一種新型注聚合物井解堵體系的研究與應(yīng)用

黃利平，趙文森，崔盈賢，高建崇，周際永

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300452;2.中海油研究總院，北京 100027;3.中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300452)

0 引言

早在2003年，渤海油田就開展了單井聚合物驅(qū)實(shí)驗(yàn)，并取得了良好的開發(fā)效果。目前渤海有SZ36－1、LD10－1和 JZ9－3等聚合物驅(qū)油田，隨著注聚規(guī)模的擴(kuò)大，注聚井堵塞等造成單井注入壓力過高，不能達(dá)到配注要求等問題日益明顯，注聚合物井解堵增注已成為渤海聚合物驅(qū)油田高效開發(fā)的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外在聚合物解堵技術(shù)方面[1－6]已積累了一些成功的經(jīng)驗(yàn)，比較成熟的是采用氧化劑氧化降解的方法。國(guó)內(nèi)陸地注聚合物油田常見的解聚合物體系有醛類雙氧水體系、二氧化氯體系、過氧化物體系、過硫酸鹽體系和生物酶等體系[7－9]。渤海注聚合物油田2011年開始采用氧化解聚合物體系，取得了一定的降壓增注效果，但目前的解聚合物體系仍存在一定的缺陷，如解聚合物體系主劑單一，綜合性能有待加強(qiáng)，活性物質(zhì)釋放控制難度大，存儲(chǔ)運(yùn)輸安全性有待進(jìn)一步提高和施工工藝要求較高等。在總結(jié)現(xiàn)有海上注聚合物油田解堵成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了ZJ－02復(fù)合氧化解聚合物體系，室內(nèi)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明，該體系綜合性能優(yōu)良，使用安全方便，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

1 注聚合物井堵塞機(jī)理認(rèn)識(shí)

渤海各注聚合物油田使用的聚合物類型不同，分子質(zhì)量也不同，均是聚丙烯酰胺類的高分子聚合物。注聚合物井堵塞機(jī)理方面，主要包括注聚合物過程中聚合物的吸附捕集，魚眼、交聯(lián)聚合物及老化交聯(lián)物等有機(jī)堵塞，結(jié)垢、機(jī)雜和腐蝕產(chǎn)物等無機(jī)堵塞，以及有機(jī)堵塞物與無機(jī)堵塞物相互包裹形成的復(fù)合堵塞等，具體原因[10－11]包括以下幾方面。

(1)聚合物驅(qū)用水溶性高分子聚合物溶于水后與帶相反電性的巖層粒子產(chǎn)生靜電和氫鍵的吸附，是所有注聚合物開采油田中不可避免的問題，也是導(dǎo)致注聚合物井堵塞最根本的原因。儲(chǔ)層礦物組成、油層厚度、滲透率分布、配聚合物用水質(zhì)等都會(huì)造成聚合物在地層的吸附量明顯增加，誘發(fā)注聚合物井堵塞。研究的3個(gè)油田都存在導(dǎo)致聚合物在地層吸附量增加的不利因素。

(2)現(xiàn)場(chǎng)聚合物溶液配制過程中，部分聚合物熟化不充分或稀釋不均，管線內(nèi)產(chǎn)生局部濃度很高的近似膠狀物的聚合物溶液注入地層后，極易造成堵塞。

(3)聚合物干粉中含有少量的水不溶物，聚合物分子包裹水不溶物形成魚眼或交聯(lián)物，導(dǎo)致篩管或近井地層堵塞。

(4)聚合物分子與Fe3+等金屬陽離子結(jié)合，形成黏度更大的交聯(lián)聚合物，交聯(lián)物在篩管或近井積聚，造成堵塞。

(5)聚合物分子包裹配液水中的無機(jī)鹽或機(jī)雜等無機(jī)物顆粒，形成聚合物膠團(tuán)，造成堵塞等。

2 注聚合物井解堵機(jī)理

結(jié)合注聚合物井堵塞機(jī)理，注聚合物井解堵主要包括有機(jī)物降解和無機(jī)物溶蝕2方面，主要解決方法是酸溶蝕法和氧化降解法。酸溶蝕主要通過常規(guī)酸液體系對(duì)無機(jī)堵塞物進(jìn)行溶蝕，但常規(guī)酸液對(duì)聚合物等有機(jī)堵塞作用不大;氧化劑對(duì)聚合物等有機(jī)堵塞有很好的降解作用，其主要機(jī)理是通過氧化劑釋放活性物質(zhì)的強(qiáng)氧化性，氧化降解有機(jī)堵塞物高分子長(zhǎng)鏈，達(dá)到降解有機(jī)堵塞物的目的。

