石油樹脂懸浮體調(diào)剖劑性能及其堵水機(jī)制

蔣 平, 鄭 超, 葛際江, 張貴才, 裴海華, 孫銘勤

(1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(華東))，山東青島266580； 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島266580； 3. 海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院,天津300451)

水驅(qū)油藏調(diào)剖主要分為2種工藝[1-4]:對(duì)于油水層存在有效隔層的情況可以采用機(jī)械封堵的方法,主要使用封隔器和配水器分隔高含水層;對(duì)于油水同層的情況主要采用化學(xué)方法,通過向高吸水層注入化學(xué)劑,降低其水相滲透率,從而降低高吸水層位吸水量,改善吸水剖面。具有油水選擇性的調(diào)剖堵水體系,如泡沫、凍膠、可動(dòng)凝膠、CDG、乳化瀝青、水玻璃、烷基苯酚乙醛樹脂等,取得了較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果[5-12],但是傳統(tǒng)的調(diào)剖劑如凍膠、泡沫等體系的耐溫抗鹽性較差,難以用于高溫高鹽地層,而無機(jī)沉淀類堵劑又不具有油水選擇性。石油樹脂因其原料豐富、價(jià)格低廉,且具有油溶性好、耐水、固體表面黏合性好等特點(diǎn)[13],用其改性物制備的乳液在膠黏劑、涂料、橡膠、造紙等行業(yè)中都存在廣泛的應(yīng)用[14-21]。由于其具有溶于油而不溶于水的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)剖過程中的選擇性堵水,但在常溫下為油溶性固體顆粒,常規(guī)方法難以將其輸送至井底并到達(dá)地層中去。筆者制備一種石油樹脂懸浮體調(diào)剖劑,考察其封堵性能、選擇性堵水性能,研究其封堵機(jī)制。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品和材料

實(shí)驗(yàn)藥品:陽離子聚丙烯酰胺(P832),陽離子度為32%,工業(yè)品;兩性表面活性劑AB-12,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%,工業(yè)品;石油樹脂(C9),工業(yè)品。

實(shí)驗(yàn)材料:高礦化度鹽水為塔河模擬地層水,其總礦化度220 g/L,Na+質(zhì)量濃度為73 g/L,Ca2+質(zhì)量濃度為11 g/L,Mg2+質(zhì)量濃度為1.5 g/L,Cl-質(zhì)量濃度為137 g/L,HCO3-質(zhì)量濃度為0.18 g/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中用到的主要儀器有MCR 92流變儀(廠家德國Anton Paar);電子分析天平(精度分別為0.001 g和0.000 1 g);粉碎機(jī);Winner 2000激光粒度分析儀(濟(jì)南微納顆粒技術(shù)有限公司);JJ-1精密增力電動(dòng)攪拌器;數(shù)顯油浴鍋、水浴鍋;平流泵;精密壓力表(0～0.1 MPa);六通閥;中間容器;高溫高壓倉;顯微鏡;恒溫烘箱;填砂管(長度為20.0 cm,管徑為2.5 cm)等驅(qū)替設(shè)備。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 石油樹脂的基本物理性質(zhì)

按《石油瀝青比重和密度測定法》(SH/T 8928-1988)測定石油樹脂在25 ℃的密度,按《環(huán)球法》(GB/T2294)測定石油樹脂的軟化點(diǎn),按《石油瀝青溶解度測定法》(CB/T 11148-1989)測定石油樹脂在柴油(130 ℃)和水(130 ℃)中的溶解度。

利用MCR 92流變儀測量石油樹脂的高溫流變性,主要步驟為:①將流變儀設(shè)置固定溫度(110、120、130、140、150 ℃);②流變儀初始化設(shè)置零間隙;③稱取0.5 g石油樹脂顆粒裝入高溫樣品槽中使其完全軟化;④調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子高度至與石油樹脂樣品間隙1 mm,刮樣;⑤以恒定剪切速率(7.34 s-1)測量不同時(shí)間下石油樹脂的黏度,以不同剪切速率測量石油樹脂黏度,測量剪切應(yīng)力隨剪切速率變化關(guān)系,測量石油樹脂的黏彈模量及黏性模量。

