編譯:湯思斯 張卓 (西南石油大學(xué)研究生部)

審校:舒政 施雷庭 (油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué))

聚合物在高礦化度油藏巖石表面的吸附研究

編譯:湯思斯 張卓 (西南石油大學(xué)研究生部)

審校:舒政 施雷庭 (油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學(xué))

油井堵水或減少油井產(chǎn)水是石油工業(yè)中必須解決的問題。聚合物驅(qū)可降低油藏的水相滲透率,此外,由于聚合物在巖石表面吸附油藏的非均質(zhì)性降低。研究了兩種類型的聚合物—聚丙烯酰胺 (PAA)和聚糖 (黃原膠),評價了不同礦化度、剪切速率和濃度條件下兩種聚合物溶液的黏度。首先將準(zhǔn)備好的聚合物溶液注入到巖心,目的是通過計算阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)來評價聚合物在巖石表面的吸附。此外,進(jìn)一步研究了聚合物溶液注入速率的影響,結(jié)果表明:黃原膠溶液有高的耐鹽性 (20%),而PAA對鹽非常敏感;還需要溫度與之配伍,可直達(dá)60℃;也發(fā)現(xiàn)注入速率越小,聚合物在巖石表面的吸附量越大。因此,推薦黃原膠用于高礦化度、高溫油藏堵水。

高礦化度油藏 聚合物驅(qū) 吸附 阻力系數(shù) 殘余阻力系數(shù)

1 引言

近來統(tǒng)計顯示常規(guī)原油的發(fā)現(xiàn)速度和消耗速度之比是1∶4,二者的差異很大,而且還可能繼續(xù)增大,這導(dǎo)致了當(dāng)前原油的產(chǎn)量超過了新增加的儲量。以上因素和原油的價格上升,使得提高原油采收率方法變得越來越有吸引力。

眾所周知,提高原油采收率 (EOR)的方法分為三大類:熱采、化學(xué)驅(qū)和混相驅(qū)。這些方法都需要將流體注入到儲層,使流體性質(zhì)或者界面條件更有利于原油驅(qū)替。然而,選擇EOR方法之前首先要獲取油藏儲量詳細(xì)信息。

通常情況下,在前兩個采油階段 (一次和二次采油方法)采收率降低的主要原因是由于水和油之間的界面張力 (毛管力)、油的黏性 (黏滯力)和油藏巖石的非均質(zhì)性的存在。

本文主要研究化學(xué)驅(qū)的一種——聚合物驅(qū)。聚合物驅(qū)可使可采儲量最大化,特別是對許多衰竭或水驅(qū)油藏,這些機會依賴于經(jīng)濟(jì)條件和目前的油價。然而,選擇的化學(xué)劑性質(zhì)如下:在低濃度下有很好的溶解性;良好的注入性;長期穩(wěn)定性:抗電解質(zhì)、細(xì)菌、溫度、氧化作用、p H值的改變;在巖石表面的吸附量低,特別是碳酸鹽油藏;簡單易行,價格低廉。

另外,聚合物還可以減小油藏的非均質(zhì)性。因為一次和二次采油的采收率較差的主要地層因素是儲層的非均質(zhì)性,導(dǎo)致了油從高滲透層較快地被驅(qū)出,而使低滲透層中的油殘留在地層中。非均質(zhì)性導(dǎo)致的高產(chǎn)水率或者是裂縫導(dǎo)致底水錐進(jìn),這對于油田操作者來說是最重要的問題。

石油工業(yè)中主要采用兩種方法來控制水的突破。第一種方法是機械封堵高滲透層,適用于層間不連通或垂向滲透率較低的油藏,另外,此方法也適用于擁有理想厚度可下必要的封隔器來封堵高產(chǎn)水層的油藏。第二種方法通過用水溶性聚合物控制水的產(chǎn)出,這種方法不但適用于層間相互連通的油藏,也適用于層間不連通的油藏。在不同油藏條件下,水溶性聚合物已經(jīng)得到礦場測試和應(yīng)用。

將聚合物注入到被水驅(qū)過的儲層中,可能只會從該區(qū)域采出少量的原油。然而,由于聚合物溶液產(chǎn)生的流體轉(zhuǎn)向作用,聚合物的影響是非常有利的。聚合物在儲層的某些部位通過降低水相滲透率來逐漸建立流動阻力,流動阻力的增加將改變后續(xù)注入水進(jìn)入到水驅(qū)未波及或波及很少的區(qū)域。在高水油比情況下進(jìn)行的聚合物驅(qū)中,流體的轉(zhuǎn)移將比分相流動或者是流度比影響更有意義。如果聚合物影響持續(xù)的時間很長,將帶來最大的收益。這將優(yōu)先考慮降低儲層的水相滲透率,而不是直接提高聚合物溶液的黏度,因為滲透率降低能持續(xù)很長時間。

