用于稠油蒸汽吞吐井深部封竄的熱觸變體系的性能試驗(yàn)

戴彩麗,紀(jì)文娟,姜漢橋,趙福麟,姬承偉,秦 濤

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,北京 102249;2.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266555; 3.新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū),新疆克拉瑪依 834000;4.中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院,河南濮陽 457001)

用于稠油蒸汽吞吐井深部封竄的熱觸變體系的性能試驗(yàn)

戴彩麗1,2,紀(jì)文娟2,姜漢橋1,趙福麟2,姬承偉3,秦 濤4

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,北京 102249;2.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266555; 3.新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū),新疆克拉瑪依 834000;4.中原油田分公司采油工程技術(shù)研究院,河南濮陽 457001)

針對常用封竄劑難以解決稠油蒸汽吞吐井深部封竄問題,考察封竄劑熱觸變體系的封堵性能。熱觸變體系是由熱觸變聚合物配制而成的,其聚合物親水主鏈中含有疏水片段或疏水側(cè)基。研究表明:熱觸變體系在特定溫度下,從溶液轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度凍膠,降溫后體系自動恢復(fù)流動性,整個(gè)過程是可逆的,可多次重復(fù);熱觸變體系具有熱觸變溫度和熱觸變凍膠強(qiáng)度可調(diào),注入性、耐溫性、穩(wěn)定性好和封堵率高等優(yōu)點(diǎn),特別適合于吞吐井蒸汽封竄的深部處理。

油井;熱觸變體系;蒸汽吞吐;深部封竄;凍膠

對于層間滲透率差異大的稠油蒸汽吞吐井,高滲透層為強(qiáng)吸汽層,低滲透層為弱吸汽層甚至不吸汽層,井間的高滲透層在大壓差作用下易形成蒸汽竄流通道,導(dǎo)致汽竄[1]。隨著蒸汽吞吐輪次的增加,油藏縱向上動用程度不均衡性增大,吸汽剖面不均和汽竄愈發(fā)嚴(yán)重。近年來國內(nèi)外常用超細(xì)水泥、粉煤灰、樹脂等材料[2-3]封堵稠油井蒸汽竄,但封竄劑主要作用于近井地帶[4]。筆者考察用熱觸變體系進(jìn)行稠油深部封竄。

1 熱觸變體系及其深部封竄的原理

熱觸變體系是由熱觸變聚合物配制而成的,該體系超過特定溫度后失去流動性形成凍膠。熱觸變聚合物的親水主鏈中含有疏水片段或疏水側(cè)基,其水溶液在室溫下為低黏的流動性溶液;高溫下,由于熱觸變聚合物鏈節(jié)中的疏水片段相互締合,形成物理交聯(lián)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖 1所示),使體系從溶液轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度凍膠;降溫后體系自動恢復(fù)流動性,整個(gè)過程是可逆過程,特別適合于蒸汽封竄[5-6]。

圖 1 加熱后疏水片段相互締合示意圖Fig.1 Hydrophobic groups associ ation after heati ng

蒸汽吞吐過程一般分為 3個(gè)階段:(1)注汽。此階段將高溫蒸汽快速注入油層中。(2)燜井。在注汽完成后立即關(guān)井,便于蒸汽攜帶的熱量在油層中有效交換,從而加熱油層。(3)采油[7]。注汽之前,將熱觸變體系注入地層,它會優(yōu)先進(jìn)入大孔道,由于其良好的注入性,體系能進(jìn)入到地層深部;注汽時(shí),當(dāng)遇到竄流的高溫蒸汽,熱觸變體系變?yōu)楦邚?qiáng)度凍膠,導(dǎo)致滲流場發(fā)生改變,使注汽井的吸汽剖面更均勻,竄流的蒸汽得到有效控制,蒸汽將轉(zhuǎn)向進(jìn)入含油飽和度高的中低滲透層,提高波及體積和充分利用熱能,改善蒸汽的開發(fā)效果;注汽后開井生產(chǎn)時(shí)溫度降低,熱觸變體系從凍膠態(tài)恢復(fù)流動性,它只阻止蒸汽竄流,不影響原油在地層的流動,可以實(shí)現(xiàn)智能、可逆的深部封竄。