1.3.2 石油樹脂懸浮體的制備方法

利用粉碎機(jī)將石油樹脂顆粒粉碎,然后在塔河模擬水中加入穩(wěn)定劑配置成水基的石油樹脂懸浮體,懸浮體中石油樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,穩(wěn)定劑為0.2%AB-12+0.2% P832(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同),以500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 h制得穩(wěn)定的懸浮體。

1.3.3 石油樹脂的耐溫性能分析方法

將制備好的石油樹脂懸浮體分別放入不同溫度的油浴鍋中,利用Winner 2000激光粒度分析儀測量其粒徑分布并比較不同溫度下石油樹脂的粒徑分布。

將制備好的石油樹脂懸浮體放入130 ℃高溫油浴中,放置不同的時(shí)間(1、2、5 h)后用Winner 2000激光粒度分析儀測量其粒徑分布并比較放置不同時(shí)間石油樹脂的粒徑分布。

1.3.4 封堵性能評(píng)價(jià)方法

(1)采用單填砂管模型評(píng)價(jià)石油樹脂懸浮體對(duì)注入水的封堵效果,為了保證不同填砂實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性,采用粒徑范圍0.55～0.83 mm的玻璃微珠充填長度為20 cm,截面積為4.906 cm2的填砂管,液測滲透率,在不同溫度下注入1VP(VP為孔隙體積,注入速度為1 mL/min)石油樹脂懸浮體后繼續(xù)注塔河模擬水并測量驅(qū)替壓力,計(jì)算封堵前后的滲透率。封堵率(RII)計(jì)算方程為

(1)

式中,kw1為封堵前滲透率,μm2;kw2為封堵后滲透率,μm2。

殘余阻力系數(shù)(Rff)計(jì)算方程為

Rff=kw1/kw2.

(2)

采用上述粒徑玻璃珠與填砂管。在130 ℃下將填砂管飽和柴油后測量驅(qū)替壓力并計(jì)算其滲透率,注石油樹脂分散體1VP封堵后,用柴油進(jìn)行驅(qū)替,驅(qū)替至10VP后,測量驅(qū)替壓力并計(jì)算滲透率及對(duì)油相傷害率。

(2)采用雙填砂管模型研究石油樹脂懸浮體對(duì)非均質(zhì)儲(chǔ)層的調(diào)剖效果,實(shí)驗(yàn)中采用2種粒徑范圍(0.55～0.83mm、0.18～0.25 mm)的玻璃珠分別充填兩根長度為20 cm,截面積為4.906 cm2的填砂管,得到滲透率級(jí)差為3的平行管模型,在130 ℃高溫下向平行管中注入不同孔隙體積的石油樹脂懸浮體后用塔河模擬水驅(qū)替,計(jì)算封堵后的滲透率并測量注入水分流量。

1.3.5 高溫高壓形態(tài)

通過高溫高壓倉(加溫加壓到130 ℃和20 MPa)模擬地層鹽水石油樹脂吸附后的形貌,并通過顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果分析

2.1 石油樹脂懸浮體粒徑分布

2.1.1 室 溫

首先利用激光粒度分析儀測定石油樹脂懸浮體的粒徑分布的情況,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1?？梢钥闯?室溫下該石油樹脂懸浮體D50(中值粒徑)為21.3 μm,D90為39.5 μm,其粒徑分布較寬,粒徑較大,適用于高滲地層或是大孔道的封堵。

圖1 石油樹脂懸浮體粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of petroleum resin suspensions

2.1.2 溫度為60～90 ℃

將該石油樹脂懸浮體放置在不同溫度下熱處理5 h后,測量其粒徑分布,粒徑分析結(jié)果見圖2。

由圖3可知,隨著溫度的升高,石油樹脂的粒徑有所增大,當(dāng)溫度從25 ℃升高到130 ℃后,石油樹脂懸浮體粒徑D50從21.3 μm 變?yōu)?3.3 μm,D90從39.5 μm變?yōu)?3.5 μm,但聚結(jié)程度較弱,粒徑變化較小,說明其在高溫高鹽條件下具有較好的穩(wěn)定性。

圖2 不同溫度下石油樹脂粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of petroleum resin at different temperatures

2.1.3 溫度為130 ℃

將該石油樹脂懸浮體放置在130 ℃油浴鍋中,放置不同時(shí)間,分別測量其粒徑分布,粒徑分析結(jié)果見圖3。

圖3 130 ℃時(shí)不同時(shí)間石油樹脂粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of petroleum resin in different time at 130 ℃

