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        納米顆粒氮?dú)馀菽w系的封堵效果及參數(shù)優(yōu)化

        2018-08-30 03:01:16盧祥國(guó)劉進(jìn)祥徐國(guó)瑞張?jiān)茖?/span>
        石油化工 2018年8期
        關(guān)鍵詞:泡劑氣液泡沫

        葛 嵩,盧祥國(guó),劉進(jìn)祥,徐國(guó)瑞,李 翔,張?jiān)茖殻?

        (1.東北石油大學(xué) 教育部提高油氣采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318;2.中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)事業(yè)部,天津 300450;3.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司 渤海石油研究院,天津 300452)

        渤海油藏具有非均質(zhì)性強(qiáng)和巖石膠結(jié)強(qiáng)度低等特點(diǎn),加之長(zhǎng)期注水沖刷,對(duì)巖石結(jié)構(gòu)破壞十分嚴(yán)重,進(jìn)一步加劇了注入水沿高滲透層或大孔道突進(jìn),嚴(yán)重影響注水注聚開(kāi)發(fā)效果。近年來(lái),發(fā)展迅速的泡沫調(diào)驅(qū)堵水技術(shù)已經(jīng)成為了海上厚油層挖潛進(jìn)一步提高采收率的關(guān)鍵技術(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景?,F(xiàn)有穩(wěn)泡劑多加入聚丙烯酰胺、多肽等聚合物,該類物質(zhì)雖然能夠增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性,但是起泡體積低,高溫易分解,所遺留的有機(jī)物殘?jiān)鼤?huì)損害地層。也有學(xué)者選擇將水溶性無(wú)機(jī)鹽作為穩(wěn)泡劑,但是無(wú)機(jī)鹽的存在會(huì)造成管線和設(shè)備的電化學(xué)腐蝕。王騰飛等將Al(OH)3作為穩(wěn)泡劑,但是其穩(wěn)泡和封堵能力不理想。因而,海上油田開(kāi)發(fā)急需展開(kāi)新型穩(wěn)泡劑的研究[1-2]。納米顆粒作為新型納米材料,在生活和科研中被廣泛應(yīng)用[3-6]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)納米顆粒作為穩(wěn)泡劑的可行性做了研究,發(fā)現(xiàn)它們可以大幅度提高泡沫的穩(wěn)定性,同時(shí)納米顆粒具有較好的耐溫耐鹽性,適于海上油藏條件下的生產(chǎn)[7-8]。

        本工作利用納米顆粒穩(wěn)泡劑、起泡劑和氮?dú)獾冉M成泡沫體系,以渤海典型油藏地質(zhì)特征和流體為研究對(duì)象,通過(guò)物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了不同因素對(duì)泡沫體系封堵效果的影響,為納米顆粒穩(wěn)泡體系在海上油田應(yīng)用提供理論支持。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 原料

        泡沫體系由納米顆粒穩(wěn)泡劑、起泡劑和氮?dú)獾冉M成。起泡劑:非離子表面活性劑PO-FASD,有效含量35%,中海油油服有限公司;穩(wěn)泡劑:贏創(chuàng)6#納米顆粒,有效含量100%,贏創(chuàng)特種化學(xué)(上海)有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為SZ36-1模擬水,模擬水性質(zhì)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)巖心為人造均質(zhì)巖心[9-10],滲透率3 000×10-3mm2,尺寸為4.5 cm×4.5 cm×30 cm。

        表1 模擬水性質(zhì)Table 1 Properties of simulated water

        1.2 測(cè)試方法

        配置不同納米顆粒濃度的納米顆粒氮?dú)馀菽w系,通過(guò)攪拌器剪切180 s發(fā)泡后,測(cè)試其泡沫穩(wěn)定性。巖心飽和水測(cè)滲透率,注入納米顆粒氮?dú)馀菽w系,后續(xù)水驅(qū)至壓力穩(wěn)定,測(cè)試封堵率。改變納米顆粒濃度、氣液比例、段塞尺寸、注入速度、起泡劑濃度、注入方式,研究體系的封堵效果。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫體系的影響

        穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度對(duì)氮?dú)馀菽€(wěn)定性的影響表2。

        表2 穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度對(duì)氮?dú)馀菽€(wěn)定性的影響Table 2 Effect of nanoparticle concentration on nitrogen foam stability

        從表2可看出,在穩(wěn)泡劑類型一定的情況下,隨穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度的增加,各項(xiàng)指數(shù)均有增加,但當(dāng)濃度超過(guò)0.30%(w)后,起泡體積和析液半衰期呈下降的趨勢(shì)。析液半衰期和泡沫半衰期增加,表明泡沫穩(wěn)定性增強(qiáng)。這是因?yàn)?,?dāng)起泡劑與納米顆?;旌闲纬蓱腋∫后w后,納米顆粒會(huì)吸附到氣液界面,對(duì)泡沫形成保護(hù),減緩液膜的排液速度,同時(shí)在一定程度上抑制了氣泡的歧化,使泡沫的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

        2.2 泡沫體系封堵性能評(píng)價(jià)

        2.2.1 穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫體系封堵效果的影響

        穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度對(duì)泡沫體系封堵率的影響見(jiàn)表3,注入壓力與納米顆粒濃度和PV數(shù)的關(guān)系見(jiàn)圖1。從表3可看出,加入納米顆粒后,后續(xù)水結(jié)束壓力梯度和封堵率明顯增加,在濃度為0.3%(w)時(shí)達(dá)到最大值。從圖1可看出,隨穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度的增加,注入壓力和后續(xù)水穩(wěn)定壓力呈先增加后降低的趨勢(shì),在濃度0.3%(w)時(shí)達(dá)到最高。這是因?yàn)?,未加入穩(wěn)泡劑的普通泡沫由于氣、液黏度差異較大,氣泡不穩(wěn)定易形成氣竄。而加入穩(wěn)泡劑后,由于穩(wěn)泡劑的納米顆粒本身脫附能較大,與液膜結(jié)合力較強(qiáng),納米顆粒吸附后形成機(jī)械強(qiáng)度較大的保護(hù)膜,可減小泡沫與巖心孔喉摩擦對(duì)泡沫的破壞,使泡沫在巖心運(yùn)移過(guò)程中的穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。緊密排列的顆粒會(huì)對(duì)液膜中水動(dòng)力流動(dòng)產(chǎn)生阻力,減小液膜的排液速度。同時(shí),也減小了氣體與液體的接觸面積,抑制氣泡的歧化,泡沫本身的穩(wěn)定性也得到加強(qiáng)。

        表3 納米顆粒濃度對(duì)泡沫體系封堵率的影響Table 3 Effect of nanoparticle concentration on plugging rate of foam system

        圖1 注入壓力與注入PV數(shù)關(guān)系Fig.1 Relationship between injection pressure and injection PV number.

        穩(wěn)泡劑中納米顆粒的穩(wěn)泡機(jī)理見(jiàn)圖2。從圖2可看出,表面活性劑分子會(huì)吸附到納米顆粒表面,降低界面張力,進(jìn)一步加強(qiáng)納米顆粒吸附到氣液界面的能力。但納米顆粒在氣液界面吸附量是有限的,當(dāng)表面達(dá)到吸附平衡后再增加納米顆粒濃度,反而不利于泡沫的穩(wěn)定,導(dǎo)致后續(xù)水穩(wěn)定壓力有所降低。當(dāng)納米顆粒濃度超過(guò)0.3%(w)時(shí),泡沫的起泡體積開(kāi)始減少,半衰期也開(kāi)始縮短。這可能是當(dāng)氣液界面納米顆粒的吸附量達(dá)到平衡后,再增加納米顆粒濃度,未被吸附的顆粒量會(huì)增多,顆粒間會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚形成團(tuán)聚體,團(tuán)聚體會(huì)擠壓泡體,導(dǎo)致泡壁破裂,從而降低泡沫的強(qiáng)度。同時(shí)未被吸附的納米顆粒會(huì)吸附大量的表面活性劑,導(dǎo)致發(fā)泡體積降低,最終導(dǎo)致泡沫的起泡和穩(wěn)泡性能反而下降[11-13]。

        圖2 納米顆粒穩(wěn)泡機(jī)理Fig.2 Mechanism diagram of bubble stabilization.

