李東旭, 侯吉瑞, 趙鳳蘭, 孫麗麗, 王愛(ài)華

(中國(guó)石油大學(xué)(北京),北京102249)

預(yù)交聯(lián)顆粒調(diào)堵性能及粒徑與孔隙匹配研究

李東旭, 侯吉瑞, 趙鳳蘭, 孫麗麗, 王愛(ài)華

(中國(guó)石油大學(xué)(北京),北京102249)

針對(duì)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒進(jìn)行了注入性實(shí)驗(yàn)和調(diào)剖效果實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒很難注入模擬儲(chǔ)層的填砂管內(nèi),一般是堆積在管線內(nèi)或堆積在填砂管的前端形成濾餅,只有少量細(xì)小的顆粒進(jìn)入填砂管內(nèi),然而進(jìn)入填砂管內(nèi)的預(yù)交聯(lián)顆粒的運(yùn)移距離不超過(guò)20 cm,難以形成深度調(diào)剖作用。從調(diào)剖實(shí)驗(yàn)中可以觀察到預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒具有一定的選擇性注入功能。調(diào)剖實(shí)施初期低滲透層的分流率略有增加,增加幅度不到2%,增加效果并不明顯。經(jīng)過(guò)較大PV倍數(shù)的水驅(qū)之后,由于高滲透層位容易被突破,低滲透層位分流率相比于調(diào)剖作業(yè)之前下降,因此預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒具有污染低滲透層的缺點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算分析,目前選用的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒直徑相對(duì)于巖心孔喉都偏大,從理論上看,不具備進(jìn)入填砂管深部的條件,現(xiàn)有的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒很難滿(mǎn)足深部調(diào)驅(qū)的要求。

預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒; 調(diào)剖堵水; 粒徑; 孔隙尺寸

我國(guó)的很多油田已經(jīng)進(jìn)入到高含水生產(chǎn)期或特高含水期,油田生產(chǎn)井產(chǎn)水率已經(jīng)達(dá)到了80%甚至是90%以上。油田注入水很多已經(jīng)形成低效或無(wú)效循環(huán),這樣不僅降低了油田生產(chǎn)效率,而且減少了我國(guó)戰(zhàn)略能源石油產(chǎn)量,影響了國(guó)家能源安全。為此,實(shí)施有效的堵水調(diào)剖作業(yè)是保證國(guó)家能源安全的重要措施。堵水調(diào)剖技術(shù)作為提高注水開(kāi)發(fā)效率、實(shí)現(xiàn)油藏穩(wěn)油控水的的重要措施,一直受到很高的關(guān)注[1-2]。預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒是近些年提出的一種新型耐高溫、抗鹽的堵水調(diào)剖作業(yè)用劑[3-4]。本文對(duì)預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的注入性能和調(diào)剖性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

1 預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒運(yùn)移特征研究

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

該實(shí)驗(yàn)所用預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒由勝利油田提供,該種預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒由交聯(lián)體系地面交聯(lián)形成凝膠,然后經(jīng)過(guò)造粒、烘干、粉碎、篩分等工藝過(guò)程制備。在本實(shí)驗(yàn)中使用3種預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒,粒徑范圍分別為:150～160目、120～130目以及100～110目。預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒在水中以分散的球狀微粒存在。通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)觀察,其在高溫、高礦化度條件下仍具有一定的體膨性。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M地層溫度為80℃,模擬地層水礦化度為19 334 mg/L。

本實(shí)驗(yàn)采用1 m長(zhǎng)填砂管作為注實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?填砂管沿程有4個(gè)測(cè)壓點(diǎn),入口有一測(cè)壓點(diǎn),一共5個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)記錄和監(jiān)測(cè)沿程壓力分布,確定不同粒徑的預(yù)交聯(lián)顆粒,在不同滲透率條件下,預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的運(yùn)移特性及封堵特性。實(shí)驗(yàn)中主要儀器包括B20型雙聯(lián)恒溫箱、H100型恒壓恒速泵(流量精度≤0.3%)、A10型填砂管,以上設(shè)備均由江蘇海安公司制備,壓力測(cè)試裝置采用昆侖海岸公司生產(chǎn)的精密壓力傳感器(精度為± 0.25%)。

1.2 預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒運(yùn)移特征

在本實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕系?個(gè)測(cè)驗(yàn)點(diǎn)將模型平均分為5段,當(dāng)該段的測(cè)壓點(diǎn)壓力升起時(shí),則說(shuō)明預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒運(yùn)移到該段,并且對(duì)該段有一定的封堵效果。實(shí)驗(yàn)中使用的模型采用60目石英砂填充,滲透率等級(jí)為Ⅱ級(jí)。注入的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒為150目,壓力變化見(jiàn)圖1。

