渤海J油田注聚受益井堵塞物成因研究①

陳華興，蘭夕堂，龐 銘，符揚(yáng)洋，唐洪明

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459；2.西南石油大學(xué) 地球與科學(xué)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500)

隨著海上油田穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)發(fā)展形勢需要，聚合物驅(qū)油技術(shù)取得了顯著的降水增油效果，成為了海上稠油油田開發(fā)增產(chǎn)的重要手段之一。隨著注入時(shí)間的延長，聚合物注入量不斷增加，聚合物長期聚集造成井底及近井地帶堵塞。同時(shí)由于稠油在儲層和井筒中的流動性差，極易與井底堵塞物相互包裹形成復(fù)雜堵塞物，進(jìn)一步加劇近井地帶污染。注聚井堵塞問題日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了聚合物驅(qū)油效果，受益油井產(chǎn)量難以提升，無法實(shí)現(xiàn)油田的有效快速開發(fā)[1]。

渤海J油田從2003年開始單井注聚試驗(yàn)發(fā)展至今，受益油井已超過180口，但在部分受益油井的近井地帶、篩管處以及泵吸入口均發(fā)現(xiàn)一定量的含聚堵塞物，造成油井產(chǎn)能下降明顯、檢泵作業(yè)頻次增加，一定程度上制約了聚驅(qū)提高采收率效益。特別是J油田采用疏水締合聚合物，形成的堵塞物更不易解除[2-7]。針對該問題，在渤海J油田開展注聚受益井堵塞物形成機(jī)理研究，對現(xiàn)場堵塞物樣品、聚合物特性等進(jìn)行分析，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究注聚受益井堵塞物產(chǎn)生機(jī)理，可為預(yù)防注聚受益油井形成堵塞物以及針對性研發(fā)注聚受益油井解堵工作液提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品、材料與儀器

藥品及材料：正己烷、甲苯、雙氧水、硫酸亞鐵銨、FeCl3、Al2(SO4)3、CaCl2和MgCl2，均為分析純；疏水締合聚合物AP-P4，相對分子質(zhì)量1200萬，西南石油大學(xué)光亞公司。J-1井模擬地層水；含聚污水(J-3井井口生產(chǎn)污水)；殘酸溶液。J-1、J-2注聚受益油井井筒堵塞物樣品(分別為樣品1、樣品2)、人造長巖芯(長度30 cm，直徑3.7 cm，PV106.5，孔隙度33%)。

儀器：恒溫烘箱、分析天平、0.45 μm纖維濾膜、馬弗爐、透析袋；GPC儀(Waters 1515型，美國Waters公司)；原子吸收光譜儀(AA-7090型，北京東西分析儀器有限公司)；XRD儀(X Pert PRO MPDz型，荷蘭帕納科公司)；SEM/能譜儀，F(xiàn)EI Quanta 650FEG場發(fā)射掃描電子顯微鏡，美國FEI公司；IR儀(Nicolet 6700型，美國熱電公司)；Waring剪切攪拌器；離心機(jī)；截留摩爾質(zhì)量為1000 g/mol的透析袋。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法和測試條件

1.2.1 井筒堵塞物組分分析

堵塞物具體分離步驟：(1)稱取一定質(zhì)量的樣品于燒杯中，冷凍干燥24 h。差量法得到樣品含水率。(2)取1 g干燥后的堵塞物用100 mL雙氧水溶液(3%)降解，檢測金屬離子濃度。(3)稱取一定質(zhì)量干燥后的樣品于濾紙中，利用索氏提取的方法，兩次萃取固體中的原油。將萃取劑旋蒸除去后得到油相，并利用IR測試分析有機(jī)物結(jié)構(gòu)；無油物質(zhì)進(jìn)行SEM觀察、能譜分析元素組成。(4)將無油物質(zhì)置于馬弗爐中，600 ℃下灼燒4 h后得到無機(jī)物，進(jìn)行XRD測試分析無機(jī)物成分。(5)稱取一定質(zhì)量經(jīng)除水和脫油處理后的樣品于燒杯中，加入100 g去離子水，室溫下攪拌12 h，使樣品中水溶物充分溶解；過濾并收集濾液，將濾液轉(zhuǎn)移到透析袋中透析12 h，除去其中的無機(jī)鹽離子；旋干濾液中的水分得到聚合物并稱量，進(jìn)行GPC及IR分析測定聚合物濃度和類型。

