毛細(xì)管自吸水作用引起凝膠脫水現(xiàn)象研究

王 健，吳豐豆，張 慶

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都 610500)

由于地層非均質(zhì)性及油水流度差異等原因的客觀存在，地層中會形成水流優(yōu)勢通道，導(dǎo)致大多數(shù)油田在開采過程中都出現(xiàn)著油井產(chǎn)水，有些油井產(chǎn)水率甚至高達90%以上［1］。調(diào)剖堵水技術(shù)是油田降低油井產(chǎn)水，實現(xiàn)穩(wěn)油控水、提高原油采收率的有效手段［2］，聚合物凝膠在調(diào)堵作業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，但凝膠存在脫水現(xiàn)象，即凝膠體積收縮，影響封堵施工作業(yè)效果［3］。

凝膠在地層孔隙介質(zhì)中長期存在，引起其脫水的因素多種多樣。目前，有關(guān)凝膠脫水原因的文獻報道集中在pH值、交聯(lián)劑濃度、聚合物濃度、溫度、礦化度、壓力梯度等因素上［4－5］。

眾所周知，毛細(xì)管現(xiàn)象在生活當(dāng)中普遍存在。凝膠與巖石基質(zhì)孔道接觸后，微小的孔吼通道類似于毛細(xì)管玻璃，在毛管力的作用下無需施加壓力梯度就會引起凝膠發(fā)生脫水現(xiàn)象，類似于毛細(xì)管自吸水現(xiàn)象［6］。在測試凝膠性能及預(yù)測施工效率的時候，應(yīng)充分考慮巖石基質(zhì)通過自吸水作用對凝膠脫水的影響，而已有的文獻對這方面的研究甚少，筆者現(xiàn)從孔隙結(jié)構(gòu)的角度入手，研究其對凝膠脫水的影響作用。

1 試驗條件及試驗方法

1.1 試驗藥品和儀器

部分水解聚丙烯酰胺HPAM，相對分子質(zhì)量量為25×106，水解度25%;交聯(lián)劑C，自制;促凝劑CN，自制;除氧劑LN，自制;氯化鈉NaCl，分析純，成都市科龍化工試劑廠;毛細(xì)管玻璃(內(nèi)徑分別為:0.1，0.2，0.3，0.5，0.9 mm，長度均為 100 mm)，華西醫(yī)科大學(xué)儀器廠;電子天平，上海精科天美貿(mào)易有限公司;巖心，自制。

1.2 試驗方法

1.2.1 凝膠配制

HPAM質(zhì)量濃度為1 000 mg/L，交聯(lián)劑C、促凝劑CN、除氧劑LN質(zhì)量濃度均為100 mg/L，氯化鈉NaCl質(zhì)量濃度為5.0 g/L(鹽水)的100 mL基液，在65℃下反應(yīng)2 d形成凝膠，凝膠含水率在99%以上，按照sydansk凝膠強度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)為C級［7］，65℃的試驗溫度下，30 d后強度仍能維持在C級別，未出現(xiàn)水解現(xiàn)象，穩(wěn)定性良好。

1.2.2 毛細(xì)試驗測試模擬

在實際工作中，通常把由多個毛細(xì)管組成的復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)稱為多孔介質(zhì)。試驗采用毛細(xì)管玻璃可視化模擬測試巖石基質(zhì)孔道自吸水現(xiàn)象，內(nèi)徑分別為 0.1、0.2、0.3 mm 的毛細(xì)管玻璃模擬毛細(xì)管孔隙，0.6、0.9 mm的毛細(xì)管玻璃模擬超毛細(xì)管孔隙［8］，受試驗條件限制不能模擬微毛細(xì)管孔隙。室內(nèi)條件下采用圖1所示試驗裝置，吸水平衡后，測量毛細(xì)管內(nèi)徑與凝膠脫水量之間的關(guān)系，并與0.3 mm毛細(xì)管玻璃在普通鹽水中的吸水量比較。

圖1 毛細(xì)管玻璃引起凝膠脫水試驗裝置示意

1.2.3 人造巖心模擬

利用不同目數(shù)的砂樣制作巖心，水測巖心孔隙度［9］，不同巖心參數(shù)見表1。烘干巖心利用圖2所示試驗裝置，燒杯中凝膠體積400 mL，稱量吸水前后巖心的質(zhì)量，測量巖心孔隙度與凝膠脫水量之間的關(guān)系，其中凝膠的脫水量為巖心的質(zhì)量增量與凝膠密度(含水率＞99%，視為1 g/mL)的比值。

表1 巖心參數(shù)

圖2 巖心引起凝膠脫水試驗裝置示意

2 結(jié)果及討論

2.1 毛細(xì)管自吸水測試

毛細(xì)管自吸水測試結(jié)果見表2，失水率與毛細(xì)管內(nèi)徑的關(guān)系見圖3。

表2 毛細(xì)管自吸水測試數(shù)據(jù)

圖3 毛細(xì)管內(nèi)徑與凝膠失水率關(guān)系

從圖3可以看出，凝膠失水率隨毛細(xì)管內(nèi)徑的增大而減小，且遞減幅度隨內(nèi)徑的增大整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。從試驗現(xiàn)象中目測觀察內(nèi)徑越小，毛細(xì)管中液柱上升速度越快，凝膠失水速率越快。相同內(nèi)徑下，毛細(xì)管自吸水現(xiàn)象在鹽水中引起的失水量遠(yuǎn)大于在凝膠體系中的失水量。

2.2 巖心自吸水測試

巖心自吸水測試數(shù)據(jù)見表3，測得的巖心孔隙度與凝膠脫水量之間的關(guān)系見圖4。

表3 巖心自吸水測試數(shù)據(jù)

圖4 巖心孔隙度與巖心含水飽和度關(guān)系

巖心的直徑相等，與凝膠的接觸面積相同，排除了接觸面積不同引起的吸水量差異;長度接近，體積近似相等，巖心制作過程中均勻受壓，因此巖心的孔隙度對各巖心的孔隙結(jié)構(gòu)具有很好的代表性，孔隙度越低說明巖心的平均孔吼直徑越小，巖心越致密。從圖4可以看出，巖心自吸水作用引起的含水飽和度變化隨巖心孔隙度的增大而減小，說明巖心越致密，平均孔吼直徑越小，自吸水作用越劇烈，引起凝膠發(fā)生脫水現(xiàn)象越嚴(yán)重。

通過模擬毛細(xì)管和巖心試驗都觀測到了鹽水從凝膠中因自吸水作用而析出，試驗結(jié)果表明，毛管力足夠引起凝膠發(fā)生脫水作用，這表明凝膠注入封堵層位后會受到孔隙結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響，如孔吼直徑、潤濕性、接觸角、界面張力等。因此在預(yù)測儲層中的凝膠性質(zhì)時，孔隙結(jié)構(gòu)也是必要的參考因素。

3 結(jié)論

1)毛細(xì)管自吸水現(xiàn)象能夠引起凝膠失水率超過20%，毛細(xì)管力對凝膠具有明顯的脫水作用;毛細(xì)管自吸水現(xiàn)象對凝膠的脫水作用較鹽水明顯減小，凝膠具有很好的保水作用。

2)凝膠的脫水作用受周圍巖石基質(zhì)孔道大小的影響，巖石越致密引起凝膠的脫水現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3)利用凝膠進行調(diào)堵施工作業(yè)時，應(yīng)充分考察地層孔隙結(jié)構(gòu)這一影響因素，它對凝膠的脫水過程是在施工作業(yè)后瞬時完成的。

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