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        一種抗剪切的新型改性弱凝膠調(diào)剖體系

        2018-07-04 07:31:16魯永輝李曉驍任曉娟
        石油化工 2018年6期
        關(guān)鍵詞:成膠交聯(lián)劑巖心

        魯永輝 ,李曉驍 ,任曉娟 ,王 寧

        (1.延長油田吳起采油廠開發(fā)科,陜西 延安 717600;2.西安石油大學 石油工程學院,陜西 西安 710065;3.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點實驗室,陜西 西安 710065;4.西部低滲-特低滲油藏開 發(fā)與治理教育部工程研究中心,陜西 西安 710065)

        目前我國大部分油田的開發(fā)已進入中后期,雖然儲層中仍存在著大量的剩余油,但由于儲層的非均質(zhì)性以及注入水和原油之間的流度差異,油井普遍表現(xiàn)為含水高、產(chǎn)量低、開采經(jīng)濟效益差。調(diào)剖堵水技術(shù)可以改善油藏的非均質(zhì)性、調(diào)整吸水剖面、提高注入水波及系數(shù),是兼具解決層間及層內(nèi)矛盾同時提高原油采收率的技術(shù)[1-5]。近年來,弱凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)在提高采收率方面存在明顯的優(yōu)勢和良好的效果,已成為國內(nèi)外專家研究的重點和熱點[6-11]。

        部分水解聚丙烯酰胺具有一定油水選擇性和耐鹽性,是目前最為廣泛使用的弱凝膠主劑。聚丙烯酰胺常用的交聯(lián)劑主要為有機酸鉻和酚醛樹脂,使得交聯(lián)體系成膠保存時間長、成膠強度大、成膠穩(wěn)定性好,目前應(yīng)用廣泛[12-18]。但是目前弱凝膠的成膠過渡時間較長,并且在室內(nèi)性能評價中沒有考慮弱凝膠在地層中受到的剪切作用影響。

        本工作針對延長油田Z區(qū)長6低滲儲層的特點,以共聚改性的聚丙烯酰胺為主劑、低聚酚醛樹脂為交聯(lián)劑、多羥基酚為促進增強劑,優(yōu)選出一種具有耐鹽性、抗剪切性和成膠過渡時間短的弱凝膠體系,達到增大波及效率、提高驅(qū)油效率的目的,從而為低滲儲層的開發(fā)和提高采收率的方法提供了依據(jù)。

        1 實驗部分

        1.1 實驗條件

        1.1.1 實驗巖心

        采取Z區(qū)長6儲層天然巖心共8塊,其中2塊巖心人工劈縫用于模擬裂縫巖心。天然巖心氣測滲透率為 0.01×10-3~1.50×10-3μm2,造縫巖心氣測滲透率為 2.5×10-3~9.3×10-3μm2,孔隙度在10%左右,屬于低滲儲層。

        1.1.2 實驗儀器

        儀器:JKQM-Ⅱ型液壓高壓巖心劈裂機,ISCO-100DX型恒壓恒速泵,JJ-4A型數(shù)顯調(diào)速攪拌器,NDJ-5S型旋轉(zhuǎn)黏度計,智能凝膠分析儀(自制[19]),HX-2型恒溫箱,XMTD-7000型水浴鍋等。

        實驗用水為模擬Z區(qū)地層水,CaCl2型,密度為1.03 g/cm3,黏度為1.18 mPa·s,礦化度為47 470 mg/L。實驗模擬油為煤油,實驗條件下密度為0.798 g/cm3,黏度為1.63 mPa·s。