Fig.1 Pressure record during inject pre-crosslinked gel particles into sand model圖1 砂巖模型注入預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒壓力變化

從圖1可見(jiàn):①這種預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒沒(méi)有達(dá)到理想的遠(yuǎn)距離運(yùn)移的效果:在注入比較小PV時(shí),除入口外所有測(cè)壓點(diǎn)均未有明顯的壓力顯示;當(dāng)注入1.0PV時(shí)第一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)才有壓力產(chǎn)生,說(shuō)明注入的顆粒多數(shù)堆積在填砂管的前段,沒(méi)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)移,更不用說(shuō)實(shí)現(xiàn)理想的深度調(diào)剖作用。②在注入過(guò)程中沒(méi)有穩(wěn)定壓力,沒(méi)有順利注入的情況。

1.3 預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒封堵性能

堵水調(diào)剖劑評(píng)價(jià)指標(biāo)有以下幾種[5]:

(1)水相殘余阻力系數(shù)(Frrw):指堵水前后水相滲透率的比值,計(jì)算式為

式中:Kwa指處理前的水相滲透率;Kwb指處理后的水相滲透率。

(2)堵水率(E):指堵劑降低巖心滲透率的程度,表達(dá)式為

(3)突破壓力(Po):注水突破封堵段塞的臨界壓力。

使用不同目數(shù)預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒封堵不同填砂管的封堵指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 封堵評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)Table 1 The parameters of water shutoff

在表1中可以看到:(1)在相同注入介質(zhì)中,注入相同目數(shù)的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒,殘余阻力系數(shù),堵水率,突破壓力等參數(shù)隨著注入PV數(shù)的增加而增加。(2)在60目砂粒填制的砂砂管中注入100目預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒時(shí),當(dāng)注入0.3PV和0.6PV預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒時(shí),顆粒大多堆積在注入端面和輸送管線中,沒(méi)能進(jìn)入砂管中,因此殘余阻力系數(shù)和堵水率相比于注入150目顆粒的情況較小。(3)在60目砂粒填制砂管中注入100目預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒時(shí),殘余阻力系數(shù)和堵水率在注入1PV時(shí)急劇上升。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是顆粒與孔喉不匹配,出現(xiàn)了顆粒不能順利注入的情況。這時(shí)顆粒被擠碎注入進(jìn)砂管中,封堵住了水流通道,為此才會(huì)出現(xiàn)殘余阻力系數(shù)和堵水率急劇上升的情況。(4)在40目砂粒填制的砂管中注入120目預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒時(shí),殘余阻力系數(shù)和堵水率數(shù)值均較大。說(shuō)明顆粒直徑遠(yuǎn)高于孔喉直徑,此時(shí)的注入已經(jīng)屬于擠壓變形注入方式。預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒不再是以顆粒的形式存在,完全以膠態(tài)的形式存在于砂管中。

2 預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒調(diào)剖特性研究

2.1 調(diào)剖特性實(shí)驗(yàn)條件

此實(shí)驗(yàn)所用預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒編號(hào)分別為A1、A2,A1粒徑范圍在150～160目,A2粒徑范圍在100～110目。模擬地層溫度為80℃,模擬地層水礦化度為19 334 mg/L。

所用注入介質(zhì)為兩層非均質(zhì)巖心,上層巖心滲透率為800 mD,下層巖心滲透率為3 200 mD,滲透率級(jí)差為4倍級(jí)差,中間有不滲透隔層。模型采用同注分采模式,注入端在同一入口,采出端分為上下端面,用兩量筒分別接采出液的體積,從而測(cè)量分流量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同顆粒粒徑下預(yù)交聯(lián)體注入前后的分流量和水測(cè)滲透率的變化,評(píng)價(jià)預(yù)交聯(lián)體的選擇性封堵能力,確定預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒對(duì)層間非均質(zhì)的調(diào)整能力。此實(shí)驗(yàn)注入模型為江蘇海安公司制備的F10型非均值巖心夾持器,其他儀器設(shè)備同運(yùn)移特征研究實(shí)驗(yàn)中所使用的裝置。

2.2 調(diào)剖特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒注入4倍級(jí)差模型調(diào)剖性能曲線見(jiàn)圖2。調(diào)剖測(cè)試模型封堵評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表2。

Fig.2 Pre-crosslinked gel particles into the four-fold distinction model of profile control performance curve圖2 預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒注入4倍級(jí)差模型調(diào)剖性能曲線

表2 調(diào)剖測(cè)試模型封堵評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)Table 2 The parameters of water shut off in the profile control model

從表2中可見(jiàn),預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的封堵效果較好,堵水率分別達(dá)到74.12%和94.74%,殘余阻力系數(shù)分別達(dá)到3.86和19.00。從圖2中可以看到,處理前后的低滲透層分流率沒(méi)有明顯地改善,低滲層分流量仍舊持續(xù)在很低的水平,調(diào)剖效果較差。在對(duì)以上兩個(gè)模型注入多 PV模擬地層水后發(fā)現(xiàn),低滲層幾乎不出水,注入水幾乎全部通過(guò)高滲透層。

