魯永輝 ,李曉驍 ,任曉娟 ,王 寧
(1.延長(zhǎng)油田吳起采油廠(chǎng)開(kāi)發(fā)科,陜西 延安 717600;2.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院,陜西 西安 710065;3.陜西省油氣田特種增產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065;4.西部低滲-特低滲油藏開(kāi) 發(fā)與治理教育部工程研究中心,陜西 西安 710065)
目前我國(guó)大部分油田的開(kāi)發(fā)已進(jìn)入中后期,雖然儲(chǔ)層中仍存在著大量的剩余油,但由于儲(chǔ)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(kāi)采經(jīng)濟(jì)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(shí)提高原油采收率的技術(shù)[1-5]。近年來(lái),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(shì)和良好的效果,已成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[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(jī)酸鉻和酚醛樹(shù)脂,使得交聯(lián)體系成膠保存時(shí)間長(zhǎng)、成膠強(qiáng)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(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng),并且在室內(nèi)性能評(píng)價(jià)中沒(méi)有考慮弱凝膠在地層中受到的剪切作用影響。
本工作針對(duì)延長(zhǎng)油田Z區(qū)長(zhǎng)6低滲儲(chǔ)層的特點(diǎn),以共聚改性的聚丙烯酰胺為主劑、低聚酚醛樹(shù)脂為交聯(lián)劑、多羥基酚為促進(jìn)增強(qiáng)劑,優(yōu)選出一種具有耐鹽性、抗剪切性和成膠過(guò)渡時(shí)間短的弱凝膠體系,達(dá)到增大波及效率、提高驅(qū)油效率的目的,從而為低滲儲(chǔ)層的開(kāi)發(fā)和提高采收率的方法提供了依據(jù)。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)巖心
采取Z區(qū)長(zhǎng)6儲(chǔ)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(cè)滲透率為 0.01×10-3~1.50×10-3μm2,造縫巖心氣測(cè)滲透率為 2.5×10-3~9.3×10-3μm2,孔隙度在10%左右,屬于低滲儲(chǔ)層。
1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
儀器:JKQM-Ⅱ型液壓高壓巖心劈裂機(jī),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(jì),智能凝膠分析儀(自制[19]),HX-2型恒溫箱,XMTD-7000型水浴鍋等。
實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)M油為煤油,實(shí)驗(yàn)條件下密度為0.798 g/cm3,黏度為1.63 mPa·s。
實(shí)驗(yàn)?zāi)M溫度為40 ℃。
1.1.3 實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)
本實(shí)驗(yàn)參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5345—2007《巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法》[20]。
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(jìn)入性,要求它的相對(duì)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(zhǎng)期穩(wěn)定性好的酚醛樹(shù)脂,因?yàn)槭袌?chǎng)上的水溶性酚醛樹(shù)脂活性很高,有效期短,因此選用室內(nèi)合成的低聚酚醛樹(shù)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(shí)間較短,維持流度調(diào)整能力,酚醛具有一定的耐溫性,通過(guò)室內(nèi)復(fù)配的多羥基酚醛促進(jìn)增強(qiáng)劑C-1可以維持流度調(diào)整能力,縮短成膠過(guò)渡時(shí)間。
以上試劑均在室內(nèi)自制和復(fù)配。
成膠時(shí)間,成膠過(guò)渡時(shí)間和靜態(tài)、動(dòng)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(biāo)準(zhǔn),因此進(jìn)行耐鹽性、低溫性能和動(dòng)態(tài)成膠強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
1.3.1 耐鹽性測(cè)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(duì)弱凝膠成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度的影響。
1.3.2 低溫性能測(cè)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(cè)試成膠強(qiáng)度。
1.3.3 動(dòng)態(tài)成膠強(qiáng)度測(cè)試
弱凝膠在注入地層后,由于受到流動(dòng)剪切,成膠過(guò)程屬于動(dòng)態(tài)成膠。一般認(rèn)為在動(dòng)態(tài)情況下,弱凝膠成膠時(shí)間會(huì)大幅延長(zhǎng)。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(guò)智能凝膠分析儀測(cè)試成膠強(qiáng)度。
將8塊巖心進(jìn)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(shí)驗(yàn)選擇不同類(lèi)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(jí)巖心至殘余油狀態(tài);分別計(jì)算各級(jí)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(cè)取各級(jí)巖心滲透率,并計(jì)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(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。
圖1 巖心組合實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Flow chart of parallel core plugging experiment.