2 試 驗(yàn)

2.1 主要試驗(yàn)藥品及儀器

試驗(yàn)藥品:熱觸變聚合物(相對分子質(zhì)量 2.6× 104),氯化鈉 (分析純),尿素 (分析純)等。

試驗(yàn)儀器:Fungilab Visco Basic+型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、電子分析天平(精度分別為 0.001 g,0.0001 g), JJ-1型攪拌器,LB-30平流泵,循環(huán)水真空泵,精密壓力表,恒溫水浴,恒溫干燥箱,填砂管,量筒,容量瓶。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)熱觸變溫度的測定。熱觸變體系由溶液轉(zhuǎn)變?yōu)閮瞿z的溫度稱為熱觸變溫度,采用試管倒置法測定[8]。將配制好的熱觸變體系約 10 mL加入試管靜置除泡后置于恒溫水浴中,放置約 15 min取出試管,若倒置后液體不再流動,則定義此時(shí)的溫度為該樣品的熱觸變溫度。若液體流動,則迅速將水浴溫度升高1℃,待恒溫后放入樣品重復(fù)上述步驟,直到找到熱觸變溫度為止。

(2)凍膠強(qiáng)度的測定。采用突破真空度法測定熱觸變體系所形成的凍膠強(qiáng)度,方法見文獻(xiàn)[9]。

(3)注入性的測定。采用多孔滲流測壓裝置來評價(jià)熱觸變體系的注入性,裝置如圖 2所示。其中多孔測壓填砂管直徑 2.8 cm,長 45 cm,其上裝有 2個(gè)測壓口,用精密壓力表測定每個(gè)測壓口的壓力,判斷熱觸變體系進(jìn)入填砂管的距離。

圖 2 多孔測壓裝置流程Fig.2 M ulti-point pressure testing diagram

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 黏溫性

用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在 6.8 s-1的剪切速率下,將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%的熱觸變體系在 30～85℃內(nèi)進(jìn)行 3次升溫和降溫過程的黏度測定,其黏度是在溫度達(dá)到指定數(shù)值 20 min后測定的,結(jié)果見圖 3,4。

圖 3 成凍前黏度隨溫度的變化Fig.3 Relationship between polymer viscosity and temperature before gelation

從圖 3,4可以看出:在熱觸變溫度以下,體系黏度隨溫度的升高而降低,且呈直線關(guān)系;體系繼續(xù)加熱,黏度急劇增大,形成凍膠;冷卻時(shí),凍膠消失恢復(fù)原始溶液狀態(tài),這種溶液 -凍膠的轉(zhuǎn)變是一種可逆過程,可多次重復(fù)。這是由于:在室溫下,水分子由于氫鍵作用在疏水基團(tuán)周圍形成有序結(jié)構(gòu),成為溶液狀態(tài);當(dāng)溫度升高時(shí),分子運(yùn)動加劇,分子水化作用減弱而鏈間水被逐漸逐出,這種有序結(jié)構(gòu)逐漸被破壞,反映出水溶液相對黏度隨溫度升高而下降;當(dāng)去水化作用足夠充分時(shí),出現(xiàn)大分子聚集體,黏度急劇增大,最終導(dǎo)致形成凍膠。

圖 4 升溫降溫過程的黏溫曲線Fig.4 Viscosity-temperature curve i n process of temperature increase and decrease

由圖 4還可以看出,在相同溫度下,同一次升溫過程和降溫過程的黏度值是不重合的。這是由于熱觸變體系的黏度是結(jié)構(gòu)黏度,升溫時(shí),熱觸變體系形成結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)黏度增加,但需要一定時(shí)間;降溫時(shí),熱觸變體系結(jié)構(gòu)破壞,結(jié)構(gòu)黏度減小,但冷卻時(shí)結(jié)構(gòu)破壞也需要一定的時(shí)間,因此有明顯的滯后效應(yīng)[10]。每一次的升溫降溫曲線也不重合,這是因?yàn)槿芤恨D(zhuǎn)變?yōu)閮瞿z是一種依時(shí)性動力學(xué)現(xiàn)象,加熱、冷卻速率和剪切速率對曲線形狀都有影響。