以上現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的直徑?jīng)]能很好的與驅(qū)替巖心的孔喉配伍,導(dǎo)致預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒被擠壓進(jìn)入巖心中,因此預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒本應(yīng)具有的選擇性進(jìn)入高滲透層的特性沒(méi)能很好的體現(xiàn)。高滲透層和低滲透層同時(shí)被擠進(jìn)預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒后,在進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)時(shí),高滲透層相比于低滲透層較早地被后續(xù)水驅(qū)突破,而低滲層仍舊被預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒堵塞。因此在進(jìn)行較高PV數(shù)后續(xù)水驅(qū)時(shí),高滲透層流量比例越來(lái)愈大,低滲透層位流量越來(lái)越少,低滲透層位仍沒(méi)有被啟動(dòng)。

3 預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒與巖心孔喉直徑配伍計(jì)算

在進(jìn)行調(diào)剖性能實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了封堵效果較好,而調(diào)剖效果較差的結(jié)果。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因就是預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒與巖心的孔喉直徑?jīng)]有配伍,既預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的直徑遠(yuǎn)大于巖心的孔喉半徑。在這種情況下,預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒沒(méi)有選擇性的進(jìn)入到高滲透層,而是同時(shí)被注入進(jìn)高、低滲透層位,造成整體的滲透率下降。進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)時(shí),高滲透層位先于低滲透層位突破,因此調(diào)剖的效果較弱,在進(jìn)行大PV數(shù)水驅(qū)時(shí),造成相反的結(jié)果,即低滲透層位的分流率沒(méi)有上升,反而下降。

3.1 滲透率與孔喉半徑計(jì)算方法

根據(jù)泊稷葉方程[6],通過(guò)毛管束的流量 q(cm3/ s):

應(yīng)用達(dá)西公式也可以計(jì)算出流量為:

其中:

由方程(3)、(4)和(5)解出:

其中,r為孔喉半徑,K為滲透率,φ為孔隙度。根據(jù)朱懷江等[7]研究成果,在常見(jiàn)的滲透率范圍(800～1 600 mD)內(nèi),天然巖心孔喉半徑中值為5.48～8.17μm、孔隙半徑中值為37.17～40.18μm ;石英砂膠結(jié)巖心孔喉半徑中值為3.71～5.48μm、孔隙半徑中值為52.48～57.21μm。其測(cè)量結(jié)果顯示:試驗(yàn)測(cè)得巖心孔喉半徑數(shù)值與孔喉半徑計(jì)算公式所得結(jié)果雖略有不同,但相差不大,僅有幾個(gè)微米的差距。其研究結(jié)果顯示大多數(shù)多孔介質(zhì)孔喉半徑中值的范圍為4～16μm。

3.2 預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒直徑的確定

根據(jù)“三分之一架橋”或“三分之二架橋”理論,一般要求顆粒型堵劑直徑為地層的平均孔隙直徑的1/3～2/3較為合適。由以上公式可以得到,不同滲透率對(duì)應(yīng)可以注入的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒直徑如表3所示。

表3 滲透率與預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒直徑對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 3 The corresponding relationship of permeability and pre-crosslinked gel particle diameter

由表3可知,如果欲調(diào)剖地層滲透率級(jí)差為4倍級(jí)差,滲透率分別為400 mD和3 200 mD,那么需要的膨脹吸水后預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的大小為微米級(jí)。雖然現(xiàn)在生產(chǎn)的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒直徑可以接近微米級(jí),遇水后的膨脹倍數(shù)在30～200倍[8],膨脹后的預(yù)交聯(lián)顆粒大小很難達(dá)到微米數(shù)量級(jí)。將預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒注入數(shù)量級(jí)相差十倍或者百倍的孔喉中,很難順利注入,通常都為壓碎后擠入。這樣的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒在進(jìn)行調(diào)剖作業(yè)時(shí)是不具選擇性注入的,通常出現(xiàn)整體封堵。由于預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的直徑和孔喉直徑的關(guān)系,顆粒在運(yùn)移和封堵時(shí)是不會(huì)出現(xiàn)“三分之一架橋”現(xiàn)象的。通常在注入預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒過(guò)程中,由于顆粒直徑與孔喉直徑的不匹配,還會(huì)出現(xiàn)預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒沒(méi)有在注入過(guò)程全部進(jìn)入實(shí)驗(yàn)巖心中,而是在注入端面形成堆積,如圖3所示。這種注入端面的堆積如果形成在非目的層位,則調(diào)剖效果非但沒(méi)有體現(xiàn),還會(huì)損害其他非層位。為此,在進(jìn)行預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒調(diào)剖作業(yè)時(shí),實(shí)施高低滲透層位籠統(tǒng)注入是不可取的,應(yīng)采用分層注入的方式進(jìn)行操作。否則,非但不會(huì)達(dá)到預(yù)期的效果,還有可能起到相反的作用。

