CO2驅(qū)封竄用新型復(fù)合凝膠體系篩選評價研究

徐 陽 (中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島266555)

趙仁保,王 淼 (中國石油大學(xué)(北京)石油與天然氣工程學(xué)院,北京102249)

劉印華,張新平 (中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島266555)

在目前石油供不應(yīng)求極有可能出現(xiàn)石油危機(jī)的情況下,石油的高效開發(fā)顯得更加重要[1]。作為一項新技術(shù),CO2驅(qū)油具有適用范圍大、驅(qū)油成本低、提高采收率顯著等優(yōu)點,并且還能減少CO2這種溫室氣體向大氣中的排放,對環(huán)境也十分有利。但是,在CO2氣體驅(qū)油的過程中,受氣體的滑脫效應(yīng)、粘性指進(jìn)以及油藏非均質(zhì)性等因素的影響,很容易發(fā)生氣竄。同時,由于重力超覆、油氣粘度差較大、非均質(zhì)地層毛管力疊加等問題加大了封堵氣竄的難度。目前,防止CO2氣竄的主要方法有水氣交替、CO2泡沫、聚合物凝膠封堵等方法,而聚合物調(diào)堵劑主要包括聚丙烯酰胺類、黃孢膠類和預(yù)交聯(lián)的體膨顆粒類等[2],其選擇依據(jù)于地層的溫度和礦化度。筆者主要針對一種硅酸鈉-丙烯酰胺凝膠復(fù)合體系進(jìn)行篩選評價,此體系國內(nèi)外研究較少,具有一定的先進(jìn)性。

1 配方的篩選及性能評價

1.1 機(jī)理分析

硅酸鈉價格低廉,來源廣泛,硅酸鈉溶液與CO2氣相接觸反應(yīng)得到硅酸鈉水凝膠,膠體無彈性,易破碎,封堵氣竄效果差。在一定的條件下,當(dāng)在硅酸鈉溶液中加入AM(丙烯酰胺單體)、交聯(lián)劑N-N亞甲基雙丙烯酰胺以及引發(fā)劑過硫酸鉀后,AM發(fā)生聚合反應(yīng)形成聚丙烯酰胺,具有一定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這樣就將強(qiáng)度不大的硅酸鈉無機(jī)凝膠嵌套在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,形成了一種聚合物凝膠和無機(jī)凝膠的復(fù)合材料,大大加強(qiáng)了無機(jī)凝膠的強(qiáng)度。另外,由于硅酸鈉凝膠的存在,增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度,生成的凝膠與巖石顆粒有一定的粘接力,從而明顯提高了體系的封堵強(qiáng)度[3];相比于其他調(diào)堵劑,聚丙烯酰胺類堵劑具有耐溫耐鹽的特點[4];并且丙烯酰胺溶液可優(yōu)先進(jìn)入地層高滲透帶和大孔道,具有一定的選擇性;在壓差較大的區(qū)域產(chǎn)生類似聚合物驅(qū)的驅(qū)油作用;配制簡單,價格適中,施工方便,是堵氣配方體系中非常理想的原料之一。

另外,前人通過試驗研究發(fā)現(xiàn)AM用量為1%～3%時,生成流動性逐漸減小的可流動凝膠,AM質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于4%時,生成高剛性不變形凝膠[5],這給低滲透裂縫欠發(fā)育油田的應(yīng)用帶來了一定的風(fēng)險,而目前CO2驅(qū)卻主要運用于低滲透油田的開發(fā);同時由于近幾年原油價格上漲帶動化工原材料(尤其是有機(jī)原材料)價格大幅度上揚(yáng),油田施工成本大幅增加。綜合這兩方面考慮,必須降低配方體系中丙烯酰胺單體的濃度,丙烯酰胺單體濃度為1.5%～2%比較經(jīng)濟(jì)合理。

1.2 試驗方法

常溫條件下稱取一定質(zhì)量的AM加入到已配制好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的100ml硅酸鈉溶液中,再加入適量交聯(lián)劑N-N亞甲基雙丙烯酰胺及引發(fā)劑過硫酸鉀,待完全溶解后注入高溫高壓反應(yīng)釜中,加熱至45℃并保持溫度恒定,注入CO2至反應(yīng)壓力,關(guān)閉閥門,靜態(tài)反應(yīng)12h,形成膠體。利用流變儀對膠體進(jìn)行蠕變回復(fù)試驗和屈服應(yīng)力測定試驗以評價其變形能力和強(qiáng)度。利用環(huán)境掃描電鏡對所成膠體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比觀察。

