聚合物在高礦化度油藏巖石表面的吸附研究

編譯:湯思斯 張卓 (西南石油大學研究生部)

審校:舒政 施雷庭 (油氣藏地質與開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學)

聚合物在高礦化度油藏巖石表面的吸附研究

編譯:湯思斯 張卓 (西南石油大學研究生部)

審校:舒政 施雷庭 (油氣藏地質與開發(fā)工程國家重點實驗室·西南石油大學)

油井堵水或減少油井產水是石油工業(yè)中必須解決的問題。聚合物驅可降低油藏的水相滲透率,此外,由于聚合物在巖石表面吸附油藏的非均質性降低。研究了兩種類型的聚合物—聚丙烯酰胺 (PAA)和聚糖 (黃原膠),評價了不同礦化度、剪切速率和濃度條件下兩種聚合物溶液的黏度。首先將準備好的聚合物溶液注入到巖心,目的是通過計算阻力系數和殘余阻力系數來評價聚合物在巖石表面的吸附。此外,進一步研究了聚合物溶液注入速率的影響,結果表明:黃原膠溶液有高的耐鹽性 (20%),而PAA對鹽非常敏感;還需要溫度與之配伍,可直達60℃;也發(fā)現(xiàn)注入速率越小,聚合物在巖石表面的吸附量越大。因此,推薦黃原膠用于高礦化度、高溫油藏堵水。

高礦化度油藏 聚合物驅 吸附 阻力系數 殘余阻力系數

1 引言

近來統(tǒng)計顯示常規(guī)原油的發(fā)現(xiàn)速度和消耗速度之比是1∶4,二者的差異很大,而且還可能繼續(xù)增大,這導致了當前原油的產量超過了新增加的儲量。以上因素和原油的價格上升,使得提高原油采收率方法變得越來越有吸引力。

眾所周知,提高原油采收率 (EOR)的方法分為三大類:熱采、化學驅和混相驅。這些方法都需要將流體注入到儲層,使流體性質或者界面條件更有利于原油驅替。然而,選擇EOR方法之前首先要獲取油藏儲量詳細信息。

通常情況下,在前兩個采油階段 (一次和二次采油方法)采收率降低的主要原因是由于水和油之間的界面張力 (毛管力)、油的黏性 (黏滯力)和油藏巖石的非均質性的存在。

本文主要研究化學驅的一種——聚合物驅。聚合物驅可使可采儲量最大化,特別是對許多衰竭或水驅油藏,這些機會依賴于經濟條件和目前的油價。然而,選擇的化學劑性質如下:在低濃度下有很好的溶解性;良好的注入性;長期穩(wěn)定性:抗電解質、細菌、溫度、氧化作用、p H值的改變;在巖石表面的吸附量低,特別是碳酸鹽油藏;簡單易行,價格低廉。

另外,聚合物還可以減小油藏的非均質性。因為一次和二次采油的采收率較差的主要地層因素是儲層的非均質性,導致了油從高滲透層較快地被驅出,而使低滲透層中的油殘留在地層中。非均質性導致的高產水率或者是裂縫導致底水錐進,這對于油田操作者來說是最重要的問題。

石油工業(yè)中主要采用兩種方法來控制水的突破。第一種方法是機械封堵高滲透層,適用于層間不連通或垂向滲透率較低的油藏,另外,此方法也適用于擁有理想厚度可下必要的封隔器來封堵高產水層的油藏。第二種方法通過用水溶性聚合物控制水的產出,這種方法不但適用于層間相互連通的油藏,也適用于層間不連通的油藏。在不同油藏條件下,水溶性聚合物已經得到礦場測試和應用。

將聚合物注入到被水驅過的儲層中,可能只會從該區(qū)域采出少量的原油。然而,由于聚合物溶液產生的流體轉向作用,聚合物的影響是非常有利的。聚合物在儲層的某些部位通過降低水相滲透率來逐漸建立流動阻力,流動阻力的增加將改變后續(xù)注入水進入到水驅未波及或波及很少的區(qū)域。在高水油比情況下進行的聚合物驅中,流體的轉移將比分相流動或者是流度比影響更有意義。如果聚合物影響持續(xù)的時間很長,將帶來最大的收益。這將優(yōu)先考慮降低儲層的水相滲透率,而不是直接提高聚合物溶液的黏度,因為滲透率降低能持續(xù)很長時間。