由圖3可知,放置5 h以內(nèi)其粒徑分布幾乎未發(fā)生變化,該石油樹脂懸浮體具有較好的聚結(jié)穩(wěn)定性,可滿足現(xiàn)場施工中的注入穩(wěn)定性要求。

2.2 石油樹脂封堵性能評(píng)價(jià)

2.2.1 不同溫度對(duì)封堵性能的影響

石油樹脂的軟化點(diǎn)反映了石油樹脂軟化或液化的溫度,當(dāng)溫度超過軟化點(diǎn)后石油樹脂從固體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂辛鲃?dòng)性的黏性體系。當(dāng)?shù)貙訙囟刃∮跇渲浕c(diǎn)時(shí),石油樹脂懸浮體主要依靠軟固體的堵塞作用封堵孔道,當(dāng)溫度大于樹脂軟化點(diǎn)后,樹脂主要依靠黏附在巖石表面降低滲透率,而樹脂的封堵性能和使用溫度的關(guān)系目前缺少相關(guān)的研究,本文中通過驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究軟化點(diǎn)為91 ℃的石油樹脂懸浮體在不同溫度下的封堵性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖4)計(jì)算其在不同溫度下的封堵率及殘余阻力系數(shù)(表1),發(fā)現(xiàn)當(dāng)石油樹脂的軟化點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)溫度接近時(shí),石油樹脂的封堵效果最好,封堵率高達(dá)98%以上,但其在其他不同溫度下仍然可以表現(xiàn)出較好封堵能力,封堵率都在90%以上。

圖4 不同溫度下水驅(qū)壓力與時(shí)間關(guān)系Fig.4 Relationship between water flooding pressure and water driving time at different temperatures

表1 不同溫度下的封堵性能

Table 1 Plugging performance at different temperatures

溫度/℃滲透率/10-3 μm2封堵前封堵后封堵率/%殘余阻力系數(shù)7585951051308 50060092.914.224097.235.414098.460.718097.947.219297.744.3

2.2.2 雙管封堵實(shí)驗(yàn)

采用級(jí)差為3的并聯(lián)填砂管模擬非均質(zhì)地層注入石油樹脂懸浮體前后,高滲、低滲層位分流量的變化規(guī)律。結(jié)果表明,隨著注入量的增加,高滲管與低滲管分流量的比值逐漸減小。注入量達(dá)到0.5VP時(shí),高低滲流量比小于1,當(dāng)注入量達(dá)到0.8VP時(shí),石油樹脂對(duì)低滲管造成傷害,說明懸浮體在進(jìn)入高滲管的同時(shí)也進(jìn)入低滲管,對(duì)高滲管和低滲管同時(shí)起封堵作用。因此建議根據(jù)地層的滲透率級(jí)差優(yōu)選石油樹脂懸浮體的注入量。

2.3 油水選擇性

首先測定的石油樹脂軟化點(diǎn)及在柴油中和水中的溶解度見表3。從表3可以看出,高溫下石油樹脂在柴油中具有優(yōu)異的溶解性,而在水中幾乎不溶解,且隨著軟化點(diǎn)的升高,溶解性降低,這主要是軟化點(diǎn)越高所用原料的餾程溫度越低,非烯烴雜質(zhì)含量越少,產(chǎn)物聚合度越大的結(jié)果。根據(jù)其油溶性和水溶性實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以初步判斷在地層條件下石油樹脂懸浮體可以實(shí)現(xiàn)選擇性封堵的要求。

表2 石油樹脂懸浮體對(duì)非均質(zhì)儲(chǔ)層封堵效率的影響Table 2 Effect of petroleum resin suspension on plugging efficiency for heterogeneous reservoirs

表3 石油樹脂基本物理特性

進(jìn)而通過流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測定石油樹脂懸浮體對(duì)油相的封堵性能,結(jié)果表明注石油樹脂懸浮體前油相的注入壓力為4.02×10-5MPa,注入1VP石油樹脂懸浮體后,用柴油驅(qū)至10VP后,油相的注入壓力為4.22×10-5MPa(圖5),油相滲透率由8 500×10-3μm2變?yōu)? 050×10-3μm2,對(duì)油相的傷害率僅為5.29%。

圖5 油相流動(dòng)壓力與驅(qū)替時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between oil flowing pressure and oil displacement time