1.3 膠體性能評價

圖1為不同CO2壓力下體系在45℃恒溫條件下反應(yīng)后生成物的表觀形象。從圖1(a)可以看出,當(dāng)CO2分壓在1～6MPa范圍內(nèi),反應(yīng)后均形成了有固定形狀的凍膠,通過肉眼觀察、用手揉搓發(fā)現(xiàn)分壓1MPa和2MPa所成膠體無彈性、易破碎;而分壓4MPa和6MPa所成膠體具有一定的強(qiáng)度和變形能力。從圖1(b)可見,當(dāng)體系不加CO2時,反應(yīng)后體系仍能夠流動,但溶液明顯增稠,出現(xiàn) “拉絲”現(xiàn)象;這說明該配方體系在無CO2條件下,AM發(fā)生聚合反應(yīng),但生成物幾乎無強(qiáng)度,不具備封堵氣竄的能力。隨著CO2分壓的增加,所成膠體的強(qiáng)度和變形能力都有一定的提高。

圖1 生成物表觀形象圖

屈服值是指破壞膠體結(jié)構(gòu)所需施加的力,它是衡量膠體結(jié)構(gòu)抵抗破壞能力的一個指標(biāo)。屈服值越大,膠體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。表1列出4種不同配方體系試驗測定的屈服值。

由表1可以看出Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號配方體系生成膠體的屈服值較大,說明其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,并且隨著AM濃度和反應(yīng)壓力的增大屈服值是逐漸變大的,但變化幅度較小。儲能模量值的大小與凝膠的可變形性、變形后回復(fù)能力及維持整體性的能力有關(guān),儲能模量高的凝膠不易變形,變形后回復(fù)力強(qiáng),抵抗沖擊和局部破壞的能力強(qiáng)[6]。趙仁保等[7]通過對不同AM濃度和CO2分壓力條件下所成膠體的蠕變回復(fù)試驗和超聲波振蕩試驗得出AM濃度越大,CO2壓力越高,凝膠的柔量及儲能模量越大,體系的彈性越好的結(jié)論。通過分析試驗認(rèn)為:①在含有CO2的水溶液中,CO2的存在提高了丙烯酰胺單體及其他分子的擴(kuò)散能力,從而提高了丙烯酰胺單體、引發(fā)劑及交聯(lián)劑分子的接觸幾率;②CO2的擴(kuò)散及其溶解于水中形成弱酸的特性,有助于形成粒徑分布相對集中的納米級凝膠顆粒結(jié)構(gòu);丙烯酰胺單體聚合形成聚丙烯酰胺,其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠大大加強(qiáng)無機(jī)凝膠的強(qiáng)度,所以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越明顯,說明成膠效果越好。圖2為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號配方體系的成膠微觀結(jié)構(gòu)圖,通過對膠體微觀結(jié)構(gòu)分析,可以看出反應(yīng)壓力越高,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越清晰,成膠強(qiáng)度越高;對于相同反應(yīng)壓力,AM濃度越高,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越清晰,成膠強(qiáng)度越高。

表1 不同配方體系的屈服值測定結(jié)果

圖2 體系成膠微觀結(jié)構(gòu)圖

2 堵劑封堵性巖心試驗研究

AM濃度的增加有助于提高其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,同時CO2濃度的增加有助于提高硅酸鈉水凝膠-低濃度AM聚合體系的粘彈性。根據(jù)以上理論,通過對不同配方體系所成膠體的流變性及微觀結(jié)構(gòu)的分析,篩選出Ⅱ號、Ⅲ號以及Ⅳ號配方體系,利用上述配方體系進(jìn)行巖心封堵性試驗研究。