1.2.2 堵塞物動態(tài)評價(jià)方法

受益油井產(chǎn)出液中聚合物的分離：(1)在2 L含油污水中加入足量萃取劑；(2)取下層水相于70 ℃的水浴中旋蒸，將2 L污水濃縮至150～200 mL；(3)將濃縮液透析48 h除鹽，將透析袋中聚合物溶液倒出，冷凍干燥得到聚合物干粉。聚合物溶液及金屬離子溶液的配制：(1)將聚合物干粉溶于該油田模擬地層水中，配制成2000 mg/L的聚合物溶液待用；(2)采用Waring剪切攪拌器1擋剪切一定量聚合物溶液20 s后備用；(3)用蒸餾水配制5000 mg/L 氯化鐵和硝酸鋁溶液備用。模擬聚合物膠團(tuán)生成方法：聚合物溶液分別與不同的金屬離子溶液混合，用蠕動泵輸送聚合物溶液(50 mL)，注射泵輸送金屬離子溶液，兩者在三通閥處流動混合；混合液從三通閥流出經(jīng)過金屬篩網(wǎng)(200 目)收集水不溶物。采用GPC分析聚合物的相對分子質(zhì)量；采用SEM觀察聚合物溶液和聚合物膠團(tuán)的微觀形貌。

1.2.3 長巖芯動態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

(1)水樣準(zhǔn)備。在模擬地層水中加入聚合物干粉配制成含聚質(zhì)量濃度200 mg/L的含聚污水待用；將儲層酸化解堵所用的酸液與等質(zhì)量油砂樣混合于燒杯內(nèi)，放置于恒溫箱，設(shè)置溫度為60 ℃密閉反應(yīng)4 h，調(diào)節(jié)反應(yīng)后的酸液pH至1.5，然后5000 r/min離心處理30 min配制成殘酸溶液。(2)巖樣飽和地層水。實(shí)驗(yàn)長巖芯烘干，計(jì)量長度、直徑，稱干質(zhì)量m1；利用驅(qū)替裝置在一定壓力條件下，正向地層水驅(qū)替測試長巖芯滲透率Kw1，注入流量1 mL/min；飽和地層水后，稱濕重m2，計(jì)算巖芯孔隙度和PV數(shù)；正向轉(zhuǎn)注含聚合物質(zhì)量濃度為200 mg/L的油田污水，注入污水體積在2 PV以上，注入流量1 mL/min，注入過程中持續(xù)檢測巖芯水相滲透率Kw2，并監(jiān)測壓力和流量。(3)人造巖芯殘酸注入。取酸化酸液，離心處理后調(diào)節(jié)pH至1.5備用；正向轉(zhuǎn)注殘酸溶液，注入酸液體積1 PV，注入流量1 mL/min，反應(yīng)2～3 h，在注入過程中持續(xù)檢測巖芯水相滲透率Kw3，并監(jiān)測壓力和流量；正向利用地層水測試巖芯水相滲透率Kw4。實(shí)驗(yàn)巖芯采用人造巖芯；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在60 ℃條件下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 油井井筒堵塞物組分分析

油井井筒堵塞物組分分析見表1、圖1。由表1可知，堵塞物樣品中無機(jī)物主要為SiO2、CaCO3、FeCO3，有機(jī)物為部分水解聚丙烯酰胺交聯(lián)物。