聚合物驅(qū)技術(shù)是在注入水中加入一種稠化劑(聚合物)來增加其黏度。盡管最終的殘余油飽和度基本上沒有受到影響,增加的聚合物將產(chǎn)生兩種有利作用:減少達(dá)到最終殘余油飽和度時的注水量;改善流度比以提高注入水的波及效率。已報道的聚合物驅(qū)項目的經(jīng)濟(jì)效益差異很大。成功的聚合物驅(qū)項目提高采收率范圍在5%～15%的原始地質(zhì)儲量。許多未取得經(jīng)濟(jì)效益的項目失敗的原因是在項目開始之前對油藏描述不夠。聚合物溶液通過多孔介質(zhì)應(yīng)該考慮因其引起的滯留量、吸附、不可入孔隙體積和捕集。

2 實驗工作

要完成這個實驗,需要準(zhǔn)備如下的實驗材料和儀器:聚合物、鹽水、巖心、驅(qū)替實驗裝置和黏度儀。

2.1 聚合物溶液

聚合物溶液是在磁力攪拌器的作用下混合聚合物粉末和蒸餾水制得。溶液攪拌一天,然后加入從英國Winlab獲取的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83%的NaCl和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%的CaCl2。實驗中使用濃度為20% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鹽和兩種不同類型的商業(yè)聚合物。黃原膠的平均相對分子質(zhì)量是 5×106道爾頓, PAA的平均相對分子質(zhì)量是0.9×106道爾頓。兩種聚合物都是從德國 Sigma-Aldrich公司購得,純度為99%。這些聚合物能夠溶解在氯化鈉、氯化鎂和氯化鈣的溶液中,通過降低注入流體的流度來提高原油采收率和控制水的產(chǎn)出。將取自意大利Carlo Erba、濃度為37%的殺蟲劑 (甲醛)稀釋到100×10-6后加入到各種溶液中,可以有效抑制細(xì)菌對聚合物的降解。甲醛能有效預(yù)防細(xì)菌的降解是因為氧氣。使用甲醛的費用比使用其他化學(xué)劑 (如亞硫酸氫鹽)的費用少,而且處理問題也很少,因此,常廣泛應(yīng)用于油田。甲醛還是有效的殺蟲劑,它持續(xù)保護(hù)混合后暴露在空氣中的聚合物溶液。用5μm過濾器除去溶液中的固體和微凝膠。

2.2 巖心

巖心是從砂巖露頭上切下的,通過X射線測量巖心的礦物成分,其由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86.8%的石英、5.1%的長石、6.8%的黏土和1.3%其他礦物組成。巖心先清洗,然后在120℃烘箱里烘24 h。巖心長度范圍為9.3～10 cm,直徑范圍為4.9～5.1 cm。之后,確定巖心的巖石物性參數(shù)。孔隙體積、孔隙度和巖石絕對滲透率值見表1。

2.3 黏度計

在不同的條件下溶液黏度是用標(biāo)定過的美國生產(chǎn)的帶有保溫套的Brookfield DV-Ⅲ黏度計測定的。Brookfield DV-Ⅲ可以設(shè)定不同溫度進(jìn)行測量,剪切速率可以達(dá)到73.43 s-1,黏度值的精確度為±1%。

2.4 驅(qū)替裝置

安裝好實驗所需的驅(qū)替裝置,主要有流體儲存容器、驅(qū)替泵、巖心夾持器和產(chǎn)出液收集裝置。流體流過巖心的壓差通過壓力傳感器測得。

表1 巖心物性數(shù)據(jù)

3 實驗過程

然后巖心用不同濃度聚合物溶液進(jìn)行驅(qū)替。所有的注入速率要維持在60 cm3/h,大約等于2.5 ft/d(1 ft=30.48 cm)的前緣推進(jìn)速度,系統(tǒng)溫度保持在25±1℃,直到巖心進(jìn)出口壓差穩(wěn)定和產(chǎn)出液的黏度不變?yōu)橹?。阻力系?shù) (RF)是水的流度和聚合物溶液流度的比值,其計算公式如下:

文中研究了不同鹽濃度條件下,礦化度對聚合物溶液性能的影響。在溶液準(zhǔn)備好之后,在恒溫25 ±1℃條件下,通過測定剪切速率從0.36～73.42 s-1的黏度來評價礦化度對聚合物溶液性能的影響。當(dāng)確定了礦化度對聚合物溶液的影響之后,就可以開始實驗了。驅(qū)替實驗的過程是對每一個巖心做如下操作:將巖心放在帶有橡膠套的巖心夾持器中,圍壓是通過手搖泵施加的 (液壓油達(dá)到1 000 psi,1 psi=6.895 kPa);巖心通過真空泵抽真空,然后飽和具有合理礦化度的水;測定孔隙體積和計算孔隙度。在恒定注入速率下,記錄巖心進(jìn)出口壓力降,并利用達(dá)西公式計算巖心的滲透率:

用鹽水驅(qū)替巖心測定巖心兩端的壓差和產(chǎn)出液的黏度。殘余阻力系數(shù) (RRF)是注入聚合物溶液之前水的流度和注入聚合物之后水的流度之比,計算式如下:

4 結(jié)果與討論

除了研究鹽濃度對聚合物黏度的影響之外,共做了16組驅(qū)替實驗。8組實驗采用不同鹽度的黃原膠溶液進(jìn)行,6組實驗采用不同鹽度的PAA進(jìn)行,剩下的兩組實驗分別用1 200 mg/L和 800 mg/L的黃原膠溶液在60℃ (140℉)條件下進(jìn)行。另外還研究了注入速率的影響。

4.1 剪切速率和鹽濃度對聚合物溶液黏度的影響

圖1～圖3主要描繪黃原膠溶液黏度實驗結(jié)果。圖1是用淡水配制的不同濃度黃原膠溶液的黏度隨剪切速率的變化情況,由圖看出:聚合物溶液濃度越高,其黏度越大;當(dāng)剪切速率增加,溶液黏度降低。當(dāng)剪切速率高于40 s-1時,濃度對黏度的影響較小,這就意味著增大剪切速率將極大減小聚合物濃度的影響。

圖1 在淡水中不同濃度的黃原膠溶液的黏度

圖2 在10%鹽度下不同濃度的黃原膠溶液的黏度

圖2是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽水配制的聚合物溶液黏度隨剪切速率的變化情況,其趨勢與圖1一致,但黏度降低了。例如,當(dāng)剪切速率為14.7 s-1時,濃度為1 200 mg/L聚合物溶液黏度從40 mPa·s(淡水中)降低到24 mPa·s(10%鹽水中)。此外,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和20%鹽水配制的聚合物溶液的黏度隨剪切速率的變化趨勢,淡水和10%鹽水的趨勢相同。

圖3是濃度為800 mg/L和1 200 mg/L聚合物溶液的黏度隨鹽濃度的變化情況,可以看出:當(dāng)鹽度濃度低于臨界值時,黏度隨著鹽濃度的增加而降低;當(dāng)鹽濃度高于臨界值時,黏度隨著鹽濃度的增加而升高。這個臨界最小值取決于聚合物溶液的濃度。

圖3 鹽濃度對剪切速率為14.7 s-1的黃原膠溶液黏度的影響

圖4是PAA溶液的實驗結(jié)果。文中沒有測定用淡水配制的PAA溶液的黏度,因為它超出了實驗儀器的量程。圖4是用5%鹽水配制的PAA溶液的黏度隨剪切速率的變化情況,另外用10%鹽水配制的趨勢與之一致。蒸餾水是兩種聚合物的良溶劑。但由于鹽的加入,中和了聚合物分子的電性,從而導(dǎo)致聚合物分子鏈伸展的力降低。因此,隨著鹽濃度增加,聚合物分子鏈?zhǔn)湛s,從而降低了溶液的黏度。為了得到合理的聚合物黏度,將顯著增加聚合物溶液的濃度,這就意味著PAA對鹽濃度是非常敏感的。另外,隨著鹽濃度的升高,聚合物溶液黏度急劇降低。

圖4 在5%鹽度下不同濃度的聚丙烯酰胺溶液的黏度

4.2 聚合物溶液在巖石表面的吸附

為了研究聚合物在儲層巖石表面的吸附,測定了RF和RRF。黃原膠溶液的測量結(jié)果見表2。在滲透率不變的條件下,聚合物溶液的濃度越高,其RF和RRF越高。鹽濃度升高,RF和RRF降低,這是由于電解質(zhì)的作用使得聚合物分子鏈?zhǔn)湛s引起的。然而,這種減小對黃原膠不明顯。這就意味著在高礦化度條件下,黃原膠在巖石表面產(chǎn)生吸附量大,這將有利于生產(chǎn)井控水。

