蒸汽驅(qū)剖面調(diào)堵劑研制與性能評(píng)價(jià)

王春生，孫英蕃，田明磊，儀紀(jì)敏，徐 暢

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000)

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蒸汽驅(qū)剖面調(diào)堵劑研制與性能評(píng)價(jià)

王春生，孫英蕃，田明磊，儀紀(jì)敏，徐 暢

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163000)

基于有機(jī)化學(xué)領(lǐng)域離域效應(yīng)原理，采用單一變量法研制調(diào)堵劑體系，對(duì)調(diào)堵劑進(jìn)行不同地層溫度、礦化度和pH值的敏感性評(píng)價(jià)，并開展了室內(nèi)高溫物理模擬巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)調(diào)堵劑對(duì)于地層剖面的改善效果。研究結(jié)果表明，該調(diào)堵劑由4種藥劑經(jīng)過(guò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)互穿反應(yīng)形成，成膠黏度可調(diào)，抗高溫能力至少達(dá)300℃，抗酸堿、抗鹽條件成膠能力強(qiáng)，單管封堵率至少為93.1%，30倍孔隙體積高速汽驅(qū)沖刷后封堵率仍大于70%，選擇性剖面改善能力強(qiáng)，在90d、300℃高溫下測(cè)試，封堵率仍在90%以上。

稠油蒸汽驅(qū)；汽竄；調(diào)堵；凝膠

引 言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)高溫調(diào)剖劑研究主要集中在樹脂類、顆粒類、泡沫類調(diào)剖劑方面[1-6]，前2種調(diào)剖劑易對(duì)地層造成高強(qiáng)度封堵，導(dǎo)致難以解堵，從而損害地層，而泡沫類調(diào)剖劑往往出現(xiàn)遇油消泡問(wèn)題，效果較差[7]。常規(guī)凝膠類調(diào)剖劑由于耐溫性較差，多用于低溫調(diào)剖，前人研究證明其低流動(dòng)性對(duì)于剖面改善效果優(yōu)于其他類型調(diào)剖劑[8-12]。本次研究基于有機(jī)化學(xué)角度研制凝膠調(diào)堵劑，該調(diào)堵劑適用于蒸汽驅(qū)在苛刻地質(zhì)條件下調(diào)整吸氣剖面，增強(qiáng)凝膠抗高溫能力，發(fā)掘凝膠類調(diào)剖劑高溫條件下的應(yīng)用潛力及優(yōu)勢(shì)。通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化配比[13]，考察地層條件適用性[14-16]，評(píng)價(jià)地層條件下的封堵率、抗沖刷能力、高溫穩(wěn)定能力及剖面改善效果[17-20]，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)剖實(shí)踐具有借鑒和指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：凝膠調(diào)堵劑由強(qiáng)化-HASS抗高溫主劑(自制)、部分水解聚丙烯酰胺(相對(duì)分子質(zhì)量為1 200×104，分析純)、醛類交聯(lián)劑(分析純)、酚類交聯(lián)劑(分析純)組成。其他調(diào)節(jié)試劑為氫氧化鈉、碳酸氫鈉、蒸餾水等。

實(shí)驗(yàn)儀器：高溫高壓反應(yīng)釜、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、精密電子天平、恒溫水浴裝置、恒溫箱、高溫巖心實(shí)驗(yàn)裝置。

1.2 凝膠時(shí)間標(biāo)定方法

每組配制均分為10個(gè)試樣，同時(shí)放入恒溫箱中，定時(shí)取出1個(gè)試樣，采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行黏度測(cè)定，并繪制黏度—時(shí)間變化曲線。當(dāng)曲線上某時(shí)刻后黏度變化趨于平穩(wěn)，則該時(shí)刻即為凝膠時(shí)間。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 調(diào)堵劑成分影響規(guī)律

通過(guò)前期大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，擬定體系反應(yīng)溫度為240℃，HPAM含量為0.003%～0.015%，強(qiáng)化-HASS主劑含量為3%～11%，酚類交聯(lián)劑含量為1.1%～5.5%，醛類交聯(lián)劑含量為0.6%～1.8%，圖1為不同成分調(diào)堵劑影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(1) HPAM含量。由圖1a可知，HPAM含量與凝膠黏度呈正比關(guān)系，同凝膠時(shí)間呈反比關(guān)系，且變化范圍不大，主要是由于HPAM作為體系中空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的提供者，對(duì)于凝膠反應(yīng)起到促凝作用。綜合考慮凝膠黏度和時(shí)間，選擇HPAM含量為0.009%進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖1 不同成分調(diào)堵劑影響規(guī)律