表1 注聚受益井堵塞物樣品分析結(jié)果

a 樣品1電鏡微觀形貌 b 樣品2 濾液絮團(tuán)聚合物電鏡微觀形貌

c 樣品1的IR分析 d 樣品2的XRD分析

堵塞物樣品的無機(jī)成分為不配伍產(chǎn)生的垢、黏土礦物及其他機(jī)械雜質(zhì)等，其中鐵、鈣、鎂離子的存在說明存在鐵垢及鈣鎂離子結(jié)垢堵塞。大量的鐵鹽沉淀是因?yàn)镕e3+隨液體pH增大后形成氫氧化鐵沉淀。

推測堵塞物中有機(jī)質(zhì)形成機(jī)理：聚驅(qū)用聚合物分子鏈以Al3+、Fe3+等高價(jià)陽離子為交聯(lián)點(diǎn)，通過聚合物側(cè)基中的羧酸根和高價(jià)陽離子之間的配位作用，形成交聯(lián)網(wǎng)狀的彈性體；同時(shí)部分水、原油和無機(jī)鹽等物質(zhì)被包裹在彈性體中從而形成堵塞物(見圖2)。為驗(yàn)證有機(jī)堵塞物形成機(jī)理，對聚合物與高價(jià)金屬離子(Al3+、Fe3+)作用后形成水不溶物的規(guī)律開展研究。

圖2 堵塞物形成機(jī)理

2.2 聚合物形成水不溶物的規(guī)律分析

實(shí)驗(yàn)測試不同pH下聚合物與金屬離子作用后不溶物的產(chǎn)生量。在pH=1時(shí)，聚合物不會與鈣鎂離子作用生產(chǎn)不溶物，但會和鐵離子、鋁離子作用生成不溶物(離子質(zhì)量濃度為500 mg/L時(shí)，不溶物質(zhì)量濃度為0.22～0.49 g/L)；當(dāng)pH=3時(shí)，聚合物仍不與鈣鎂離子作用，與鐵離子、鋁離子作用生成的不溶物質(zhì)量濃度為0.14～0.21 g/L。

表2為在pH=3時(shí)，當(dāng)聚合物溶液質(zhì)量濃度為2000 mg/L，初始溫度為20 ℃，金屬離子質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，對比不同流量和溫度下水不溶物的產(chǎn)生量。隨著聚合物原液流量增大、溫度增加，與Al3+、Fe3+作用后水不溶物產(chǎn)生量整體變化不大；而對于剪切后聚合物溶液，其不溶物產(chǎn)生量較原液均有所減小，同時(shí)Al3+產(chǎn)生的不溶物更多于Fe3+。用篩網(wǎng)搜集水不溶物，并進(jìn)行環(huán)境SEM觀察，顯示聚合物與Al3+、Fe3+作用后產(chǎn)生的不溶物均具有明顯的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(見圖3)。

表2 聚合物溶液流量、溫度對形成水不溶物量的影響(pH=3)

a 聚合物與Al3+作用 b 聚合物與Fe3+作用

高價(jià)金屬離子是聚丙烯酰胺常用的交聯(lián)劑，聚丙烯酰胺通過羧基發(fā)生交聯(lián)。當(dāng)與之接觸的金屬離子濃度小時(shí)，聚丙烯酰胺只有部分羧基參與交聯(lián)，作用后形成凍膠；隨著金屬離子濃度增大交聯(lián)程度也增強(qiáng)，交聯(lián)體脫水并收縮形成不溶物。聚合物的網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)因回旋半徑增大，流動阻力也增加。同時(shí)由于疏水締合聚合物的特性，一旦發(fā)生交聯(lián)會在儲層內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的堵塞。

2.3 殘酸與含聚污水混合水對巖芯傷害程度評價(jià)