        實驗模擬溫度為40 ℃。

        1.1.3 實驗標準

        本實驗參考石油天然氣行業(yè)標準SY/T 5345—2007《巖石中兩相流體相對滲透率測定方法》[20]。

        1.2 弱凝膠配方的優(yōu)選

        根據(jù)Z區(qū)地層水和注入水性質(zhì),要求聚合物具有一定的抗鹽性,弱凝膠體系主劑選擇共聚改性聚丙烯酰胺,為了使其具有較好的進入性,要求它的相對分子質(zhì)量不能太大,約為1×107;交聯(lián)劑選用交聯(lián)可控、耐鹽、溫度長期穩(wěn)定性好的酚醛樹脂,因為市場上的水溶性酚醛樹脂活性很高,有效期短,因此選用室內(nèi)合成的低聚酚醛樹脂交聯(lián)劑J-4,它具有較好的交聯(lián)可控性、耐鹽性和穩(wěn)定性;由于微裂縫中聚合物弱凝膠具有較快的推移速度,要求聚合物凝膠成膠時間較短,維持流度調(diào)整能力,酚醛具有一定的耐溫性,通過室內(nèi)復配的多羥基酚醛促進增強劑C-1可以維持流度調(diào)整能力,縮短成膠過渡時間。

        以上試劑均在室內(nèi)自制和復配。

        1.3 弱凝膠性能測試

        成膠時間,成膠過渡時間和靜態(tài)、動態(tài)等不同條件下成膠黏度往往是確定弱凝膠體系成膠性能的標準,因此進行耐鹽性、低溫性能和動態(tài)成膠強度實驗測試。

        1.3.1 耐鹽性測試

        取100 mL相同組分的弱凝膠置入燒杯中并密封杯口,40 ℃水浴加熱,研究不同礦化度的模擬地層水對弱凝膠成膠時間和成膠強度的影響。

        1.3.2 低溫性能測試

        取100 mL相同組分的弱凝膠置于燒杯中并密封杯口,分別在20~40 ℃下恒溫24,48,72 h,測試成膠強度。

        1.3.3 動態(tài)成膠強度測試

        弱凝膠在注入地層后,由于受到流動剪切,成膠過程屬于動態(tài)成膠。一般認為在動態(tài)情況下,弱凝膠成膠時間會大幅延長。在10 s-1左右剪切速率下模擬堵劑在地層中受到的剪切作用,通過智能凝膠分析儀測試成膠強度。

        1.4 巖心組合實驗封堵性能測試

        將8塊巖心進行洗油干燥,抽空飽和地層水,并油驅(qū)至束縛水飽和度狀態(tài)。每組組合實驗選擇不同類型巖心各一塊,一共四組。首先用ISCO泵以恒定壓力水 驅(qū)各級巖心至殘余油狀態(tài);分別計算各級巖心滲透率以及驅(qū)替效率。再按上述組合方式注入弱凝膠(單層單注)0.2 PV并候凝5 h;后續(xù)水驅(qū)后至含水98%測取各級巖心滲透率,并計算中大孔、微孔、小孔巖心調(diào)整后最終水驅(qū)采收率。巖心組合實驗流程如圖1所示。

        圖1 巖心組合實驗流程Fig.1 Flow chart of parallel core plugging experiment.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 弱凝膠體系配方的優(yōu)選

        2.1.1 改性聚丙烯酰胺對弱凝膠性能的影響

        在實際應(yīng)用中,堵劑既需有一定的強度,又要控制好成本,因此需選擇合適的聚合物的含量。選擇低聚酚醛樹脂的含量為0.2%(w)、促進增強劑含量為0.1%(w)以提高弱凝膠的強度,通過改變改性聚丙烯酰胺的加入量確定聚合物的最佳含量。聚合物的含量對弱凝膠成膠性能的影響見圖2。由圖2可見,隨著聚合物含量的增加,黏度增大,聚合物含量為0.6%(w)時,黏度最大為15 000 mPa·s;隨著聚合物含量的增加,成膠時間也會縮短。這是因為隨著聚合物含量的增加,聚合物分子碰撞、纏繞的幾率增大,形成膠體的數(shù)量增多[2]。當聚合物含量大于0.3%(w)時凝膠黏度增加的幅度變小,考慮到聚合物初始黏度和進入性,選取聚合物主劑含量為0.3%(w),既能滿足需求,又能控制成本。

        圖2 聚合物含量對弱凝膠黏度的影響Fig.2 Effect of polymer content on the viscosity of weak gel.