2.1.1 改性聚丙烯酰胺對(duì)弱凝膠性能的影響
在實(shí)際應(yīng)用中,堵劑既需有一定的強(qiáng)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(shù)脂的含量為0.2%(w)、促進(jìn)增強(qiáng)劑含量為0.1%(w)以提高弱凝膠的強(qiáng)度,通過(guò)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(duì)弱凝膠成膠性能的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),隨著聚合物含量的增加,黏度增大,聚合物含量為0.6%(w)時(shí),黏度最大為15 000 mPa·s;隨著聚合物含量的增加,成膠時(shí)間也會(huì)縮短。這是因?yàn)殡S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(dāng)聚合物含量大于0.3%(w)時(shí)凝膠黏度增加的幅度變小,考慮到聚合物初始黏度和進(jìn)入性,選取聚合物主劑含量為0.3%(w),既能滿(mǎn)足需求,又能控制成本。
圖2 聚合物含量對(duì)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(duì)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(jìn)增強(qiáng)劑含量為0.1%(w),考察了交聯(lián)劑含量對(duì)弱凝膠黏度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可看出,在交聯(lián)劑含量較小時(shí),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(shí)間略有縮短;交聯(lián)劑含量大于0.4%(w)時(shí),弱凝膠黏度增加趨勢(shì)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(duì)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(jìn)增強(qiáng)劑對(duì)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(jìn)增強(qiáng)劑含量對(duì)弱凝膠成膠性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可看出,促進(jìn)增強(qiáng)劑含量影響弱凝膠體系的成膠時(shí)間。促進(jìn)增強(qiáng)劑含量增大,體系成膠時(shí)間大幅縮短:促進(jìn)增強(qiáng)劑含量為0.05%(w)時(shí),成膠時(shí)間約為24 h;含量增至0.20%(w)時(shí),成膠時(shí)間約為7 h,并且含量為0.20%~0.25%時(shí),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(shí)在井內(nèi)具有良好的流動(dòng)性,又可以保證在儲(chǔ)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(jìn)及地層動(dòng)態(tài)剪切會(huì)使凝膠成膠時(shí)間大幅延長(zhǎng),最終優(yōu)選促進(jìn)增強(qiáng)劑含量為0.20%(w)。
圖4 促進(jìn)增強(qiáng)劑含量對(duì)弱凝膠黏度的影響Fig.4 Effect of fortifier content on the viscosity of weak gel.
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(jìn)行耐鹽性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),礦化度會(huì)影響弱凝體系的成膠性能,隨著礦化度的增加,成膠時(shí)間和過(guò)渡時(shí)間會(huì)縮短,成膠強(qiáng)度基本也呈現(xiàn)減弱的趨勢(shì)。在蒸餾水中的成膠時(shí)間最長(zhǎng),成膠強(qiáng)度最大,同時(shí)過(guò)渡時(shí)間也最長(zhǎng),說(shuō)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(dá)到最高的黏度。隨著礦化度的提高,金屬二價(jià)離子Ca2+和Mg2+總量增加,成膠時(shí)間縮短,成膠過(guò)渡時(shí)間也縮短,但是成膠強(qiáng)度也會(huì)變?nèi)?。這是由于二價(jià)離子進(jìn)入膠體后,膠體結(jié)構(gòu)變得緊密,排斥后續(xù)進(jìn)入的水合陽(yáng)離子,使得相同時(shí)間內(nèi)吸水量變小,成膠強(qiáng)度降低[21];同時(shí)可以看出礦化度相近條件下,Ca2+含量越高,成膠強(qiáng)度越低,Mg2+含量越高,成膠時(shí)間越短。考慮該地區(qū)油藏幾口井所測(cè)平均礦化度為47 470 mg/L,該弱凝膠體系的成膠強(qiáng)度和時(shí)間均能滿(mǎn)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(jìn)行弱凝膠低溫條件下的長(zhǎng)時(shí)間性能測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn),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(shí)間為7~8 h,過(guò)渡時(shí)間為2 h,成膠黏度也均超過(guò)30 000 mPa·s,成膠時(shí)間和強(qiáng)度滿(mǎn)足實(shí)際需求。
2.2.3 動(dòng)態(tài)剪切對(duì)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(jìn)行三次動(dòng)態(tài)剪切作用下的成膠性能測(cè)試,結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出,動(dòng)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(shí)間有一定的延長(zhǎng),達(dá)到穩(wěn)定最大成膠強(qiáng)度的時(shí)間約為24 h;在12 h后凝膠黏度才開(kāi)始大幅上升,是靜態(tài)成膠所需要時(shí)間的5~6倍,成膠過(guò)渡時(shí)間約為4~6 h。成膠強(qiáng)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(shí)間有所延長(zhǎng),但過(guò)渡時(shí)間能達(dá)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(dòng)態(tài)剪切對(duì)弱凝膠性能的影響Fig.5 Effect of dynamic shearing on the property of weak gel.