3 ZJ－02復(fù)合氧化解堵體系室內(nèi)評(píng)價(jià)

ZJ－02體系常態(tài)下為穩(wěn)定的白色粉末狀固體顆粒，其成分主要由過氧化鈣主劑、亞氯酸鹽和過硫酸鹽輔劑、多元有機(jī)酸及添加劑組成，現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)按配方濃度直接溶解，溶解后直接擠注即可。

3.1 聚合物溶液配制

以SZ36－1注聚合物油田為例，SZ36－1油田使用的聚合物為疏水締合型聚合物AP－P4，母液配制濃度為5000 mg/L，現(xiàn)場(chǎng)注聚濃度為1750 mg/L。配制母液:取一定量的AP－P4在轉(zhuǎn)速為400±5 r/min的攪拌條件下加入到45℃的模擬地層水中，溶解2 h后備用。配制目標(biāo)溶液:將放置24 h后的母液在45℃、轉(zhuǎn)速為400±5 r/min的攪拌條件下，與模擬地層水混合稀釋至目標(biāo)濃度，1 h后備用。

3.2 模擬交聯(lián)物的制備

模擬堵塞物為聚合物溶液的交聯(lián)體。將5000 mg/L的聚合物溶液采用交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)而成。交聯(lián)體系為實(shí)驗(yàn)室有機(jī)鉻交聯(lián)體系，濃度為2%。要求交聯(lián)后的聚合物體系具有良好的彈性和挑掛性能，能完全達(dá)到地層堵塞物的性狀。

3.3 模擬交聯(lián)物溶蝕實(shí)驗(yàn)

分別用蒸餾水和模擬地層水配制濃度1%的ZJ－02氧化體系解堵液，將配制好的解堵液分別與模擬交聯(lián)物按質(zhì)量比1∶5混合，模擬地層溫度(65℃)條件下靜置反應(yīng) 1、2、4 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用200目篩網(wǎng)過濾反應(yīng)殘液，并稱重，計(jì)算交聯(lián)聚合物溶蝕率，結(jié)果見表1。由表1可知，ZJ－02氧化體系溶蝕交聯(lián)聚合物性能優(yōu)良，且對(duì)配液水質(zhì)要求低。

表1 模擬交聯(lián)物溶蝕實(shí)驗(yàn)

3.4 用量?jī)?yōu)選實(shí)驗(yàn)

1%氧化體系配液濃度條件下，將氧化體系與不同濃度聚合物溶液以質(zhì)量比為0.10∶1.00、0.25∶1.00、0.50∶1.00、0.75∶1.00、1.00∶1.00進(jìn)行混合，65℃條件下靜置反應(yīng)2 h，測(cè)定殘液黏度，并計(jì)算降黏率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可知，隨著氧化體系用量的增加，反應(yīng)殘液的黏度降低，聚合物溶液降黏率增加，質(zhì)量比為1.00∶1.00條件下聚合物溶液降黏最充分。

圖1 氧化體系用量?jī)?yōu)選實(shí)驗(yàn)

3.5 濃度優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

將濃度為1750、3000、5000 mg/L的聚合物溶液分別與不同濃度的氧化體系溶液按照質(zhì)量比1∶1混合，65℃下靜置反應(yīng)2 h，測(cè)定反應(yīng)后液體的黏度，計(jì)算降黏率，結(jié)果見表2。由表2可知，在氧化體系配液與聚合物溶液質(zhì)量比為1∶1條件下，隨著氧化體系配液濃度的增加，聚合物溶液的降黏率增加，推薦氧化體系使用濃度為1.00%。

表2 氧化體系濃度優(yōu)選

3.6 反應(yīng)時(shí)間優(yōu)選

1%氧化體系濃度情況下，將濃度為1750、3000、5000 mg/L的聚合物溶液與氧化體系配液按照質(zhì)量比1∶1混合，65℃條件下靜置反應(yīng)0.5、1.0、1.5、2.0 h，分別測(cè)試不同反應(yīng)時(shí)間條件下的殘液黏度，并計(jì)算降黏率，結(jié)果見表3。由表3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，聚合物溶液的降黏率逐漸增加，推薦反應(yīng)時(shí)間應(yīng)不低于2 h。

表3 氧化體系反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化

3.7 殘液對(duì)后期注聚合物影響實(shí)驗(yàn)

1%氧化體系濃度條件下，將氧化體系配液與不同濃度聚合物溶液按質(zhì)量比1∶1混合，65℃下靜置反應(yīng)2 h，測(cè)試殘液黏度;將殘液再與聚合物母液按質(zhì)量比1∶1混合，65℃下靜置反應(yīng)2 h，再次測(cè)試殘液黏度;依次取二次反應(yīng)殘液與聚合物母液按質(zhì)量比1∶1混合，65℃下靜置反應(yīng)2 h，測(cè)試反應(yīng)物殘液黏度。當(dāng)最終測(cè)試殘液黏度與用同比例蒸餾水一次稀釋聚合物溶液黏度相近時(shí)，殘液影響實(shí)驗(yàn)結(jié)束。表4為殘液對(duì)后期注聚合物影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表4可知，殘液與母液反應(yīng)3次后，基本失去活性，對(duì)后期注聚合物基本無影響。