(2) 強(qiáng)化-HASS抗高溫主劑含量。由圖1b可知，強(qiáng)化-HASS主劑含量增加，主劑分子提供與其他成分產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)的基團(tuán)，能夠產(chǎn)生更多的空間結(jié)合位點(diǎn)，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，且提高膠體最終耐高溫性能，成膠黏度在此范圍內(nèi)大幅度增加。終凝時(shí)間變化范圍不大，表明主劑不能大幅度加速反應(yīng)進(jìn)程。綜合考慮，選擇強(qiáng)化-HASS主劑含量為7%進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

(3) 酚類交聯(lián)劑含量。由圖1c可知，酚類交聯(lián)劑對(duì)凝膠時(shí)間反相關(guān)影響程度較小。含量為2.2%時(shí)，酚類交聯(lián)劑和主劑分子結(jié)構(gòu)上的羥基結(jié)構(gòu)與醛類交聯(lián)劑共同交互交聯(lián)程度近似最大，凝膠黏度達(dá)到9×104mPa·s，而酚類交聯(lián)劑含量增加時(shí)，醛類交聯(lián)劑優(yōu)先與酚類交聯(lián)劑產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)形成耐溫性差的酚醛預(yù)縮體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致交互交聯(lián)反應(yīng)不能充分進(jìn)行。綜合考慮，選擇交聯(lián)劑含量為2.2%進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

(4) 醛類交聯(lián)劑含量。由圖1d可知，醛類交聯(lián)劑對(duì)凝膠黏度的影響區(qū)間為2.0×104～18×104mPa·s，對(duì)應(yīng)凝膠時(shí)間從22 h降至11 h。結(jié)果表明，醛類交聯(lián)劑對(duì)于反應(yīng)程度及反應(yīng)速度起到催化作用，當(dāng)含量大于1.5%時(shí)，醛類交聯(lián)劑對(duì)于凝膠時(shí)間和凝膠性能的影響規(guī)律趨于平穩(wěn)。綜合考慮凝膠黏度和凝膠時(shí)間，確定醛類交聯(lián)劑含量為1.2%。

2.2 地層溫度敏感性

實(shí)際調(diào)剖施工前會(huì)對(duì)目標(biāo)井位采取停井或注水降溫處理，考慮到蒸汽驅(qū)中蒸汽腔的形成，設(shè)置敏感性實(shí)驗(yàn)溫度為120～280℃，考察地層溫度敏感性(表1)。

表1 地層溫度敏感性

由表1可知，溫度為120～240℃時(shí)，反應(yīng)溫度與凝膠黏度的變化規(guī)律成正比，與凝膠時(shí)間成反比關(guān)系。反應(yīng)溫度為280℃時(shí)，凝膠時(shí)間大幅度縮短，但該溫度對(duì)于HPAM活性及交聯(lián)反應(yīng)程度產(chǎn)生消極影響，凝膠黏度僅達(dá)到33 797 mPa·s，故最佳反應(yīng)溫度為240℃。

2.3 pH值敏感性

設(shè)定反應(yīng)溫度為240℃，分析pH值(范圍為5～10)對(duì)凝膠時(shí)間、凝膠黏度的影響。結(jié)果表明，pH值為6～9時(shí)，調(diào)堵劑凝膠黏度和凝膠時(shí)間變化不大，pH值為5時(shí)，凝膠黏度僅為2 214 mPa·s，凝膠時(shí)間為12 h。當(dāng)pH值為10時(shí)，體系不能凝膠，故該體系的pH值適用范圍為6～9。

2.4 堿性水礦化度敏感性

設(shè)定反應(yīng)溫度為240℃，分析堿性水礦化度為1 000～10 000 mg/L對(duì)凝膠時(shí)間、凝膠黏度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)堵劑在礦化度低于8 000 mg/L時(shí)，凝膠黏度僅下降10.32%，凝膠時(shí)間在2 h范圍內(nèi)變化。當(dāng)?shù)V化度高于8 000 mg/L時(shí)凝膠黏度出現(xiàn)大幅度下降，10 000 mg/L時(shí)凝膠黏度為854 mPa·s。故堿性水礦化度適用上限為8 000 mg/L。

2.5 高溫封堵率測(cè)定

將填砂管抽真空，飽和水，測(cè)孔隙體積和封堵前滲透率，以1 mL/min恒速向填砂管中驅(qū)替3倍孔隙體積調(diào)剖劑，密封后放入200℃恒溫箱中候凝12 h至成膠，考察不同地層溫度下，調(diào)堵劑對(duì)填砂管的封堵率和殘余阻力系數(shù)RRF，結(jié)果見表2。