受益井堵塞物性質(zhì)分析表明堵塞物樣品的無機(jī)成分為不配伍產(chǎn)生的垢、黏土礦物及其他雜質(zhì)等，其中鐵、鈣、鎂離子的存在說明存在鐵垢及鈣鎂離子結(jié)垢堵塞；有機(jī)堵塞物成分主要為聚合物形成的膠團(tuán)絮凝物、原油中的重質(zhì)成分等。堵塞成因推測為酸化后二次沉淀(鐵鹽沉淀)、鈣質(zhì)垢、產(chǎn)出聚合物與三價(jià)金屬離子(Al3+或Fe3+)作用形成膠團(tuán)。

為此實(shí)驗(yàn)通過室內(nèi)長巖芯動態(tài)驅(qū)替研究，綜合評價(jià)水驅(qū)、聚合物驅(qū)、殘酸溶液驅(qū)替時(shí)的滲透率變化，從而明確注水、注聚合物提高采收率開發(fā)、注酸酸化解堵過程中不同流體對巖芯的損害程度。長巖芯動態(tài)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

混合地層水驅(qū)替時(shí)巖芯滲透率逐漸下降，穩(wěn)定后滲透率損害率達(dá)55.6%，中等偏強(qiáng)損害。當(dāng)含聚污水驅(qū)替時(shí)，初期巖芯滲透率增加，隨著注入量增加，聚合物不斷聚集附著致巖芯滲透率不斷下降，滲透率損害率達(dá)92.4%，損害程度達(dá)到強(qiáng)損害。當(dāng)進(jìn)一步注入殘酸溶液時(shí)，巖芯滲透率急劇下降，損害率達(dá)到96.3%。

圖4 巖芯滲透率變化實(shí)驗(yàn)曲線

在地層滲流過程中，疏水締合聚合物的超分子聚集體隨環(huán)境變化會形成多聚體, 它與巖石之間產(chǎn)生強(qiáng)烈作用能夠有效降低大孔道的水相滲透率，伴隨著形成較高的阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)[8]。同時(shí)，聚合物通過吸附滯留、機(jī)械捕集與水力滯留均會堵塞孔隙[9]。因巖石基團(tuán)與羧基間的氫鍵和化學(xué)鍵結(jié)合，吸附滯留通常不可逆。隨后注入殘酸溶液，其中高價(jià)金屬離子與聚合物分子形成交聯(lián)網(wǎng)狀不溶物，進(jìn)一步加深堵塞，巖芯滲透率急劇下降，驗(yàn)證了上述推測。

3 結(jié)論及建議

(1)利用XRD法、SEM/能譜法、IR法、GPC法等，對J油田注聚受益井堵塞物組分進(jìn)行了分析。堵塞物的無機(jī)成分主要為不配伍產(chǎn)生的垢、黏土礦物和鐵鹽沉淀(主要來源為酸化作業(yè)后殘酸中的高濃度鐵離子，遇聚合物驅(qū)替液pH增大后生成)，有機(jī)成分均為三價(jià)金屬離子交聯(lián)產(chǎn)出聚合物而形成的膠團(tuán)。(2)受益油井采出液中聚合物在酸性條件下會與Al3+、Fe3+發(fā)生配位作用，生成聚合膠團(tuán)水不溶物，且交聯(lián)程度隨著聚合物濃度的增加而增強(qiáng)，不溶物產(chǎn)生量逐漸增大，鏡下呈交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。(3)J油田注聚受益井堵塞物成因?yàn)樗峄蠖纬恋?鐵鹽沉淀)、鈣質(zhì)垢、產(chǎn)出聚合物與三價(jià)金屬離子(Al3+或Fe3+)作用形成復(fù)雜垢，堵塞孔喉，造成儲層滲透率下降。(4)目前制約注聚受益井解堵效果的瓶頸主要是復(fù)合堵塞問題未能很好解決及化學(xué)解堵方案有待優(yōu)化，需有針對性地開發(fā)能同時(shí)解除有機(jī)和無機(jī)堵塞物的復(fù)合解堵劑；合理篩選藥劑用量以能達(dá)到污染半徑且能避免二次污染；選擇解堵層位時(shí)應(yīng)充分考慮注聚前后注入壓力變化及連通油井注采關(guān)系。