表4 殘液對(duì)后期注聚合物影響實(shí)驗(yàn)

3.8 腐蝕實(shí)驗(yàn)

選用標(biāo)準(zhǔn)N－80鋼片按1 cm2面積對(duì)應(yīng)20 mL的1%濃度氧化體系溶液，在90℃條件下靜止反應(yīng)4 h，測(cè)得平均腐蝕速率為0.12 g/(m2·h－1)，氧化體系溶液對(duì)鋼片基本不腐蝕。

3.9 產(chǎn)氣量測(cè)試實(shí)驗(yàn)

使用排液采氣法，分別測(cè)試500 mL1%ZJ－02氧化體系不同配液水溫度條件下，不同時(shí)間產(chǎn)氣量(見圖2)。由圖2可知，常溫條件下，ZJ－02氧化體系水溶液活性基本不釋放，當(dāng)溫度為50℃時(shí)，活性短時(shí)間內(nèi)集中釋放。

圖2 1%ZJ－02溶液產(chǎn)氣量測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.10 動(dòng)態(tài)驅(qū)替模擬實(shí)驗(yàn)

模擬SZ36－1油田的現(xiàn)場(chǎng)注聚環(huán)境，利用實(shí)驗(yàn)室的酸化流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中用到的填砂管柱規(guī)格為Φ25 mm×600 mm，采用40～60目的石英砂填充而成，驅(qū)替流量為1 mL/min。實(shí)驗(yàn)步驟:①用模擬地層水正向驅(qū)替填砂管柱，待壓力穩(wěn)定后，測(cè)定填砂管原始滲透率為K1;②用聚合物溶液反向驅(qū)替填砂管管柱，待壓力穩(wěn)定后，將填砂管管柱取下放置在65℃烘箱中老化48 h;③將老化堵塞的填砂管正向驅(qū)替地層水，待壓力穩(wěn)定后，測(cè)定填砂管傷害后的滲透率K2;④解堵工作液體系反向驅(qū)替解堵，注入2倍孔隙體積的解堵工作液后，放置2 h，再進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn);⑤反應(yīng)后用模擬地層水正向驅(qū)替解堵后的填砂管，待壓力穩(wěn)定后，測(cè)定填砂管解堵后的滲透率為K3。實(shí)驗(yàn)測(cè)得填砂管初始滲透率平均值為6013×10－3μm2，模擬堵塞后滲透率平均值為902×10－3μm2，解堵后滲透率平均值為4053×10－3μm2，解堵后填砂管滲透率恢復(fù)率為67.4%。可見，經(jīng)氧化體系解堵后，填砂管滲透率恢復(fù)明顯。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

ZJ－02復(fù)合氧化解堵體系室內(nèi)綜合性能優(yōu)良，現(xiàn)場(chǎng)施工安全簡(jiǎn)便，活性成分釋放可控，常溫下固體顆粒溶于水后活性基本不釋放，注入地層后，由于溫度升高或酸性環(huán)境，活性才集中釋放。2014年10月，渤海油田某注聚合物井使用ZJ－02復(fù)合氧化解堵體系配合常規(guī)酸化進(jìn)行解堵，效果見表5。

表5 渤海油田某注聚合物井解堵效果

由表5可知，該井解堵前注入壓力為9.85 MPa，日注入量為260 m3/d;解堵后注入壓力為9.85 MPa，日注入量為445 m3/d，視吸水指數(shù)由26.40 m3/(d·MPa)增加到45.18 m3/(d·MPa)，是原來的1.71倍，基本達(dá)到配注要求，增注效果明顯。

5 結(jié)論

(1)對(duì)于渤海注聚合物油田注聚合物井高壓欠注問題:無機(jī)物堵塞，常規(guī)酸液能起到很好的解堵作用;有機(jī)堵塞，氧化體系能起到很好的降解作用。采用氧化體系+酸的復(fù)合解堵模式，能較好地解決渤海油田注聚合物井的堵塞問題。

(2)在渤海注聚合物油田現(xiàn)有氧化體系解堵成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各現(xiàn)有體系的優(yōu)缺點(diǎn)，研發(fā)復(fù)配出的ZJ－02復(fù)合氧化解堵體系，具有綜合解堵性能優(yōu)良、存儲(chǔ)運(yùn)輸安全、施工工藝簡(jiǎn)單和活性釋放可控等優(yōu)點(diǎn)。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，ZJ－02復(fù)合氧化解堵體系結(jié)合常規(guī)酸化，單井解堵效果良好。

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