聚合物驅技術是在注入水中加入一種稠化劑(聚合物)來增加其黏度。盡管最終的殘余油飽和度基本上沒有受到影響,增加的聚合物將產生兩種有利作用:減少達到最終殘余油飽和度時的注水量;改善流度比以提高注入水的波及效率。已報道的聚合物驅項目的經濟效益差異很大。成功的聚合物驅項目提高采收率范圍在5%～15%的原始地質儲量。許多未取得經濟效益的項目失敗的原因是在項目開始之前對油藏描述不夠。聚合物溶液通過多孔介質應該考慮因其引起的滯留量、吸附、不可入孔隙體積和捕集。

2 實驗工作

要完成這個實驗,需要準備如下的實驗材料和儀器:聚合物、鹽水、巖心、驅替實驗裝置和黏度儀。

2.1 聚合物溶液

聚合物溶液是在磁力攪拌器的作用下混合聚合物粉末和蒸餾水制得。溶液攪拌一天,然后加入從英國Winlab獲取的質量分數為83%的NaCl和質量分數為17%的CaCl2。實驗中使用濃度為20% (質量分數)的鹽和兩種不同類型的商業(yè)聚合物。黃原膠的平均相對分子質量是 5×106道爾頓, PAA的平均相對分子質量是0.9×106道爾頓。兩種聚合物都是從德國 Sigma-Aldrich公司購得,純度為99%。這些聚合物能夠溶解在氯化鈉、氯化鎂和氯化鈣的溶液中,通過降低注入流體的流度來提高原油采收率和控制水的產出。將取自意大利Carlo Erba、濃度為37%的殺蟲劑 (甲醛)稀釋到100×10-6后加入到各種溶液中,可以有效抑制細菌對聚合物的降解。甲醛能有效預防細菌的降解是因為氧氣。使用甲醛的費用比使用其他化學劑 (如亞硫酸氫鹽)的費用少,而且處理問題也很少,因此,常廣泛應用于油田。甲醛還是有效的殺蟲劑,它持續(xù)保護混合后暴露在空氣中的聚合物溶液。用5μm過濾器除去溶液中的固體和微凝膠。

2.2 巖心

巖心是從砂巖露頭上切下的,通過X射線測量巖心的礦物成分,其由質量分數為86.8%的石英、5.1%的長石、6.8%的黏土和1.3%其他礦物組成。巖心先清洗,然后在120℃烘箱里烘24 h。巖心長度范圍為9.3～10 cm,直徑范圍為4.9～5.1 cm。之后,確定巖心的巖石物性參數?？紫扼w積、孔隙度和巖石絕對滲透率值見表1。

2.3 黏度計

在不同的條件下溶液黏度是用標定過的美國生產的帶有保溫套的Brookfield DV-Ⅲ黏度計測定的。Brookfield DV-Ⅲ可以設定不同溫度進行測量,剪切速率可以達到73.43 s-1,黏度值的精確度為±1%。

2.4 驅替裝置

安裝好實驗所需的驅替裝置,主要有流體儲存容器、驅替泵、巖心夾持器和產出液收集裝置。流體流過巖心的壓差通過壓力傳感器測得。

表1 巖心物性數據

3 實驗過程

然后巖心用不同濃度聚合物溶液進行驅替。所有的注入速率要維持在60 cm3/h,大約等于2.5 ft/d(1 ft=30.48 cm)的前緣推進速度,系統(tǒng)溫度保持在25±1℃,直到巖心進出口壓差穩(wěn)定和產出液的黏度不變?yōu)橹?。阻力系?(RF)是水的流度和聚合物溶液流度的比值,其計算公式如下:

文中研究了不同鹽濃度條件下,礦化度對聚合物溶液性能的影響。在溶液準備好之后,在恒溫25 ±1℃條件下,通過測定剪切速率從0.36～73.42 s-1的黏度來評價礦化度對聚合物溶液性能的影響。當確定了礦化度對聚合物溶液的影響之后,就可以開始實驗了。驅替實驗的過程是對每一個巖心做如下操作:將巖心放在帶有橡膠套的巖心夾持器中,圍壓是通過手搖泵施加的 (液壓油達到1 000 psi,1 psi=6.895 kPa);巖心通過真空泵抽真空,然后飽和具有合理礦化度的水;測定孔隙體積和計算孔隙度。在恒定注入速率下,記錄巖心進出口壓力降,并利用達西公式計算巖心的滲透率:

用鹽水驅替巖心測定巖心兩端的壓差和產出液的黏度。殘余阻力系數 (RRF)是注入聚合物溶液之前水的流度和注入聚合物之后水的流度之比,計算式如下:

4 結果與討論

除了研究鹽濃度對聚合物黏度的影響之外,共做了16組驅替實驗。8組實驗采用不同鹽度的黃原膠溶液進行,6組實驗采用不同鹽度的PAA進行,剩下的兩組實驗分別用1 200 mg/L和 800 mg/L的黃原膠溶液在60℃ (140℉)條件下進行。另外還研究了注入速率的影響。

4.1 剪切速率和鹽濃度對聚合物溶液黏度的影響

圖1～圖3主要描繪黃原膠溶液黏度實驗結果。圖1是用淡水配制的不同濃度黃原膠溶液的黏度隨剪切速率的變化情況,由圖看出:聚合物溶液濃度越高,其黏度越大;當剪切速率增加,溶液黏度降低。當剪切速率高于40 s-1時,濃度對黏度的影響較小,這就意味著增大剪切速率將極大減小聚合物濃度的影響。

圖1 在淡水中不同濃度的黃原膠溶液的黏度

圖2 在10%鹽度下不同濃度的黃原膠溶液的黏度

圖2是用質量分數為10%的鹽水配制的聚合物溶液黏度隨剪切速率的變化情況,其趨勢與圖1一致,但黏度降低了。例如,當剪切速率為14.7 s-1時,濃度為1 200 mg/L聚合物溶液黏度從40 mPa·s(淡水中)降低到24 mPa·s(10%鹽水中)。此外,用質量分數為15%和20%鹽水配制的聚合物溶液的黏度隨剪切速率的變化趨勢,淡水和10%鹽水的趨勢相同。

圖3是濃度為800 mg/L和1 200 mg/L聚合物溶液的黏度隨鹽濃度的變化情況,可以看出:當鹽度濃度低于臨界值時,黏度隨著鹽濃度的增加而降低;當鹽濃度高于臨界值時,黏度隨著鹽濃度的增加而升高。這個臨界最小值取決于聚合物溶液的濃度。

圖3 鹽濃度對剪切速率為14.7 s-1的黃原膠溶液黏度的影響

圖4是PAA溶液的實驗結果。文中沒有測定用淡水配制的PAA溶液的黏度,因為它超出了實驗儀器的量程。圖4是用5%鹽水配制的PAA溶液的黏度隨剪切速率的變化情況,另外用10%鹽水配制的趨勢與之一致。蒸餾水是兩種聚合物的良溶劑。但由于鹽的加入,中和了聚合物分子的電性,從而導致聚合物分子鏈伸展的力降低。因此,隨著鹽濃度增加,聚合物分子鏈收縮,從而降低了溶液的黏度。為了得到合理的聚合物黏度,將顯著增加聚合物溶液的濃度,這就意味著PAA對鹽濃度是非常敏感的。另外,隨著鹽濃度的升高,聚合物溶液黏度急劇降低。

圖4 在5%鹽度下不同濃度的聚丙烯酰胺溶液的黏度

4.2 聚合物溶液在巖石表面的吸附

為了研究聚合物在儲層巖石表面的吸附,測定了RF和RRF。黃原膠溶液的測量結果見表2。在滲透率不變的條件下,聚合物溶液的濃度越高,其RF和RRF越高。鹽濃度升高,RF和RRF降低,這是由于電解質的作用使得聚合物分子鏈收縮引起的。然而,這種減小對黃原膠不明顯。這就意味著在高礦化度條件下,黃原膠在巖石表面產生吸附量大,這將有利于生產井控水。