表2 封堵率、殘余阻力系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表2可知，調(diào)堵劑具有良好的封堵能力，不同溫度地層適應(yīng)性良好，高溫下凝膠封堵率均達(dá)93%以上。

2.6 抗高溫蒸汽沖刷能力評(píng)價(jià)

室內(nèi)以3 mL/min速度模擬注汽井注入蒸汽，實(shí)驗(yàn)溫度為280℃，模擬砂管氣測(cè)滲透率為3 538×10-3μm2，蒸汽沖刷填砂管30倍孔隙體積，設(shè)置回壓為2.4 MPa，沖刷結(jié)束后，測(cè)定填砂管水相滲透率，計(jì)算對(duì)比沖刷前后封堵率，結(jié)果見表3。

由表3可知，調(diào)堵劑蒸汽沖刷15倍孔隙體積，封堵率在88%以上，高速蒸汽沖刷30倍孔隙體積，封堵率下降至71.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)堵劑具有良好的耐沖刷性，但不會(huì)“堵死”地層。

表3 調(diào)堵劑耐沖刷性數(shù)據(jù)記錄

2.7 熱穩(wěn)定能力評(píng)價(jià)

按2.5的方法注劑并侯凝，將填砂管置于300℃恒溫箱中進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)，規(guī)定間隔時(shí)間測(cè)定滲透率并計(jì)算封堵率(圖2)。由圖2可知，調(diào)堵劑高溫件下，封堵率從第15 d開始下降，并在第30 d趨于平穩(wěn)，封堵率仍在90%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)堵劑在未直接接受蒸汽沖刷的高溫環(huán)境下保留程度大，封堵能力強(qiáng)，有效期長(zhǎng)，有良好的高溫穩(wěn)定性。

圖2 調(diào)堵劑的封堵率隨時(shí)間的變化

條

2.8 選擇性剖面改善能力評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)劃分不同滲透率極差的巖心實(shí)驗(yàn)組，泵入100 mL蒸餾水，測(cè)定調(diào)剖前后各巖心末端出水量，通過(guò)剖面改善率來(lái)表征調(diào)堵劑對(duì)于不同地層條件剖面調(diào)整的適用效果，測(cè)定及計(jì)算結(jié)果見表4。

當(dāng)測(cè)定吸水比接近1時(shí)，表明層與層之間的剖面越均勻。由表4可知，調(diào)堵劑對(duì)于滲透率極差較低的低互異性地層剖面改善效果并不明顯，但由于其低流動(dòng)選擇性，實(shí)際上使剖面得到了最大程度上的調(diào)整。滲透率極差越大，調(diào)堵劑剖面改善能力越強(qiáng)，滲透率極差為6.92時(shí)，高滲層經(jīng)調(diào)剖處理后吸水能力降低，低滲層吸水能力提升了15倍。

表4 不同極差下剖面改善率測(cè)定

3 結(jié) 論

(1) 體系凝膠影響規(guī)律實(shí)驗(yàn)表明，該調(diào)堵劑體系中，HPAM起到輔助促凝作用，酚類、醛類、強(qiáng)化-HASS主劑之間的配比決定凝膠黏度變化范圍，其中強(qiáng)化-HASS主劑含量對(duì)于體系耐溫性能至關(guān)重要，醛類交聯(lián)劑含量能大幅度影響凝膠時(shí)間和凝膠黏度。

(2) 體系在溫度為200～240℃時(shí)凝膠情況良好，凝膠至少耐溫300℃。pH值適用界限分別為5、10，pH值為6～9時(shí)成膠黏度變化程度小，堿性水礦化度適用界限為8 000 mg/L。

(3) 240℃下凝膠膠體封堵率能夠達(dá)到97%左右，膠體耐沖刷性能良好的同時(shí)體現(xiàn)出了不會(huì)“堵死”地層特性，在90 d、300℃下熱穩(wěn)定性測(cè)定封堵率仍達(dá)到90%以上。由于調(diào)堵劑具有低流動(dòng)變形性，對(duì)于不同滲透率極差的地層具有較強(qiáng)的選擇性改善剖面能力。

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編輯 王 昱

20150202；改回日期：20150330

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金“氣體-多組分顆粒相間作用機(jī)理與組分顆粒動(dòng)力學(xué)模型的研究”(51206020)

王春生(1977-)，男，副教授，2000年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，2011年畢業(yè)于該校油氣井工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事復(fù)雜流體數(shù)值計(jì)算及稠油油藏開發(fā)研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.024

TE357.46

A

1006-6535(2015)03-0097-04