PAA的測量結(jié)果見表3。在滲透率不變的條件下,RF與RRF的變化趨勢與黃原膠一致,只是其值比黃原膠低。通過對測試的兩種聚合物在巖石表面的吸附的對比發(fā)現(xiàn):黃原膠溶液在高礦化度井調(diào)剖時具有更好的性能。

表2 黃原膠溶液驅(qū)替巖心時,RF和RRF的對比

表3 PAA驅(qū)替巖心時,RF和RRF的對比

4.2.1 注入速率的影響

從前面的實驗可以很明顯地看出剪切速率對聚合物溶液有影響。剪切速率的應(yīng)用是通過注入速率來展現(xiàn)的。隨著注入速率的增大,阻力系數(shù)變小,其中PAA變化更大。為了得到更高的阻力系數(shù),建議在低的注入速率下注入聚合物。提高注入速率將降低阻力系數(shù)和聚合物吸附量,滲透率下降也非常小。這種性質(zhì)取決于聚合物的類型和相對分子質(zhì)量。

4.2.2 巖石滲透率的影響

采用不同的滲透率測定阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)。從表1、2、3可以看出,滲透率越高,其阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)越高。這意味著巖石的滲透率越高,聚合物在巖石表面的吸附量也越大。因此,能更好地降低巖石的滲透率。

4.2.3 溫度的影響

為了研究溫度對所選擇的聚合物溶液的影響,在52℃條件下,測定了濃度分別為800 mg/L和1 200 mg/L的黃原膠溶液的黏度。溫度通過降低溶液的黏度影響聚合物的穩(wěn)定性。在剪切速率為

14.7 s-1,溫度分別為25℃和52℃的條件下,兩種溶液的黏度對比結(jié)果見圖5。濃度為1 200 mg/L黃原膠溶液的黏度從25℃時的30 mPa·s降低到52℃時的21.3 mPa·s,而濃度為800 mg/L黃原膠溶液的黏度從25℃時的15.5 mPa·s降低到52℃時的9.25 mPa·s。

為了確定溫度對聚合物在巖石表面吸附的影響,在60℃條件下,用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鹽水配制濃度分別為800 mg/L和1 200 mg/L黃原膠溶液對7號和8號巖心進(jìn)行實驗。阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)隨注入的孔隙體積變化見圖6。在這個實驗中,當(dāng)聚合物溶液的注入量達(dá)到6 PV時,阻力系數(shù)達(dá)到最大;而當(dāng)溫度為25℃時,聚合物溶液的注入量達(dá)到4.5 PV時,聚合物的阻力系數(shù)達(dá)到最大。這意味著曲線最高的阻力系數(shù)向前轉(zhuǎn)移了。但是溫度升高,阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)的值變化不大。

圖5 在20%鹽度,25℃和52℃下不同濃度黃原膠的黏度

圖6 黃原膠溶液 (7號巖心)在不同注入量下的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

5 結(jié)論

◇在任何剪切速率下,聚合物溶液的表觀黏度隨鹽濃度的增加而減少;

◇聚合物溶液的黏度隨剪切速率的增大而減少,當(dāng)剪切速率超過一固定值時,黏度將保持不變;

◇由于分子在巖心表面的吸附,黃原膠對減少儲層非均質(zhì)性有著重要作用;

◇通過使用聚合物溶液來降低滲透率取決于多孔介質(zhì)滲透率、聚合物種類、聚合物濃度、礦化度和注入速率;

◇在低鹽濃度下,PAA能減小儲層的非均質(zhì)性,高濃度的PAA能抗高鹽度;

◇鹽水驅(qū)替過程中,聚合物在巖石表面的吸附是部分可逆的;

◇聚合物溶液的驅(qū)替速度和滲透率均對吸附有很大的影響;

◇溫度將減緩在巖石表面的完全吸附,因此,需要更多的聚合物溶液;

◇在高含鹽油藏,黃原膠是一種很好的聚合物候選產(chǎn)品。

符號說明

A——巖心橫截面面積,cm2

k——滲透率,mD

q——流率,mL/h

ΔP——壓差,psi

ΔPp——聚合物驅(qū)替時的壓差,psi

ΔPwb——聚合物驅(qū)替前水驅(qū)的壓差,psi

λp——聚合物溶液的流度

L——巖心長度,cm

ΔPw——聚合物驅(qū)之前的水驅(qū)壓差,psi

ΔPwa——聚合物驅(qū)替后的水驅(qū)壓差,psi

λw——水的流度

μ——黏度,mPa·s

資料來源于美國《SPE 120807》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.002

2009-03-21)