        2.2.2 氣液比對(duì)泡沫體系封堵效果的影響

        氣液比對(duì)泡沫體系封堵率的影響見(jiàn)表4。從表4可看出,隨氣液比增加,后續(xù)水結(jié)束壓力梯度和封堵率先升高后降低,在氣液比2∶1時(shí)達(dá)到最大值。隨氣液比升高,泡沫的表觀黏度也會(huì)隨之升高,泡沫在多孔介質(zhì)中滯留量增多,使得泡沫的封堵能力增強(qiáng)。而當(dāng)氣液比較大時(shí),多孔介質(zhì)中形成泡沫的尺寸較大,通過(guò)孔喉時(shí)發(fā)生擠壓,導(dǎo)致泡沫在巖心中運(yùn)移時(shí)易發(fā)生破裂。同時(shí),由于泡沫中的液相的減少,泡沫液膜變薄,泡沫容易聚并破裂且發(fā)生氣竄,使得通過(guò)多孔介質(zhì)的流動(dòng)阻力變小[14-16]。因此,泡沫在多孔介質(zhì)中存在一個(gè)最佳的氣液比,該氣液比下形成的泡沫穩(wěn)定性較好,封堵能力強(qiáng)。綜上所述,適宜的氣液比在(1∶1)~(2∶1)之間。

        表4 氣液比對(duì)泡沫體系封堵率的影響Table 4 Effect of gas-liquid ratio on the plugging rate of the foam system

        2.2.3 段塞尺寸對(duì)泡沫體系封堵效果的影響

        段塞尺寸對(duì)泡沫體系封堵率的影響見(jiàn)表5,從表5可看出,隨段塞尺寸的增加,后續(xù)水結(jié)束壓力梯度和封堵率均呈增加趨勢(shì)。表明注入的泡沫體系具有良好的封堵效果,泡沫納米顆粒加入可以增強(qiáng)泡沫強(qiáng)度,使泡沫在巖心中不容易破裂,降低氣體流度。同時(shí)作為固相,納米顆粒對(duì)地層也有暫時(shí)封堵作用,納米顆粒在多孔介質(zhì)中封堵和運(yùn)移,也加強(qiáng)了泡沫的生成。雖然增加段塞尺寸,封堵率有一定提高,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮推薦段塞尺寸為0.10~0.15 PV。

        表5 段塞尺寸對(duì)泡沫體系封堵率的影響Table 5 Effect of slug size on the plugging rate of the foam system

        2.2.4 注入速度對(duì)泡沫體系封堵效果的影響

        注入速度對(duì)泡沫體系封堵率的影響見(jiàn)圖3。從圖3可看出,隨注入速度增加,注入壓力升高,后續(xù)水穩(wěn)定壓力也隨之升高。由于起泡劑體系本身黏度較高,發(fā)泡需克服一定阻力。當(dāng)注入速率較低時(shí),產(chǎn)生的克服發(fā)泡所需的能量較低,因此產(chǎn)生泡沫的數(shù)量較少,泡沫穩(wěn)定性差,從而導(dǎo)致壓差上升幅度較小,后續(xù)水穩(wěn)定壓力較低。當(dāng)達(dá)到一定注入速率后,產(chǎn)生較大流動(dòng)能力,產(chǎn)生的泡沫數(shù)量較多,從而注入壓力增幅較高,后續(xù)水穩(wěn)定壓力也較高。但泡沫在巖心中也同時(shí)受到孔喉剪切作用,若注入速度過(guò)高,泡沫也會(huì)由于剪切變稀而使流動(dòng)阻力減小。因此,可以綜合設(shè)備注入能力、儲(chǔ)層巖石破裂壓力和低滲透層啟動(dòng)壓力等因素確定礦場(chǎng)注液速度。

        圖3 注入壓力與注入PV數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between injection pressure and injection PV number.