說明石油樹脂對(duì)高含油飽和度區(qū)域的傷害較小,具有堵水不堵油的優(yōu)勢。

2.4 石油樹脂封堵機(jī)制

2.4.1 高溫流變性

采用流變儀測定不同溫度下軟化點(diǎn)為91 ℃的石油樹脂黏度隨剪切時(shí)間和剪切速率變化及石油樹脂的黏度隨溫度變化,結(jié)果見圖6和7。

從圖6和7看出,當(dāng)溫度大于軟化點(diǎn)時(shí),石油樹脂的黏度不隨時(shí)間和剪切速率的變化而變化,在110、120、130、140、150 ℃下的黏度分別為158、41、14、5.2、2.2 Pa·s,在其軟化點(diǎn)以上溫度越高黏度越小,且隨溫度升高黏度急劇下降但黏度下降速率越來越慢。說明石油樹脂可以利用其較高的黏度吸附在巖石表面降低水相滲透率。

圖6 石油樹脂的黏度在不同溫度下隨剪切時(shí)間及剪切速率的變化Fig.6 Petroleum resin viscosity changing with shearing time and shearing rate at different temperatures

圖7 石油樹脂黏度隨溫度的變化Fig.7 Change of petroleum resin viscosity with temperature

測定不同溫度下剪切應(yīng)力隨剪切速率變化及石油樹脂的黏彈模量和黏性模量,結(jié)果見圖8、9。

圖8 剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化Fig.8 Change of shearing stress with shearing rate

從圖8和9看出,剪切應(yīng)力與剪切速率線性相關(guān)且過原點(diǎn),說明當(dāng)溫度超過石油樹脂軟化點(diǎn)后,石油樹脂轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體,表現(xiàn)出高黏特性。測定3種軟化點(diǎn)的石油樹脂在不同溫度下的黏度變化規(guī)律,結(jié)果見圖10。

圖9 模量與剪切應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.9 Relationship between modulus and shear stress

由圖10看出,99 ℃與109 ℃軟化點(diǎn)石油樹脂的性質(zhì)與91 ℃軟化點(diǎn)石油樹脂的性質(zhì)基本相同,石油樹脂軟化點(diǎn)越高，在同一溫度下的黏度越高,109 ℃軟化點(diǎn)石油樹脂在150 ℃溫度下的黏度高達(dá)230 Pa·s。

2.4.2 石油樹脂在高溫下的黏附性

將石油樹脂懸浮體注入到地層后,在地層高溫的作用下石油樹脂懸浮體中的石油樹脂顆粒逐漸發(fā)生聚結(jié)(石油樹脂在130 ℃高溫下黏連在固體表面現(xiàn)象見圖11),同時(shí)由于懸浮體中的穩(wěn)定劑(表面活性劑和聚合物)在巖石表面的吸附造成懸浮體的穩(wěn)定性降低,從而使得石油樹脂進(jìn)一步聚結(jié)并黏附在巖石孔隙表面和裂縫表面,使得巖石孔隙和裂縫的滲流面積減小,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水流通道的有效封堵。而在油層中由于石油樹脂本身具有優(yōu)異的油溶性,因此可以逐漸溶解到原油中,實(shí)現(xiàn)堵水不堵油的選擇性封堵效果。

圖10 不同軟化點(diǎn)石油樹脂在不同溫度下的黏度Fig.10 Viscosity of petroleum resins at different temperatures for different softening points

圖11 石油樹脂在固體表面的黏附現(xiàn)象Fig.11 Adhesion of petroleum resin on solid surfaces

3 結(jié) 論

(1)石油樹脂體系在130 ℃下可以穩(wěn)定5 h以上,具有較好的耐溫耐鹽性。

(2)石油樹脂懸浮體對(duì)水相封堵能力極強(qiáng),對(duì)于滲透率大于8 000×10-3μm2的水層,封堵率高達(dá)80%以上,而對(duì)油層傷害率僅為5.29%。

(3)隨著注入量的增加,高滲管與低滲管分流量的比值逐漸減小,注入量達(dá)到0.5VP時(shí),高低滲流量比小于1,當(dāng)注入量達(dá)到0.8VP時(shí),石油樹脂對(duì)低滲管造成傷害。

(4)當(dāng)溫度大于石油樹脂軟化點(diǎn)后轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD流體,在地層中利用高黏特性吸附在巖石表面達(dá)到封堵水層的目的。