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        高性能凍膠泡沫體系研究

        2021-06-07 06:06:26武俊文蘭金城張汝生王海波王彥玲李亮
        應用化工 2021年5期
        關鍵詞:體系

        武俊文,蘭金城,張汝生,王海波,王彥玲,李亮

        (1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國石油大學(華東) 石油工程學院,山東 青島 266580;3.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院,新疆 烏魯木齊 830011)

        油田出水降低了經(jīng)濟效益。凍膠和泡沫是常用的控水技術[1-2],但凍膠選擇性堵水能力弱[3],泡沫穩(wěn)定性差,不能阻止液體流通和堵塞裂縫[4-5],從而,兼具凍膠和泡沫優(yōu)點的凍膠泡沫近年來被廣泛研究[6]。凍膠泡沫由凍膠和泡沫組成,通入氣體后發(fā)泡形成,其能穩(wěn)定地存在孔道壁上,產生的Jamin效應會讓流體的流動性變差,是一種優(yōu)良堵劑[7-9]。Jin[10]、Liao[11]和李亮[12]等研制的凍膠泡沫穩(wěn)定性好,應用效果優(yōu)良,但仍有不足,一是選擇性堵水能力不強;二是耐溫性差。本文向聚合物中加入耐溫耐鹽添加劑,優(yōu)化配方形成凍膠泡沫后,通過室內實驗評價其耐溫性和選擇性封堵能力。

        1 實驗部分

        1.1 材料與儀器

        聚合物Z1、Z2、Z3均為工業(yè)品,基本性能見表1,Z4為實驗室自制改性耐溫聚合物;酚醛交聯(lián)劑,工業(yè)品;穩(wěn)定劑LC,實驗室自制;發(fā)泡劑A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K和L,實驗室自制;TH油田模擬地層水,實驗室自制;實驗用巖心尺寸為? 25 mm×300 mm,滲透率分布為50×10-3,200×10-3,500×10-3μm2。

        表1 不同類型聚合物基本性能

        HWL-320F恒溫干燥箱;7012s blender攪拌儀;HQY-3注氣驅巖心評價系統(tǒng);MF40034008氣體質量流量計;SHZ-D(Ⅲ)真空泵;M11536凝膠強度測定儀。

        1.2 實驗方法

        1.2.1 改性聚合物的制備 將一定量的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸單體、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸異辛酯和丙酮溶劑移置四口瓶中,除去瓶中氧氣,用玻璃棒在瓶中攪動并加熱。向瓶中添加自由基引發(fā)劑,反應一定時間后得到耐溫聚合物產品,將所得粗產物用無水乙醇反復浸泡,最后烘干得到改性耐溫耐鹽聚合物Z4。

        1.2.2 凍膠成膠時間和強度的確定 將聚合物、酚醛交聯(lián)劑和穩(wěn)定劑按一定比例溶解后混合放入高壓反應釜容器中,在120 ℃恒溫干燥箱中加熱一定時間后取出至樣品瓶中。采用GSC 強度代碼法,該法由Sydansk提出,以此來定性確定凍膠強度等級和成膠時間[13-14];使用凝膠強度測定儀定量測定凍膠強度。

        1.2.3 凍膠脫水率的測定 使用凍膠脫水率來評價其長時間下的耐溫性能。將其放入120 ℃的干燥箱中,記錄凍膠的脫水量,最終計算出凍膠的脫水率(S),計算公式為:

        其中,S為脫水率,%;V為成膠時凝膠的體積;Vt為老化t時間后凝膠的體積。

        1.2.4 起泡性能 使用地層模擬水配制發(fā)泡劑溶液,采用Waring評價方法評價泡沫的起泡性能和穩(wěn)泡性能[15]。

        1.2.5 巖心驅替實驗 ①將所用巖心烘干,然后稱重,在真空環(huán)境中用水浸泡;②向巖心中注入原油,并在120 ℃溫度下老化24 h;③水驅并聯(lián)巖心,流速為0.5 mL/min;④水驅結束后以0.5 mL/min流速注入0.4 PV的凍膠泡沫(氣液比1∶1),而后在 120 ℃ 環(huán)境中老化3 d;⑤以0.5 mL/min流速進行后續(xù)水驅。記錄各個時刻的壓力、產油量、產水量,直至實驗結束。

        2 結果與討論

        2.1 凍膠泡沫體系配方優(yōu)化

        2.1.1 凍膠體系聚合物性能對比研究 固定聚合物和交聯(lián)劑的濃度為0.6%,穩(wěn)定劑濃度為0.3%,然后測量凍膠體系的成膠時間,并記錄其熱穩(wěn)定性,結果見表2。

