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        高鹽油藏聚合物微球緩膨性能

        2019-04-08 01:42:48盧祥國呂金龍王曉燕張立東
        石油化工 2019年3期

        王 威,盧祥國,呂金龍,王曉燕,張立東

        (1.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院 提高油氣采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318;2.中國石油 吐哈油田工程技術(shù)研究院,新疆 鄯善 838202)

        隨著原油需求量的日趨增長,如何高效開發(fā)高礦化度油藏引起科研工作者的廣泛重視[1]。聚合物驅(qū)油具有技術(shù)簡單、操作流程簡便、投資成本較小和采收率增幅較大的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用于各大油田[2-3]。國內(nèi)聚合物驅(qū)主要集中在中低鹽油藏,在高礦化度和高鈣鎂離子條件下,常規(guī)聚合物分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,黏度會急劇下降,對油田增油降水效果影響顯著,而聚合物微球則有良好的耐溫抗鹽特性,同時聚合物微球具有較強(qiáng)的變形能力和較小的微球顆粒分布范圍,在多孔介質(zhì)中具有“捕集—變形—運(yùn)移—再捕集—再變形—再運(yùn)移……”運(yùn)動特征,能夠有效地削弱剖面返轉(zhuǎn)現(xiàn)象,對深部液流轉(zhuǎn)向和擴(kuò)大波及體積具有重要意義[4-12]。從礦場應(yīng)用效果來看,高溫高鹽油藏如華北油田及海塔油田應(yīng)用聚合物微球調(diào)驅(qū)效果顯著[13-16]。吐哈雁木西油田具有儲層滲透率低,油藏高礦化度等特點(diǎn),因此對聚合物微球調(diào)驅(qū)效果的研究尤為重要。

        本工作針對吐哈雁木西油田高礦化度的油藏條件,對4種微球的水化膨脹規(guī)律進(jìn)行研究,利用均質(zhì)巖心評價聚合物微球封堵性能和緩膨效果,篩選出封堵和緩膨效果較好的聚合物微球,為特高礦化度條件下聚合物微球的研究提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料

        聚合物微球A1:反相乳化合成微球用油相為白油,實(shí)驗(yàn)室合成;聚合物微球A2:反相乳化合成微球用油相為液體石蠟,實(shí)驗(yàn)室合成;聚合物微球B:中海石油天津分公司;聚合物微球C:山東諾爾生物科技有限公司。以上微球有效含量均為100%。

        實(shí)驗(yàn)用水為吐哈雁木西油田模擬注入水和軟化水,其中軟化水是通過除去水中鈣鎂離子而獲取。注入水水質(zhì)分析見表1。

        表1 水質(zhì)分析Table 1 Water quality analysis

        巖心孔隙中微球水化緩膨效果評價實(shí)驗(yàn)用巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造均質(zhì)方巖心,滲透率為 1 300×10-3μm2,外觀尺寸為 4.5 cm×4.5 cm×30 cm[17]。

        1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

        采用奧特光學(xué)儀器公司BDS400型倒置生物顯微鏡觀測聚合物微球外觀形態(tài)、尺寸及分布規(guī)律,對微球粒徑、粒徑分布和水化緩膨效果進(jìn)行分析。

        巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括平流泵、壓力傳感器、手搖泵和中間容器等[18]。除平流泵和手搖泵外,其他部分置于50 ℃恒溫箱內(nèi)。考慮到高礦化度注入水密度較高,聚合物微球密度略低于水,實(shí)驗(yàn)過程中微球會在普通中間容器內(nèi)發(fā)生漂浮,進(jìn)而對微球進(jìn)入巖心孔隙造成不利影響,因此采用具有攪拌功能的中間容器。

        采用目標(biāo)油田注入水分別配制成600,1 200,1 800 mg/L微球溶液,置于50 ℃保溫箱中,定期取樣檢測。考慮到目標(biāo)油田注入水礦化度較高,聚合物微球分散效果較差,測量前先攪拌5~10 min,再用醫(yī)用注射器吸取少量試樣滴到載玻片上,之后定期觀測微球形態(tài)和尺寸,確定微球粒徑與水化時間的關(guān)系,統(tǒng)計(jì)微球膨脹前后的粒徑分布。

        微球膨脹倍數(shù)的計(jì)算見式(1)。

        式中,Q為微球膨脹倍數(shù);d1和d2分別為初始和膨脹后微球的粒徑,μm。

        1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

        在顯微鏡屏幕測試框內(nèi)劃定一個半徑800 μm圓形區(qū)域,統(tǒng)計(jì)該區(qū)域內(nèi)微球數(shù)目和粒徑,求出最大值和最小值。將微球粒徑數(shù)據(jù)分成若干組,分組數(shù)量5~12間較為適宜,分組個數(shù)稱為組數(shù),每組兩個端點(diǎn)差值稱為組距。采用粒徑最大值和最小值之差除以組數(shù),確定組距寬度。計(jì)算各組界限位,各組界限位可以從第一組開始依次計(jì)算,第一組下界為最小值,第一組上界為其下界值加上組距;第二組下界限位為第一組上界限值,第二組下界限值加上組距,就是第二組上界限位,依此類推。統(tǒng)計(jì)各組數(shù)據(jù)出現(xiàn)頻數(shù),計(jì)算各組頻率。以組距為底長,以頻率為高,繪制各組粒徑分布曲線。