        2.1.2 交聯(lián)劑對弱凝膠性能的影響

        固定主劑聚丙烯酰胺的含量為0.3%(w) 、促進增強劑含量為0.1%(w),考察了交聯(lián)劑含量對弱凝膠黏度的影響,實驗結(jié)果見圖3。由圖3可看出,在交聯(lián)劑含量較小時,弱凝膠黏度較低,交聯(lián)較緩慢,膠體不穩(wěn)定;隨著交聯(lián)劑含量的增加,弱凝膠黏度增大,成膠時間略有縮短;交聯(lián)劑含量大于0.4%(w)時,弱凝膠黏度增加趨勢明顯變緩。合適的交聯(lián)劑含量為0.4%(w)。

        圖3 交聯(lián)劑含量對弱凝膠黏度的影響Fig.3 Effect of crosslinker content on the viscosity of weak gel.

        2.1.3 促進增強劑對弱凝膠性能的影響

        固定聚合物含量0.3%(w)、交聯(lián)劑含量0.4%(w),考察促進增強劑含量對弱凝膠成膠性能的影響,實驗結(jié)果見圖4。由圖4可看出,促進增強劑含量影響弱凝膠體系的成膠時間。促進增強劑含量增大,體系成膠時間大幅縮短:促進增強劑含量為0.05%(w)時,成膠時間約為24 h;含量增至0.20%(w)時,成膠時間約為7 h,并且含量為0.20%~0.25%時,弱凝膠體系在3 h內(nèi)迅速呈直角成膠,既可以保證注入時在井內(nèi)具有良好的流動性,又可以保證在儲層中的裂縫大孔中迅速成膠??紤]到凝膠在微裂縫中快速推進及地層動態(tài)剪切會使凝膠成膠時間大幅延長,最終優(yōu)選促進增強劑含量為0.20%(w)。

        圖4 促進增強劑含量對弱凝膠黏度的影響Fig.4 Effect of fortifier content on the viscosity of weak gel.

        2.2 成膠性能測試

        2.2.1 礦化度的影響

        將在最佳條件下制備的弱凝膠分成7組,分別置于40 ℃不同礦化度下進行耐鹽性能測試,結(jié)果見表1。由表1可見,礦化度會影響弱凝體系的成膠性能,隨著礦化度的增加,成膠時間和過渡時間會縮短,成膠強度基本也呈現(xiàn)減弱的趨勢。在蒸餾水中的成膠時間最長,成膠強度最大,同時過渡時間也最長,說明弱凝膠在蒸餾水中交聯(lián)速度較慢,但是成膠完整性最好,可以達到最高的黏度。隨著礦化度的提高,金屬二價離子Ca2+和Mg2+總量增加,成膠時間縮短,成膠過渡時間也縮短,但是成膠強度也會變?nèi)?。這是由于二價離子進入膠體后,膠體結(jié)構(gòu)變得緊密,排斥后續(xù)進入的水合陽離子,使得相同時間內(nèi)吸水量變小,成膠強度降低[21];同時可以看出礦化度相近條件下,Ca2+含量越高,成膠強度越低,Mg2+含量越高,成膠時間越短??紤]該地區(qū)油藏幾口井所測平均礦化度為47 470 mg/L,該弱凝膠體系的成膠強度和時間均能滿足要求。

        表1 弱凝膠體系的耐鹽性能Table 1 Salt tolerance properties of the weak gel system

        2.2.2 溫度的影響

        將最佳條件下制備的弱凝膠分成6組,置于20~40 ℃不同的低溫條件下進行弱凝膠低溫條件下的長時間性能測試,結(jié)果見表2。由表2可見,在20~40 ℃低溫條件下,該弱凝膠體系表現(xiàn)出良好的成膠性能,所需成膠時間為7~8 h,過渡時間為2 h,成膠黏度也均超過30 000 mPa·s,成膠時間和強度滿足實際需求。