        表2 不同聚合物對凍膠體系的影響

        由表2可知,改性聚合物Z4作為主劑的凍膠熱穩(wěn)定性強,在5個月的高溫條件下脫水率仍<10%。

        2.1.2 凍膠體系濃度優(yōu)化 分別改變凍膠主劑和交聯(lián)劑的質量百分比,結果見圖1和圖2。

        圖1 聚合物濃度對凍膠體系性能的影響

        圖2 交聯(lián)劑濃度對成膠時間和成膠強度的影響

        由圖1、圖2可知,兩者濃度的增高減少了成膠時間,并同時提高了成膠強度,這是因為濃度的增加會增多參與酰胺加成反應的分子,增加了交聯(lián)機會,從而減小了成膠時間,增加了成膠強度。優(yōu)選出的聚合物的使用濃度為0.6%~0.7%,交聯(lián)劑的為0.4%~0.5%。

        圖3 發(fā)泡及穩(wěn)泡能力測試結果

        由圖3可知,初步篩選出發(fā)泡和穩(wěn)泡能力好的為發(fā)泡劑B。

        2.1.4 發(fā)泡劑濃度優(yōu)化 使用發(fā)泡劑B,研究發(fā)泡劑濃度對發(fā)泡穩(wěn)泡能力的影響,結果見表3。

        表3 發(fā)泡劑的最佳用量

        由表3可知,在一定范圍內,發(fā)泡劑濃度增加引起泡沫特征綜合值的增加,當?shù)竭_某個濃度點后趨于平穩(wěn)。這是因為當濃度變大時,發(fā)泡劑的分子向兩相交界處聚集,當增大到臨界膠束濃度時,發(fā)泡劑分子數(shù)也增加到峰值,表面張力及體系能量不再減小,泡沫特征綜合值基本保持不變。優(yōu)選出發(fā)泡劑B的最優(yōu)濃度為0.3%。

        2.2 凍膠體系性能評價

        2.2.1 無機鹽濃度對凍膠體系性能的影響 圖4給出了不同無機鹽及其濃度對凍膠體系成膠時間的影響。其中,NaCl濃度的變化范圍為0.000 05~4 mol/L,MgCl2和KCl的濃度變化范圍為0.000 05~0.01 mol/L。

        圖4 無機鹽濃度對凍膠體系成膠時間的影響

        由圖4可知,當NaCl的濃度較低時,凍膠體系的成膠時間略微延長,這是因為當Na+濃度的變大會減小聚合物分子的水動力學半徑,從而減少了交聯(lián)機會;當NaCl濃度較高時,成膠時間會略微縮短,這是因為Na+濃度的增加會大大壓縮聚合物雙電子層,減弱了他們之間的排斥力,增加了交聯(lián)機會,從而縮短了成膠時間。KCl對成膠時間的影響與NaCl大致相同,但Mg2+對凍膠體系的成膠時間的影響卻更顯著,這是由于二價陽離子有較大的電荷與尺寸比值,其較強的壓縮能力減弱了聚合物分子之間的排斥力,加成反應速度迅速增加,從而明顯地減小了成膠時間。

        2.2.2 成膠溫度對凍膠體系性能的影響 由圖5可知,當老化溫度不斷增加時,聚合物與酚醛樹脂分子之間的碰撞次數(shù)變多,從而使得有效碰撞變多,因此交聯(lián)速度會迅速增大,成膠時間也會相應縮短;但當溫度超過120 ℃后,前后曲線形態(tài)出現(xiàn)顯著差異,這主要是因為溫度越高,成膠反應變得更為復雜。

        圖5 成膠溫度對凍膠體系成膠時間和成膠強度的影響

        另外,由圖可知,成膠溫度對成膠強度幾乎沒有影響,這是由于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸單體(AMPS)的引入使得聚合物分子鏈的側鏈變得龐大,從而其熱穩(wěn)定性得到增強,減少了可斷裂部位和抑制了水解作用;N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)單體的引入又增強了聚合物分子鏈的熱穩(wěn)定性,其受熱分解作用進一步被龐大側鏈所抑制,從而凍膠體系的耐溫性得到明顯增強。AMPS和NVP的結構式見圖6。