3.2 熱觸變溫度

采用試管倒置法得到了熱觸變溫度隨熱觸變聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化曲線,結(jié)果見圖 5。

由圖 5可知,熱觸變溫度隨熱觸變聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降,且二者呈線性關(guān)系。這是由于隨著體系中聚合物濃度升高,單位體積內(nèi)疏水基團(tuán)數(shù)量增加,分子鏈的交疊和纏繞增強(qiáng),聚合物分子間相互作用增強(qiáng),使水分子與聚合物分子之間的結(jié)合作用減弱,從而破壞這種作用所需的熱量減少,造成疏水締合作用在較低溫度下發(fā)生。

將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽(NaCl)、尿素分別加入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%的熱觸變體系中,采用試管倒置法測定熱觸變溫度,考察鹽 (NaCl)、尿素對熱觸變溫度的影響,結(jié)果見圖 6,7。

從圖 6可以看出,NaCl的加入能顯著降低熱觸變溫度,且熱觸變溫度隨NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈線性降低。這是由于鹽類(NaCl)是強(qiáng)電解質(zhì),具有強(qiáng)親水性,其與聚合物分子對水分子的競爭作用使得水與聚合物分子的作用減弱[11],降低了熱觸變溫度。當(dāng)NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 15%時(shí),熱觸變溫度為 30℃。

由圖7可知,隨著尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,熱觸變溫度升高。原因是,向熱觸變體系中加入尿素,由于氫鍵作用,在聚合物分子鏈上引入了親水基[12],隨著尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,引入的親水基數(shù)量也增加,從而使溶液溶解度增大,熱觸變溫度升高。因此,可以根據(jù)油藏條件,選擇不同的添加劑調(diào)節(jié)熱觸變溫度。

3.3 凍膠強(qiáng)度

采用突破真空度法測定不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱觸變體系所形成凍膠的強(qiáng)度,結(jié)果見圖 8。

由圖 8可知,隨著熱觸變聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,熱觸變凍膠強(qiáng)度增大。這是由于熱觸變聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,疏水基團(tuán)數(shù)量增加,使單位體積的物理交聯(lián)點(diǎn)增加,因而凍膠的強(qiáng)度也增大。

圖 8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)熱觸變體系的凍膠強(qiáng)度Fig.8 Gelation strength of thermal thixotropic system at differentmass fraction

3.4 注入性

填砂管水測滲透率為 3.3μm2。測定時(shí),以 1 mL/min的注入速度連續(xù)注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%的熱觸變體系,記錄圖 2中 a,b,c點(diǎn)的壓力變化 (d點(diǎn)壓力為大氣壓),考察注入的孔隙體積 (Vp)倍數(shù)與壓力的關(guān)系。結(jié)果見表 1。由表 1可見,隨著堵劑注入量增加,a,b,c點(diǎn)的壓力都是緩慢增大直至壓力平穩(wěn),說明熱觸變體系具有良好的注入性能,能夠進(jìn)入地層深部,進(jìn)行蒸汽深部封竄。

表 1 注入不同孔隙體積倍數(shù)時(shí)的壓力變化Table 1 Pressure history with different i m jection porous volume

3.5 耐溫性及穩(wěn)定性

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%的熱觸變體系封存在安瓿瓶,然后放在高溫罐中做高溫試驗(yàn),觀察在高溫下經(jīng)歷不同時(shí)間樣品的外觀 (以穩(wěn)定凍膠、少量脫水凍膠、大量脫水凍膠等描述表征),結(jié)果見表 2。