        2.2.3 動態(tài)剪切對弱凝膠性能影響

        將最佳條件下制備的弱凝膠分成3組,使用智能凝膠分析儀進行三次動態(tài)剪切作用下的成膠性能測試,結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出,動態(tài)剪切作用下成膠性能有一定的改變。弱凝膠體系的成膠時間有一定的延長,達到穩(wěn)定最大成膠強度的時間約為24 h;在12 h后凝膠黏度才開始大幅上升,是靜態(tài)成膠所需要時間的5~6倍,成膠過渡時間約為4~6 h。成膠強度也有一定的下降,最大成膠黏度在30 000 mPa·s左右。在剪切作用下,黏度稍有降低,成膠時間有所延長,但過渡時間能達到使用要求,因此該弱凝膠體系具有抗剪切能力。

        表2 弱凝膠體系在低溫下的性能Table 2 Properties of the weak gel system at low temperatures

        圖5 動態(tài)剪切對弱凝膠性能的影響Fig.5 Effect of dynamic shearing on the property of weak gel.

        2.3 封堵性能評價

        在恒壓(3~5 MPa)條件下,實驗巖心含油飽和度和3種不同組合方式驅(qū)替過程中各階段的驅(qū)油效率及封堵率見表3。從表3可看出,注入弱凝膠后4組組合實驗高滲巖心滲透率均得到了減小和控制,裂縫-基質(zhì)巖心組合方式平均封堵率為82.4%,相對滲透率級差得到了很好的控制;中大孔-基質(zhì)巖心組合方式封堵率高于裂縫-基質(zhì),平均封堵率為96.6%,說明弱凝膠對中大孔半徑的孔隙封堵效果要好于裂縫的封堵效果,可以很好地抑制以中大孔為主要滲流通道的竄流現(xiàn)象,4組組合實驗平均封堵率為89.5%。同時,裂縫-基質(zhì)組合方式封堵效率雖然較差,但有效降低了裂縫巖心的滲透率,控制了級差,使得驅(qū)油效率增加,平均驅(qū)油效率提高25.9百分點;中大孔-基質(zhì)組合方式驅(qū)油效率也均有所增加,平均驅(qū)油效率提高22.7百分點,其中第4組驅(qū)油效率提高最大,為30.6百分點;4組組合實驗的最終驅(qū)油效率比水驅(qū)驅(qū)油效率平均提高24.3百分點,驗證了該弱凝膠體系有效封堵了中高滲巖心,同時增加了波及系數(shù),提高了采收率。

        表3 不同組合方式驅(qū)替過程中的驅(qū)油效率及封堵率Table 3 Flooding efficiency and stemming ratios in the flooding processes of different grouping manners

        3 結(jié)論

        1)促進增強劑對于聚丙烯酰胺為主劑、低聚酚醛樹脂為交聯(lián)劑的弱凝膠體系,能夠很好地控制交聯(lián)時間,縮短成膠過渡時間,最終弱凝膠體系優(yōu)選結(jié)果是:0.3%(w)改性聚丙烯酰胺+0.4%(w)低聚酚醛交聯(lián)劑+0.2%(w)促進增強劑。

        2)通過考察溫度、礦化度和二價陽離子含量對弱凝膠成膠性能影響,表明該弱凝膠具有良好的耐鹽性,在40 ℃低溫條件下成膠性能良好,并且在一定剪切作用下該弱凝膠仍具有良好的穩(wěn)定性。

        3)在巖心組合實驗中注入弱凝膠后,裂縫-基質(zhì)巖心組合方式平均封堵率為82.4%,相對滲透率級差得到了有效地控制。中大孔-基質(zhì)巖心組合方式封堵率高于裂縫-基質(zhì)組合,平均封堵率為96.6%。4組實驗平均封堵率為89.5%。第4組中大孔-基質(zhì)巖心組合方式最終驅(qū)油效率增加最多,提高了30.6百分點,4組組合實驗平均驅(qū)油效率提高了24.3百分點。

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