        圖6 AMPS和NVP結構式

        2.2.3 原油含量對凍膠體系的影響 原油含量為20%~33%時對凍膠體系的影響結果見表4。

        表4 原油對高溫聚合物凝膠體系成膠動力學的影響

        由表4可知,原油對凍膠體系的成膠時間影響較小。當凍膠溶液制備好后,聚合物交聯(lián)劑體系已經(jīng)和水相相溶,從而阻止了油相的進入,因而基本不影響水相中凍膠體系交聯(lián)反應過程。但是,原油所占比例的進一步變大會略微降低凍膠體系的成膠強度。

        2.3 巖心封堵實驗

        使用0.6%Z4聚合物+0.4%酚醛交聯(lián)劑+0.3%穩(wěn)定劑+0.3%發(fā)泡劑B凍膠泡沫體系,采用雙管并聯(lián)巖心模型(分別為50 ×10-3μm2與200 ×10-3μm2并聯(lián)以及50×10-3μm2與500×10-3μm2人造巖心并聯(lián)模型)進行巖心封堵實驗,主要分為三個階段,即水驅階段、注入凍膠泡沫體系階段以及后續(xù)水驅階段。巖心參數(shù)見表5,驅替結果見圖7~圖10。

        圖10 凍膠泡沫體系注入前后各巖心分流情況(D2與G2并聯(lián))

        表5 巖心物理參數(shù)

        圖7 D1與G1并聯(lián)控水增油效果曲線

        由圖7可知,壓力在水驅階段先慢慢變大后漸漸穩(wěn)定,這是水相滲流通道完全形成導致的,也是水相能驅替原油程度達到最大的表現(xiàn);在注入凍膠泡沫體系階段,由于凍膠泡沫的黏度大于水相,所以注入壓力要明顯高于水驅階段;和水驅階段相比,后續(xù)水驅階段注入壓力較高,這是由于此時滲流通道主要是在低滲巖心中,較低的滲透率引起了注入壓力的升高。就含水率來看,在水驅階段是快速上升直至達到100%,這是由于水相滲流通道逐漸形成的緣故;而后在注入凍膠泡沫體系時有所下降;最后在后續(xù)水驅階段又快速上升;就整個過程來看,含水率曲線是一漏斗狀。總驅油效率整體上呈逐漸上升趨勢,水驅階段對其貢獻最大,能達到25.6%;注入凍膠泡沫體系后總驅油效率又提升了4.3%,采收率提升明顯。

        由圖8可知,水驅階段主要是高滲巖心出油和出水,而在后續(xù)水驅階段則主要是低滲巖心產出流體,說明凍膠泡沫體系中的大部分都被注入進了高滲巖心,并形成了有效封堵,使得后續(xù)水驅時對低滲層中的原油進行有效開采??偟膩砜矗瑑瞿z泡沫體系主要選擇性地進入高滲層,并顯著降低其滲流能力,表現(xiàn)出較強的選擇性堵水能力。

        圖8 凍膠泡沫體系注入前后各巖心分流情況(D1與G1并聯(lián))

        由圖9和圖10可知,注入壓力、含水率和總驅油效率的變化趨勢和滲透率級差小的并聯(lián)組合基本一致,只是級差大的組合會表現(xiàn)出更低的注入壓力和更高的驅油效率。這是因為其組合中高滲巖心具有更大的滲透率,其中原油更易于開采。注入凍膠泡沫體系后,其后續(xù)水驅階段可提高總驅油效率6.5%;滲透率級差與凍膠泡沫體系的選擇性封堵能力呈正相關,注入階段幾乎選擇性全部進入高滲巖心,形成有效封堵,所以在后續(xù)水驅階段,高滲巖心中幾乎沒有流體流出。

        圖9 D2與G2并聯(lián)控水增油效果曲線

        3 結論

        (1)實驗優(yōu)選出的凍膠泡沫體系配方為:0.6%~0.7%Z4聚合物+0.4%~0.5%酚醛交聯(lián)劑+0.3%穩(wěn)定劑+0.3%發(fā)泡劑B。

        (2)巖心驅替實驗表明,凍膠泡沫體系能選擇性地進入滲透率大的巖心,并產生強有力的封堵,后續(xù)水驅顯著提高低滲層的產油率;地層滲透率級差越大,選擇性堵水能力越強。

        (3)在理論上,本文通過引入新的耐溫單體來適應油藏高溫特點的研究思路,對于開采其它類型的油藏具有很好的借鑒意義;將凍膠和泡沫結合起來的方法也為其他研究提供了一種新思路:結合具有不同特點的體系從而得到兼具兩者優(yōu)點的復合體系。

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