Fig.3 The pre-crosslinked gel particle in front of model圖3 注入端堆積的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和結(jié)論認(rèn)識(shí)到顆粒堵水調(diào)剖的前景是十分廣闊的,但是對(duì)應(yīng)用的顆粒要求比較嚴(yán)格,理想的顆粒應(yīng)該具有以下幾個(gè)性質(zhì):①膨脹后的顆粒大小應(yīng)該還處在微米量級(jí),這樣的顆粒才能夠順利注入并且能夠到達(dá)油藏深部,從而完成油藏深部液流轉(zhuǎn)向作用。②顆粒應(yīng)該具有較好的彈性,這樣才可以實(shí)現(xiàn)變形通過(guò)孔喉的效果。③顆粒本身能夠很好的抗剪切,即具有一定的強(qiáng)度,抗擊在運(yùn)移過(guò)程中的剪切作用。④生產(chǎn)成本較低,能夠在大多數(shù)油田得到推廣和應(yīng)用。這種理想的顆粒如果能夠投產(chǎn)的話,會(huì)成為我國(guó)油田堵水調(diào)剖作業(yè)又一新興力量。

4 結(jié)論和建議

1)使用的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒遠(yuǎn)距離運(yùn)移沒(méi)能實(shí)現(xiàn),不具有深度調(diào)剖作用。

2)從水相殘余阻力系數(shù)、堵水率、突破壓力等參數(shù)分析,使用的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的封堵效果較好。

3)在進(jìn)行調(diào)剖性能實(shí)驗(yàn)時(shí),使用的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒對(duì)整體的調(diào)剖作用微弱,后續(xù)水驅(qū)初期對(duì)分流率影響不大,大PV水驅(qū)后顯示對(duì)低滲透儲(chǔ)層有損害作用。

4)計(jì)算所得出的結(jié)果顯示,預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的大小一般與巖心的孔喉難以順利匹配,多數(shù)情況注入不順利,籠統(tǒng)注入時(shí)幾乎沒(méi)有選擇性,對(duì)非目的層位有一定的傷害。

5)現(xiàn)有的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒,要實(shí)現(xiàn)選擇性注入或深度調(diào)剖的效果,還需進(jìn)行很大的改進(jìn)。

[1]韓學(xué)強(qiáng).國(guó)外高含水油田堵水、調(diào)剖、封堵大孔道配套技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

[2]Smith JE.Performance of 18 polymers in aluminium cit ratecolloidal dispersion gels[J].SPE:28989,1995.

[3]郭艷,李樹(shù)斌,呂帥,等.預(yù)交聯(lián)顆粒調(diào)剖劑的合成與性能評(píng)價(jià)[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展,2007,8(10):5-8.

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(Ed.:YYL,Z)

Research on Profile Control and Water Shut-off Performance of Pre-Crosslinked Gel Particles and Matching Relationship Between Particle and Pore Size

LI Dong-xu,HOU Ji-rui,ZHAO Feng-lan,SUN Li-li,WANG Ai-hua
(China University ofPetroleum(Beijing),Beijing102249,P.R.China)

26October2009;revised14March2010;accepted22March2010

Experiments on injectivity and profile control performance of pre-crosslinked gel particles widely used in oilfields were done.The results show that the injectivity of pre-crosslinked gel particle is poor.Most of particles pile up in the front of sand pack,and the migration distance of pre-crosslinked gel particles is less than 20 cm,which lead to the formation of filter cake and the poor effects of depth profile control.The injection of pre-crosslinked gel particle is selectivity.In the early stage of profile control,the diversion rate of low permeability layer increases slightly,and the effect is less than 2%.After longterm waterflooding,due to the easily breakthrough in higher permeability layers,the diversion rate of low permeability layer declines in comparison that before the operation.It is indicated that pre-crosslinked gel particles will harm low permeability layers.It is calculated and analyzed that the diameters of current pre-crosslinked gel particles are bigger than pore size.Theoretically,current pre-crosslinked gel particles are difficult to be applied in depth profile control.

Pre-crosslinked gel particle;Profile control and water shut-off;Particles diameter;Pore size

.Tel.:+86-10-89732018;fax:+86-10-89734612;e-mail:ldx4881@163.com

TE39

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.007

2009-10-26

李東旭(1983-),男,黑龍江青岡縣,在讀碩士。

國(guó)家“十五”攻關(guān)項(xiàng)目(2003BA613-07-05)。

1006-396X(2010)02-0025-04