表 2 凍膠的穩(wěn)定性能Table 2 Stability performance of gel

由表 2可知,熱觸變體系具有較高的耐溫性能(200℃),隨著溫度的升高,凍膠發(fā)生脫水所需要時(shí)間縮短,其穩(wěn)定性能降低。這是由于溫度升高至熱觸變溫度附近時(shí),由于疏水作用導(dǎo)致分子堆積,形成物理交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此時(shí),疏水作用與氫鍵作用保持動態(tài)平衡狀態(tài),正是由于氫鍵作用才使得凍膠中保持大量的水分,而不會由于疏水作用導(dǎo)致相分離。溫度進(jìn)一步升高或高溫下時(shí)間增長時(shí),網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于疏水作用過強(qiáng)而濃縮,出現(xiàn)相分離現(xiàn)象。

由于熱觸變體系與竄流的高溫蒸汽接觸時(shí)間很短(遠(yuǎn)小于 2 h),所形成的凍膠不會出現(xiàn)脫水現(xiàn)象,所以熱觸變體系可用至 200℃高溫,是理想的高溫竄流蒸汽的封竄劑。

3.6 封堵性

3.6.1 單管物理模擬

圖 9 水驅(qū)滲透率和壓力與注入流體孔隙體積倍數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between fluid i njection volume and permeability/pressure of water flooding

30℃下測定填砂管(長 45 cm,直徑 2.8 cm)滲透率為 3.559μm2,注入 1Vp、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%的熱觸變體系。將填砂管置于 90℃恒溫水浴 2 h后,水驅(qū)測其該溫度下的滲透率為 0.0566μm2,水驅(qū)壓力0.22 MPa。由此可知,90℃下封堵率為 98.41%。然后將填砂管置于 30℃下 24 h,水驅(qū)測其壓力變化,結(jié)果見圖 9。由圖 9可知,溫度降低后,水驅(qū)壓力先增大后降低:水突破前,水驅(qū)壓力增大;突破后,水驅(qū)壓力逐漸降低,直至平穩(wěn)。降溫后的水驅(qū)壓力遠(yuǎn)小于 90℃下的水驅(qū)壓力 (0.22 MPa),說明溫度降低后,凍膠又變?yōu)槿芤?溶液 -凍膠相互轉(zhuǎn)變的過程是可逆的,注蒸汽時(shí)能有效封竄,生產(chǎn)時(shí)能自動解除封堵。

3.6.2 雙管物理模擬

將 2支不同滲透率的填砂管 (長 20 cm,直徑2.5 cm)并聯(lián)模擬非均質(zhì)地層,在雙管模型組中注入 1Vp、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3%的熱觸變體系,90℃恒溫 2 h后測滲透率,即可算得 90℃下的封堵率,所得結(jié)果見表 3。由表 3中可知,熱觸變體系具有選擇性封堵的性能,可大大降低高滲透層的滲透率,使流體在低滲透地層流動,增大了波及系數(shù)。

表 3 雙管封堵數(shù)據(jù)Table 3 Plugging properties of gel in double sandpack

4 結(jié) 論

(1)室溫下,熱觸變體系為低黏的流動性溶液,升高到熱觸變溫度后,體系從溶液轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚?qiáng)度凍膠,降溫后體系自動恢復(fù)流動性,此過程具有可逆性,可多次重復(fù)。

(2)隨溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,熱觸變溫度降低,凍膠強(qiáng)度增大;鹽、尿素等調(diào)節(jié)劑的加入,可以調(diào)節(jié)熱觸變溫度的范圍為 30～100℃。因此,可以根據(jù)油藏條件選擇不同熱觸變溫度和凍膠強(qiáng)度的配方。

(3)熱觸變體系具有良好的注入性、穩(wěn)定性和耐高溫性,能進(jìn)入地層深部,進(jìn)行蒸汽深部封竄。

(4)熱觸變體系加熱時(shí)可形成凍膠并封堵填砂管,降溫后,凍膠變?yōu)槿芤鹤詣咏獬舛?熱觸變體系具有選擇性封堵性能,可大大降低高滲透層的滲透率。

[1] 張義堂.EOR熱力采油提高采收率技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006.

[2] 鄭延成,趙修太,王任芳,等.改善吸汽剖面的高溫暫堵劑研究[J].石油鉆探技術(shù),2006,28(3):41-43.

ZHENG Yan-cheng,ZHAO Xiu-tai,WANG Ren-fang,et al.Study on high temperature temporary bridging agents to i mprove gas absorption profile[J].Petroleum Drilling Techniques,2006,28(3):41-43.