        2.2.5 起泡劑濃度對(duì)泡沫體系封堵效果的影響

        起泡劑濃度對(duì)泡沫體系封堵率影響見(jiàn)圖4。

        圖4 注入壓力和注入PV數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between injection pressure and injection PV number.

        從圖4可看出,起泡劑濃度增加時(shí),泡沫驅(qū)注入壓力升高,后續(xù)水穩(wěn)定壓力升高。當(dāng)起泡劑濃度升高到0.3%(w)時(shí),后續(xù)水驅(qū)階段穩(wěn)定注入壓力值明顯增加,但繼續(xù)增大濃度,注入壓力差異不大。這可能是因?yàn)?,由于納米顆粒會(huì)吸附起泡劑,導(dǎo)致起泡劑濃度較低時(shí)產(chǎn)生泡沫較少,封堵率較低。當(dāng)起泡劑濃度增加時(shí),納米顆粒因吸附較多的起泡劑使其疏水性增強(qiáng),產(chǎn)生泡沫數(shù)目增多且穩(wěn)定性提高,封堵率增加。進(jìn)一步增加起泡劑濃度,起泡劑在納米顆粒表面形成雙層吸附顆粒,泡沫穩(wěn)定性進(jìn)一步提高。但同時(shí)納米顆粒對(duì)于起泡劑的吸附達(dá)到飽和,繼續(xù)增加起泡劑濃度對(duì)泡沫穩(wěn)定性影響較小。因此,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮,適宜的起泡劑濃度為0.4%~0.5%(w)。

        2.2.6 注入方式對(duì)泡沫體系封堵效果的影響

        注入方式對(duì)泡沫體系封堵率的影響見(jiàn)表6。從表6可看出,同時(shí)注入方式的后續(xù)水結(jié)束壓力梯度和封堵率都高于交替注入方式。同時(shí)注入方式的注入壓力和后續(xù)水穩(wěn)定壓力均較高。這是因?yàn)椋捎猛瑫r(shí)注入方式時(shí),氮?dú)馀c發(fā)泡劑體系混合更充分,生成泡沫較多且穩(wěn)定,可對(duì)巖心內(nèi)水流通道進(jìn)行更為持續(xù)的封堵。而采用交替注入方式時(shí),泡沫體系不穩(wěn)定,易造成氣竄,難以形成較大的封堵壓差,封堵能力較低。但考慮到地層破裂壓力的限制,應(yīng)該綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇注入方式。

        表6 注入方式對(duì)泡沫體系封堵率的影響Table 6 Effect of injection mode on the plugging rate of the foam system

        3 結(jié)論

        1)穩(wěn)泡劑納米顆粒具有較好的穩(wěn)泡性能,當(dāng)納米顆粒濃度為0.3%(w)時(shí),穩(wěn)泡效果較好。

        2)對(duì)泡沫體系進(jìn)行封堵,適宜的條件為:穩(wěn)泡劑納米顆粒濃度為0.3%(w)、氣液比在(1∶1)~(2∶1)、段塞尺寸為0.10~0.15 PV、起泡劑濃度0.4%~0.5%(w)。

        3)應(yīng)綜合設(shè)備注入能力、儲(chǔ)層巖石破裂壓力和低滲透層啟動(dòng)壓力等因素來(lái)確定礦場(chǎng)注液速度。

        4)與氣液交替注入方式相比較,氣液同時(shí)注入發(fā)泡效果較好,封堵率較高,但后者可能造成注入困難。需綜合考慮礦場(chǎng)儲(chǔ)層滲透性和破裂壓力等因素來(lái)選擇注入方式。

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