        采用目標(biāo)油田注入水配制設(shè)計(jì)濃度聚合物微球溶液,將微球溶液裝入實(shí)時攪拌型中間容器內(nèi),啟動中間容器內(nèi)攪拌槳,確保微球不發(fā)生漂?。粚r心放入巖心夾持器,采用管線將平流泵、中間容器和巖心夾持器連接成一個注采系統(tǒng),除巖心夾持器外,其他儀器設(shè)備置于保溫箱外;采用手搖泵提高夾持器環(huán)壓壓力,確保環(huán)壓壓力高于注入壓力1 MPa以上。啟動平流泵,以0.3 mL/min速率水驅(qū)直至注入壓力穩(wěn)定,記錄注入壓差,確定巖心水測滲透率;以3 mL/min速率將設(shè)計(jì)PV數(shù)(巖心孔隙體積倍數(shù))微球溶液注入巖心,停泵;為消除微球在巖心注入端面附近區(qū)域滯留而產(chǎn)生的“橋堵”效應(yīng),將巖心從夾持器中取出,切掉端面附近2.0 cm長度,再將巖心按取出狀態(tài)放回夾持器;以0.3 mL/min速率再進(jìn)行水驅(qū),直至壓力穩(wěn)定,記錄壓差,計(jì)算阻力系數(shù)。巖心夾持器保留在恒溫箱內(nèi),定期后續(xù)水驅(qū)直至壓力穩(wěn)定,記錄壓差。

        1.4 方案設(shè)計(jì)

        采用注入水和軟化水分別配制微球A1、微球B和微球C溶液(600 mg/L),然后用生物顯微鏡觀測和統(tǒng)計(jì)不同時刻粒徑和粒徑分布。

        采用軟化水配制微球A2溶液(1 800 mg/L)和注入水微球C,將它們分別注入巖心孔隙,定期測量不同時刻注入壓力,計(jì)算阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)和封堵率。顯微鏡觀測實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行,微球儲存和巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)溫度50 ℃。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 微球粒徑、粒徑分布及膨脹性能

        2.1.1 微球粒徑和粒徑分布與時間關(guān)系

        圖1為注入水配制微球粒徑分布與水化時間的關(guān)系。

        由圖1a可知,微球A1初始粒徑2.10~2.70 μm,粒徑中值2.40 μm;120 h前微球粒徑中值變化幅度不大,120 h后粒徑最大值5.70 μm,中值3.00 μm;192 h后膨脹基本停止,最大顆粒粒徑6.40 μm,中值3.25 μm,膨脹倍數(shù)1.33~1.38。由圖1b可知,微球B初始粒徑15.20~16.50 μm,中值15.85 μm;由于溶劑水礦化度較高,微球粒徑逐漸變??;120 h后粒徑最大值5.70 μm,中值3.00 μm;192 h后粒徑最大值 5.70 μm,中值 2.45 μm。由圖1c可知,微球C初始粒徑6.20~7.30 μm,中值 6.75 μm;120 h后粒徑最大值 12.80 μm,中值8.05 μm;192 h后部分微球粒徑迅速增加,最大值13.80 μm,中值9.60 μm,膨脹倍數(shù)1.39~1.45。

        圖1 微球粒徑分布與時間關(guān)系Fig.1 Relationship between polymer microsphere size distribution and time.

        2.1.2 微球類型及膨脹性能

        表2為注入水配制微球A1、微球B和微球C水化膨脹過程中粒徑中值與時間的關(guān)系。

        由表2可知,隨時間的增加,微球B粒徑呈現(xiàn)收縮狀態(tài);其他微球處于膨脹狀態(tài),其中微球C粒徑增加幅度較大。

        圖2為微球粒徑中值膨脹倍數(shù)與時間關(guān)系。由圖2可知,隨水化時間的延長,微球C粒徑膨脹倍數(shù)增加幅度較大。從水化效果(即膨脹倍數(shù))方面考慮,幾種微球性能優(yōu)劣排序?yàn)槲⑶駽(1 200,1 800 mg/L)>微球A1(600,1 200,1 800 mg/L)和微球C(600 mg/L)>微球B(600,1 200,1 800 mg/L)。因此,選用微球C(1 800 mg/L)用于后續(xù)巖心緩膨效果評價實(shí)驗(yàn)。

        2.1.3 水型對微球膨脹性能的影響

        表3為采用軟化水配制的聚合物微球溶液,微球粒徑與時間的關(guān)系。由表3可知,隨著時間的增加,微球B粒徑呈收縮狀態(tài),微球C粒徑變化不穩(wěn)定,其他微球處于膨脹狀態(tài),其中微球A2(1 800 mg/L)粒徑增幅最大,192 h后中值為10.20 μm。

        表2 粒徑中值測試結(jié)果Table 2 Median diameter of polymer microspheres

        圖2 微球膨脹倍數(shù)與時間的關(guān)系Fig.2 Relationship between polymer microsphere expansion ratio and expansion time.