圖 3 試驗裝置圖

2.1 試驗方法

1)試驗試劑及儀器 AM(丙烯酰胺單體),N-N亞甲基雙丙烯酰胺,過硫酸鉀 (分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司),CO2(純度99.99%),硅酸鈉 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%,模數(shù)2.8～3.2,工業(yè)級),巖心夾持器 (TY-2C型, 25mm×50～150mm,工作壓力20MPa)1臺,400ml中間容器2個,1000ml中間容器2個,壓力傳感器 (量程35MPa,3.5MPa,外接便攜式電腦作為終端),20ml平流泵1臺,手動增壓泵1臺,電子秤1臺,真空泵1臺,泡沫流量計,管線若干,閥門若干。試驗裝置如圖3所示。

2)試驗方法 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硅酸鈉溶液,稱取一定質(zhì)量的AM、N-N亞甲基雙丙烯酰胺和過硫酸鉀,加入到100ml硅酸鈉溶液中,攪拌至完全溶解;準(zhǔn)備巖心,測量其直徑、長度、質(zhì)量;抽真空,飽和水,稱其濕重;連接試驗裝置 (管線、中間容器、傳感器)如圖3所示;水測滲透率;注入堵劑1PV;注入CO2氣體直到入口壓力升到4MPa或6MPa;關(guān)閉巖心夾持器兩端,保持反應(yīng)溫度45℃,反應(yīng)12h;測滲透率;計算封堵率,從而評價體系的封堵特性。

2.2 試驗結(jié)果分析

由于該試驗所用巖心較短 (平均長度約為8.716cm),要求封堵率達(dá)到99%以上才可能滿足需要。巖心試驗所得結(jié)果如表2所示,1、2號巖心封堵率分別為93.42%和92.52%,3、4號巖心封堵率為94.72%和94.53%,而5～7號巖心的封堵率均已達(dá)到99%以上。可見,濃度和壓力對成膠效果都有影響,壓力越高,濃度越大,封堵率就越大,封堵效果就越好。相比于壓力,AM濃度對成膠效果的影響更為明顯。

表2 巖心試驗封堵率結(jié)果

3 膠體的抗沖刷性分析研究

為了進(jìn)一步研究篩選的配方體系所成膠體的性質(zhì),利用6號和7號巖心所得數(shù)據(jù)分析其抗沖刷性,并利用1號巖心進(jìn)行對比性研究,結(jié)果見圖4。從圖4中可以看出,6號和7號巖心 (注入Ⅳ號配方體系)的封堵率隨時間變化幅度較小,考慮到自制巖心長度較短、組成巖心顆粒的運移等問題,認(rèn)為這種封堵率的下降是可以接受的。反觀1號巖心 (注入Ⅱ號配方體系),封堵率下降到60%以下,說明膠體的抗沖刷性較差。同樣,通過圖5可以直觀地看出,1號巖心 (左)驅(qū)替末端有白色膠體出現(xiàn),而6號巖心 (右)末端無同樣現(xiàn)象出現(xiàn),說明Ⅱ號配方體系所成膠體在驅(qū)替過程中被沖刷出巖心,抗沖刷性較差,Ⅳ號配方體系所成膠體抗沖刷性較強(qiáng)。

圖4 巖心封堵率與沖刷時間關(guān)系圖

圖5 1號巖心與6號巖心抗沖刷性比例

4 結(jié) 論

1)該配方體系在無CO2條件下,AM發(fā)生聚合反應(yīng),但生成物幾乎無強(qiáng)度,不具備封堵氣竄的能力。隨著CO2分壓的增加,所成膠體的強(qiáng)度和變形能力都有一定的提高。

2)隨著AM濃度和反應(yīng)壓力的增大,屈服值是逐漸變大的,但變化幅度較小。

3)AM濃度越高,CO2壓力越高,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越清晰,成膠強(qiáng)度越高。

4)濃度和壓力對成膠效果都有影響,壓力越高,濃度越大,封堵率就越大,封堵效果就越好。相比于壓力,AM濃度對成膠效果的影響更為明顯。

5)初步篩選出AM濃度2%,反應(yīng)壓力為6MPa的配方體系。該體系具有一定的強(qiáng)度和變形能力,微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)清晰,巖心試驗封堵率達(dá)到99%以上,并具有一定的抗沖刷性,可以考慮進(jìn)行現(xiàn)場試驗研究。

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