[3] 張紹東.熱采堵水調(diào)剖劑研究及應(yīng)用 [J].特種油氣藏,2001,8(3):74-77.

ZHANG Shao-dong.Study and application of water plugging and profile adjusting agent for thermal production [J].SpecialOil and Gas Reservoir,2001,8(3):74-77.

[4] 陳剛.杜 229塊超稠油蒸汽吞吐井間汽竄的影響及對策[D].東營:中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,2006.

CHEN Gang.The influence and counter measuresof steam channeling between oilwells of ultra heavy oil steam soak in Du 229 block[D].Dongying:College of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,2006.

[5] HOURDETD,ALLORET F L,AUDEBERT R.Synthesis of ther moassociative copolymers[J].Polymer,1997, 38(10):2535-2547.

[6] SARKAR N.Ther mal gelation properties of methyl and hydroxypropyl methylcellulose[J].Journal of Applied Polymer Science,1979,24(4):1073-1087.

[7] 張琪.采油工程原理與設(shè)計(jì)[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2006:369-370.

[8] MASANOBU Takeuchi,SH I NJ I Kageyama,H I DEKAZU Suzuki,et al.Rheological properties of reversible thermo-setting in situ gelling solutions with the methylcellulose-polyethylene glycol-citric acid ternary system[J]. Colloid and Polymer Science,2003,281(12):1178-1183.

[9] 戴彩麗,王業(yè)飛,冷強(qiáng),等.長成凍時(shí)間的深部調(diào)驅(qū)劑

研究[J].西安石油學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003,18 (1):12-26.

DA ICai-li,WANG Ye-fei,LENG Qiang,et al.Studies on profile-controloil-displacement agentwith long gelation time for the for mation far from wellbore[J].Journal of Xi’an Petroleum Institute(Natural Science Edition), 2003,18(1):12-26.

[10] 嚴(yán)瑞瑄.水溶性高分子 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1998,492-493.

[11] XU Yi-rong,L ILin,ZHENG Pei-jie.Controllable gelation ofmethylcellulose by a saltmixture[J].Langmuir, 2004,20(15):6134-6138.

[12] KUNDU P P,KUNDU M.Effect of alcoholic,glycolic, and polyester resin additives on the gelation of dilute solution of methylcellulose[J].Carbohydrate Polymers, 2003,51(1):57-61.

(編輯 劉為清)

Performance experi ment on thermal thixotropic system for deep channeling plugging in steam huff and puff wells

DA ICai-li1,2,J IWen-juan2,J IANG Han-qiao1,ZHAO Fu-lin2,J ICheng-wei3,Q IN Tao4
(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Beijing102249,China; 2.State Key Laboratory of Heavy O il Processing in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China; 3.Luliang O il Production Plant,Xinjiang O ilfield Com pany,Karamay834000,China; 4.O il Production Technology Research Institute of Zhongyuan O ilfield,Puyang457001,China)

The application of anti-channeling agents could not effectively solve the problem of deep channeling in stream huff and puff heavy oilwells.The performance of thermal thixotropic system was investigated.The ther mal thixotropic system was prepared by using thermal thixotropic polymer,and the polymer hydrophilic principal chain includes hydrophobic side group. The results show that the system can change from solution into high-strength gel system at thermal thixotropic temperature,and resume mobility after cooling.Thewhole process is reversible and can be repeated formany ti mes.The system has good behaviors of adjustable ther mal thixotropic temperature and gel strength,good injection performance,temperature tolerance,stability and high-plugging efficiency,which is particularly suitable for deep channeling plugging in steam huff and puffwells.

oilwells;ther mal thixotropic system;steam huff and puff;deep channeling plugging;gel

TE 39

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.033

1673-5005(2010)04-0167-05

2010-05-13

中國博士后基金項(xiàng)目(20090460481);山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)工程項(xiàng)目;中國石油大學(xué)(華東)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(S10-05)

戴彩麗(1971-),女(漢族),山東威海人,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,從事油田化學(xué)教學(xué)和科研工作。