        圖3為微球粒徑中值膨脹倍數(shù)與時間的關(guān)系。由圖3可知,隨著水化時間的延長,微球A2粒徑膨脹倍數(shù)增加幅度較大。從水化效果(即膨脹倍數(shù))方面考慮,幾種微球性能優(yōu)劣排序?yàn)槲⑶駻2>微球A1>微球B>微球C。

        綜上所述,對比表2與表3數(shù)據(jù)分析可知,與注入水配制微球相比,軟化水微球在外觀形態(tài)、數(shù)量和穩(wěn)定性等方面存在差異。在注入水配制微球條件下,微球C膨脹倍數(shù)為2.61~2.66,微球A為1.32~1.70,微球B粒徑逐漸減小。在軟化水條件下,微球A2(1 800 mg/L)膨脹倍數(shù)為3.92~4.27,微球A1較微球A2緩膨性稍差,但水溶性較好。微球B粒徑呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢,微球C水化膨脹作用效果較差。

        表3 粒徑中值測試結(jié)果Table 3 Median diameter of polymer microspheres

        圖3 微球膨脹倍數(shù)與時間關(guān)系Fig.3 Relationship between polymer microsphere expansion ratio and expansion time.

        在幾種微球中,除微球B外,其他微球在軟化水中存在聚并現(xiàn)象,即微球呈現(xiàn)“鏈狀”和“多邊形狀”結(jié)構(gòu)排列,多數(shù)微球附于此結(jié)構(gòu)兩側(cè)或內(nèi)部;軟化水配制微球在測試過程中發(fā)生數(shù)量明顯減少現(xiàn)象(微球材料溶解于水中),其中微球C尤其明顯;注入水配制微球C在測試過程中發(fā)生漂浮現(xiàn)象,而軟化水配制微球C會發(fā)生絮狀沉淀,攪拌后絮狀物消失。

        由于雁木西油田水礦化度較高,在低溫冷凍條件下微球試樣常伴隨鹽析出,通過尋找碳元素可捕捉少量微球。圖4為微球C的TEM照片。由圖4可知,微球C在雁木西油田注入水中與鹽顆粒分界清晰,形態(tài)穩(wěn)定。而在軟化水中,微球被鹽晶體覆蓋包裹嚴(yán)重,微球與鹽晶體界限不清晰,微球形態(tài)不穩(wěn)定。

        2.2 微球巖心孔隙內(nèi)水化緩膨和封堵性能

        2.2.1 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)

        表4為聚合物微球巖心孔隙內(nèi)緩膨封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表4可知,微球進(jìn)入巖心孔隙后發(fā)生滯留,致使孔隙過流端面減小,滲流阻力增加,2種微球阻力系數(shù)分別為3.5和3.6,其中微球A2性能略占優(yōu)。在巖心孔隙內(nèi)滯留過程中,微球水化膨脹致使?jié)B流阻力進(jìn)一步增加,7 d后殘余阻力系數(shù)分別為4.8和5.4,表現(xiàn)出較強(qiáng)的液流轉(zhuǎn)向能力。

        圖4 微球C的TEM照片F(xiàn)ig.4 TEM images of polymer microspheres C.

        表4 阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)Table 4 The resistance factor and the residual resistance factor

        2.2.2 注入壓力

        圖5為實(shí)驗(yàn)過程中微球注入壓力與PV數(shù)的關(guān)系。由圖5可知,在微球注入巖心過程中,由于微球在巖心端面發(fā)生聚并和橋堵效應(yīng),致使注入壓力持續(xù)升高。在后續(xù)水驅(qū)階段,注入壓力呈現(xiàn)由升高到穩(wěn)定的變化趨勢,這是微球在巖心孔隙內(nèi)水化膨脹和部分微球離開巖心共同作用的結(jié)果。與微球C相比較,微球A2注入壓力較高。

        圖5 注入壓力與PV數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between injection pressure and PV.

        3 結(jié)論

        1)在注入水配制微球條件下,微球C膨脹倍數(shù)為2.61~2.66,微球A為1.32~1.70,微球B粒徑逐漸減小。在軟化水條件下,微球A2(1 800 mg/L)膨脹倍數(shù)為3.92~4.27,微球A1較微球A2緩膨性稍差,但水溶性較好。微球B粒徑呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢,微球C水化膨脹作用效果較差。

        2)與注入水相比較,軟化水配制微球會造成部分微球材料溶解于水中,致使微球數(shù)量減少,其中微球C最明顯。此外,注入水配制微球C會發(fā)生漂浮現(xiàn)象,軟化水配制微球C會發(fā)生絮狀沉淀,攪拌后絮狀物消失。

        3)與微球C相比較,巖心孔隙內(nèi)微球A2引起的注入壓力、阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)較大,表明微球A2水化膨脹效果較好,液流轉(zhuǎn)向能力較強(qiáng)。

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