PAA的測量結果見表3。在滲透率不變的條件下,RF與RRF的變化趨勢與黃原膠一致,只是其值比黃原膠低。通過對測試的兩種聚合物在巖石表面的吸附的對比發(fā)現(xiàn):黃原膠溶液在高礦化度井調剖時具有更好的性能。

表2 黃原膠溶液驅替巖心時,RF和RRF的對比

表3 PAA驅替巖心時,RF和RRF的對比

4.2.1 注入速率的影響

從前面的實驗可以很明顯地看出剪切速率對聚合物溶液有影響。剪切速率的應用是通過注入速率來展現(xiàn)的。隨著注入速率的增大,阻力系數變小,其中PAA變化更大。為了得到更高的阻力系數,建議在低的注入速率下注入聚合物。提高注入速率將降低阻力系數和聚合物吸附量,滲透率下降也非常小。這種性質取決于聚合物的類型和相對分子質量。

4.2.2 巖石滲透率的影響

采用不同的滲透率測定阻力系數和殘余阻力系數。從表1、2、3可以看出,滲透率越高,其阻力系數和殘余阻力系數越高。這意味著巖石的滲透率越高,聚合物在巖石表面的吸附量也越大。因此,能更好地降低巖石的滲透率。

4.2.3 溫度的影響

為了研究溫度對所選擇的聚合物溶液的影響,在52℃條件下,測定了濃度分別為800 mg/L和1 200 mg/L的黃原膠溶液的黏度。溫度通過降低溶液的黏度影響聚合物的穩(wěn)定性。在剪切速率為

14.7 s-1,溫度分別為25℃和52℃的條件下,兩種溶液的黏度對比結果見圖5。濃度為1 200 mg/L黃原膠溶液的黏度從25℃時的30 mPa·s降低到52℃時的21.3 mPa·s,而濃度為800 mg/L黃原膠溶液的黏度從25℃時的15.5 mPa·s降低到52℃時的9.25 mPa·s。

為了確定溫度對聚合物在巖石表面吸附的影響,在60℃條件下,用質量分數為20%的鹽水配制濃度分別為800 mg/L和1 200 mg/L黃原膠溶液對7號和8號巖心進行實驗。阻力系數和殘余阻力系數隨注入的孔隙體積變化見圖6。在這個實驗中,當聚合物溶液的注入量達到6 PV時,阻力系數達到最大;而當溫度為25℃時,聚合物溶液的注入量達到4.5 PV時,聚合物的阻力系數達到最大。這意味著曲線最高的阻力系數向前轉移了。但是溫度升高,阻力系數和殘余阻力系數的值變化不大。

圖5 在20%鹽度,25℃和52℃下不同濃度黃原膠的黏度

圖6 黃原膠溶液 (7號巖心)在不同注入量下的阻力系數和殘余阻力系數

5 結論

◇在任何剪切速率下,聚合物溶液的表觀黏度隨鹽濃度的增加而減少;

◇聚合物溶液的黏度隨剪切速率的增大而減少,當剪切速率超過一固定值時,黏度將保持不變;

◇由于分子在巖心表面的吸附,黃原膠對減少儲層非均質性有著重要作用;

◇通過使用聚合物溶液來降低滲透率取決于多孔介質滲透率、聚合物種類、聚合物濃度、礦化度和注入速率;

◇在低鹽濃度下,PAA能減小儲層的非均質性,高濃度的PAA能抗高鹽度;

◇鹽水驅替過程中,聚合物在巖石表面的吸附是部分可逆的;

◇聚合物溶液的驅替速度和滲透率均對吸附有很大的影響;

◇溫度將減緩在巖石表面的完全吸附,因此,需要更多的聚合物溶液;

◇在高含鹽油藏,黃原膠是一種很好的聚合物候選產品。

符號說明

A——巖心橫截面面積,cm2

k——滲透率,mD

q——流率,mL/h

ΔP——壓差,psi

ΔPp——聚合物驅替時的壓差,psi

ΔPwb——聚合物驅替前水驅的壓差,psi

λp——聚合物溶液的流度

L——巖心長度,cm

ΔPw——聚合物驅之前的水驅壓差,psi

ΔPwa——聚合物驅替后的水驅壓差,psi

λw——水的流度

μ——黏度,mPa·s

資料來源于美國《SPE 120807》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.5.002

2009-03-21)