在恒壓(3~5 MPa)條件下,實(shí)驗(yàn)巖心含油飽和度和3種不同組合方式驅(qū)替過(guò)程中各階段的驅(qū)油效率及封堵率見(jiàn)表3。從表3可看出,注入弱凝膠后4組組合實(shí)驗(yàn)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(duì)滲透率級(jí)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(shuō)明弱凝膠對(duì)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(shí)驗(yàn)平均封堵率為89.5%。同時(shí),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(jí)差,使得驅(qū)油效率增加,平均驅(qū)油效率提高25.9百分點(diǎn);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(diǎn),其中第4組驅(qū)油效率提高最大,為30.6百分點(diǎn);4組組合實(shí)驗(yàn)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(diǎn),驗(yàn)證了該弱凝膠體系有效封堵了中高滲巖心,同時(shí)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(guò)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
1)促進(jìn)增強(qiáng)劑對(duì)于聚丙烯酰胺為主劑、低聚酚醛樹(shù)脂為交聯(lián)劑的弱凝膠體系,能夠很好地控制交聯(lián)時(shí)間,縮短成膠過(guò)渡時(shí)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(jìn)增強(qiáng)劑。
2)通過(guò)考察溫度、礦化度和二價(jià)陽(yáng)離子含量對(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)滲透率級(jí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn),4組組合實(shí)驗(yàn)平均驅(qū)油效率提高了24.3百分點(diǎn)。
[1] 熊春明,唐孝芬. 國(guó)內(nèi)外堵水調(diào)剖技術(shù)最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2007,34 (1):83-88.
[2] 陳鐵龍,周曉俊,唐伏平,等. 弱凝膠調(diào)驅(qū)提高采收率技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006:26-40.
[3] 紀(jì)朝鳳,葛紅江. 調(diào)剖堵水材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].石油鉆采工藝,2002,24(1):54-57.
[4] 張明霞,楊全安,王守虎. 堵水調(diào)剖劑的凝膠性能評(píng)價(jià)方法綜述[J].鉆采工藝,2007,30(4):130-133.
[5] Sparlin D D,Hagen R W. Controlling water in producing operation. Part 5:Using polyacrylamide polymers[J].Word Oil,1984,5(1):55-59.
[6] 張艷輝,戴彩麗,紀(jì)文娟,等. 聚合物微球調(diào)驅(qū)機(jī)理及應(yīng)用方法探究[J]. 石油與天然氣化工,2012,41(5):508-511.
[7] 張明鋒,李軍. 一種堵水劑用交聯(lián)劑的研制與性能評(píng)價(jià)[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào),2016,29(3):64-68.
[8] 何宏,王業(yè)飛,王國(guó)瑞,等. 高溫高鹽油藏用調(diào)驅(qū)體系的研究進(jìn)展[J].油田化學(xué),2012,29(3):375-379.
[9] 賴(lài)南君,陳科,葉仲斌,等. 低滲透裂縫型油藏復(fù)合堵水劑研制與應(yīng)用[J].油田化學(xué),2014,31(3):366-370.
[10] 齊陸寧,楊少春,劉芳,等. 周期性弱凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)及應(yīng)用[J].新疆地質(zhì),2011,29(3):352-355.
[11] 何宏,王業(yè)飛,王國(guó)瑞,等. 高溫高鹽油藏用調(diào)驅(qū)體系的研究進(jìn)展[J].油田化學(xué),2012,29(3):375-379.
[12] 李翠霞,覃孝平. 互穿聚 合物網(wǎng)絡(luò)凝膠調(diào)剖堵水劑的研究進(jìn)展[J].應(yīng)用化工,2014,43(10):1895-1898.
[13] 陳大鈞,趙瑩,于小榮,等. 新型弱凝膠的交聯(lián)及其性能研究[J].應(yīng)用化工,2014,43(7):1168-1170.
[14] 穆洪威. 酚醛固體預(yù)聚體的制備及與聚丙烯酰胺交聯(lián)性能評(píng)價(jià)[D].大慶:東北石油大學(xué),2015.
[15] 朱懷江,王平美,劉強(qiáng),等. 一種適用于高溫高鹽油藏的柔性堵劑[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2007,34(2):230-233.
[16] 閆霜,楊雋,高玉軍,等. 一種聚合物弱凝膠深部調(diào)剖劑的研究[J].應(yīng)用化工,2014,43(5):905-908.
[17] 王宇賓,孫磊,張貴清,等. 一種復(fù)合交聯(lián)劑的制備及性能評(píng)價(jià)[J].化工進(jìn)展,2017,36(2):683-688.
[18] 雷鑫宇,李卉,陳爽,等. 聚乙烯醇-脲醛樹(shù)脂堵水劑的改性研究[J].應(yīng)用化工,2014,43(2):208-211.
[19] 西安石油大學(xué). 一種用于評(píng)價(jià)凝膠性能的裝置及評(píng)價(jià)方法:201611189905. 3[P]. 2017-11-14.
[20] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). SY/T 5345—2007巖石中兩相流體相對(duì)滲透率測(cè)定方法[S].北京:石油工業(yè)出版社,2008.
[21] 郭程飛. 低滲透裂縫性油藏弱凝膠調(diào)剖實(shí)驗(yàn)研究[D].成都:成都理工大學(xué),2015.