不能反应出凝胶泡沫具有深部调剖的效果。
[0160]
实验例4：低毒性凝胶泡沫体系的调剖性能
[0161]
具体实验过程：a)称量岩心干重m0，装入岩心夹持器中，给岩心加围压至7mpa；b)以1ml/min的流速向岩心注入地层水，直至岩心尾端出液且驱替压力达到平稳，记录平稳压力值δp2，并计算岩心的渗透率；取出岩心称量湿重m1，并计算岩心孔隙体积。设计渗透率级差条件为25、50、75、100，选择满足条件的两根岩心为一组，共四组；c)用模拟地层水驱替岩心，设定注入流速为1ml/min，记录并联岩心分流量变化；d)待模拟地层水驱替并联岩心稳定后，开启高压氮气阀，以60％泡沫质量，0.5ml/min注入流速向岩心中注入凝胶泡沫体系，记录并联岩心分流量，待注入体积达并联岩心总孔隙体积的0.5pv时停泵，并将其置于70℃烘箱中老化48h；e)将老化后的岩心取出进行后续水驱，水驱速度为1ml/min，记录岩心分流量变化情况。
[0162]
不同渗透率级差的并联岩心高低渗分流率随注入体积变化趋势如图10所示。可以看出，在渗透率级差范围为25～50时，低毒性凝胶泡沫体系改善非均质性能力较强，大部分凝胶泡沫进入到高渗岩心，成胶后对高渗建立较高的渗流阻力。说明此时高渗岩心被凝胶泡沫封堵，大部分液流从低渗岩心通过，发生液流转向现象。在渗透率级差范围为75～100时，低毒性凝胶泡沫体系改善非均质性能力随级差增大而减小，说明此时凝胶泡沫在高渗岩心建立的阻力不足以充分启动低渗岩心的流体。
[0163]
需说明的是，本发明的在线监测方法中，还可设置更多的位移阶段点，例如，在入口端、1/5、2/5、3/5、4/5处分别设置压力监测点和取样点；可对凝胶泡沫在2/5、3/5、4/5处运移和成胶的情况实现在线的监测，且设置的压力监测点越多，越有利于得到多个监测点的成胶和运移的动态情况，以便于更细节的反映凝胶泡沫体系的真实流度控制能力和渗流情况。
[0164]
本发明的在线监测方法除了可用于本发明提出的低毒性凝胶泡沫体系外，也可用于其他现有的凝胶泡沫体系的在线监测，对其真实流度控制能力和渗流情况进行在线监测。
[0165]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

技术特征：

1.一种低毒性凝胶泡沫体系，该低毒性凝胶泡沫体系是向低毒性凝胶泡沫基液内导入气相形成，其特征在于：所述低毒性凝胶泡沫基液是由以下质量份数组分制备而成：聚合物0.2～0.3份；交联剂0.015～0.025份；起泡剂0.2～0.3份；除氧剂0.04～0.06份；缓凝剂0.015～0.025份；水；以上原料总计100份；所述起泡剂为烷基糖苷(apg-10)或甜菜碱类起泡剂；所述交联剂为柠檬酸铝交联剂。2.根据权利要求1所述的低毒性凝胶泡沫体系，其特征在于，所述的气相为n2，且低毒性凝胶泡沫体系其泡沫质量为60％。3.根据权利要求2所述的低毒性凝胶泡沫体系，其特征在于，所述的聚合物选自部分水解聚丙烯酰胺(hpam)、水溶性疏水缔合聚丙烯酰胺(app-4)、抗温阴离子聚丙烯酰胺(kypam-6s)中的至少一种。4.根据权利要求3所述的低毒性凝胶泡沫体系，其特征在于，所述的甜菜碱类起泡剂选自月桂酰胺丙基甜菜碱(lab-35)、十二烷基甜菜碱(bs-12)中的至少一种。5.根据权利要求4所述的低毒性凝胶泡沫体系，其特征在于，所述的除氧剂为硫脲。6.根据权利要求5所述的低毒性凝胶泡沫体系，其特征在于，所述的缓凝剂选自木质磺酸钠、柠檬酸钠、酒石酸钠中的至少一种。7.一种用于制备权利要求1至6任一项所述的低毒性凝胶泡沫体系的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按各组分的质量份数，分别将聚合物、交联剂、起泡剂、除氧剂、缓凝剂和水依次加入西林瓶中，并搅拌均匀，得到混合均匀的溶液；(2)将混合均匀的溶液放置在恒温烘箱中，老化成胶，得到低毒性凝胶泡沫基液；(3)将n2通入泡沫评价装置，然后将低毒性凝胶泡沫基液泵入泡沫评价装置内，加热泡沫评价装置至70～90℃温度，并通过搅拌机搅拌一定时间，即可得到低毒性凝胶泡沫体系。8.根据权利要求7所述的制备方法特征在于，所述的恒温烘箱温度为70℃～90℃，老化成胶时间为24h～48h。9.一种凝胶泡沫体系的在线监测方法，可用于监测权利要求1～6任一项所述的低毒性凝胶泡沫体系的真实流度控制能力和渗流过程，其特征在于，包括以下步骤：步骤a、建立岩心模型：采用串联岩心，设定模拟油藏温度，然后以1ml/min的流速向串联岩心注入模拟地层水，直至串联岩心尾端出液且驱替压力达到平稳，记录平稳压力值δp1，并计算岩心的渗透率；步骤b、注入氮气凝胶泡沫：待模拟地层水驱替串联岩心稳定后，同时开启凝胶泡沫基液注入泵和高压氮气阀，以60％泡沫质量，0.5ml/min注入流速向岩心中注入凝胶泡沫体系，并分别记录串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化；
步骤c、建立不同位移阶段处的压力变化曲线图：即以注入pv数为横坐标，注入压力为纵坐标，绘制串联岩心入口端、1/4、1/2、3/4处的压力变化曲线；步骤d、绘制阻力系数对比柱状图：计算不同注入pv数下，不同位移阶段点的阻力系数值，并以位移阶段为横坐标，阻力系数为纵坐标，绘制阻力系数对比柱状图。10.根据权利要求9所述的一种凝胶泡沫体系的在线监测方法，其特征在于，在步骤c之前还包括步骤e、步骤f；步骤e：待入口端、1/4、1/2、3/4各处的注入压力稳定后，分别在1/4、1/2、3/4处和串联岩心尾端取少量凝胶泡沫样品；步骤f：将经步骤e采集凝胶泡沫样品迅速注入设有70℃加热套的可视观察装置中，设置显微镜配备的s-eye软件，对可视观察装置内部的凝胶泡沫进行拍摄，并记录凝胶泡沫微观图像。

技术总结

本发明涉及一种低毒性凝胶泡沫体系及其制备方法以及其在线监测方法；该低毒性凝胶泡沫体系是向低毒性凝胶泡沫基液内导入气相形成，其特征在于：所述低毒性凝胶泡沫基液是由以下质量份数组分制备而成：聚合物0.2～0.3份；交联剂0.015～0.025份；起泡剂0.2～0.3份；除氧剂0.04～0.06份；缓凝剂0.015～0.025份；水；以上原料总计100份；起泡剂为烷基糖苷(APG-10)或甜菜碱类起泡剂；交联剂为柠檬酸铝交联剂。本发明提供了一种能适用于强非均质地层的低毒性凝胶泡沫调剖剂，并提供一种低毒性凝胶泡沫体系及其制备方法以及其在线监测方法，能反映出凝胶泡沫体系的真实流度控制能力和渗流过程。和渗流过程。和渗流过程。