適用于長慶油田防氣竄CO2凍膠泡沫的研究

王彥玲，蘭金城，李 強(qiáng)，蔣保洋，許 寧，孟令韜

(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

長慶油田黃3區(qū)屬于低滲透油氣田[1]，然而其油層孔喉細(xì)小、滲透率低[2-3]等特征，使得長慶油田的有效開發(fā)難度很大；并且其試驗(yàn)區(qū)黃3區(qū)CO2驅(qū)時(shí)發(fā)生嚴(yán)重氣竄，CO2氣竄遇水溶解后呈酸性，使得普通泡沫和凍膠防氣竄效果較差[4-6]。為了解決黃3區(qū)氣竄嚴(yán)重的問題，人們研究了兼具凍膠和泡沫雙重特點(diǎn)的耐酸改性凍膠泡沫的防氣竄效果[7-11]。

文獻(xiàn)中關(guān)于防氣竄的耐溫抗鹽的凍膠泡沫報(bào)道較少。李亮等[12]開展了高溫高鹽油藏氮?dú)鈨瞿z泡沫調(diào)驅(qū)技術(shù)研究；任樹亮等[13]對泡沫體系進(jìn)行了優(yōu)選和性能研究；Almoshin等[14]利用石墨烯氧化鋯納米復(fù)合材料作為交聯(lián)劑來增強(qiáng)凍膠的強(qiáng)度。從文獻(xiàn)來看，都是采用單一的泡沫或凍膠來防止氣竄，并未有關(guān)于低滲油藏利用CO2凍膠泡沫來防氣竄的研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要試劑與儀器

FS924聚合物，相對分子質(zhì)量約450×104，水解度7.0%，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司；酚醛交聯(lián)劑，北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司；發(fā)泡劑F23、F29、F6、F3，長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院；Q4穩(wěn)泡劑,自制；實(shí)驗(yàn)用水為長慶油田黃3區(qū)地層模擬水；實(shí)驗(yàn)用油為長慶油田黃3區(qū)原油；實(shí)驗(yàn)用巖心,尺寸為φ25 mm×300 mm，滲透率分布為0.5/50/200×10-3μm2。

blender攪拌儀(7012S)，美國waring有限公司；注氣驅(qū)巖心評價(jià)系統(tǒng)，山東中石大石油儀器有限公司；氣體質(zhì)量流量計(jì)，江蘇拓創(chuàng)石油儀器有限公司；泡沫發(fā)生器，江蘇拓創(chuàng)石油儀器有限公司；HAAKE RS600型流變儀，德國Thermo公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 改性凍膠的制備

在催化劑作用下，將帶有苯環(huán)和硫脲結(jié)構(gòu)的有機(jī)物與液溴混合，加熱使其在苯環(huán)上發(fā)生溴原子取代氫原子反應(yīng)；將上一步產(chǎn)物在加熱條件加入碳酸鈉溶液，然后加入強(qiáng)酸；加入弱堿去雜質(zhì)，冷卻結(jié)晶得含硫脲結(jié)構(gòu)的酚類有機(jī)物。將聚合物、酚醛交聯(lián)劑和含硫脲結(jié)構(gòu)的酚類有機(jī)物按一定比例混合溶解后在85 ℃下制得改性凍膠。

1.2.2 改性凍膠的性能評價(jià)方法

1)凍膠的成膠性能。使用黃3區(qū)地層模擬水配制不同的成膠液，將其裝入試樣瓶中密封好后置于85 ℃下進(jìn)行成膠反應(yīng)，采用GSC強(qiáng)度代碼法(將裝有成膠反應(yīng)后的凍膠試劑瓶倒置，根據(jù)凍膠的流動性能來判斷凍膠等級)定性確定凍膠強(qiáng)度等級和成凍時(shí)間[15]。使用流變儀評價(jià)其儲能模量。

2)起泡性能。使用黃3區(qū)地層模擬水配制不同的發(fā)泡劑溶液，采用Waring方法對泡沫的起泡性能和穩(wěn)泡性能進(jìn)行評價(jià)。

3)封堵性能實(shí)驗(yàn)。采用人造巖心，恒溫85 ℃模擬油藏溫度，首先將巖心烘干稱重，抽真空，飽和模擬地層水，測定孔隙度；氣測滲透率，然后分別注入1.0 PV的凍膠泡沫和普通泡沫(氣液體積比1∶1)，記錄注入壓力。將巖心密封后，成膠72 h后繼續(xù)氣測滲透率，計(jì)算封堵率(R)，R=(1-k1/k2)×100%，其中k1為注入封堵體系前測得的氣相滲透率，k2為注入封堵體系后的氣相滲透率。

4)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。將所用巖心烘干稱重，抽真空，隨后飽和模擬地層水；升溫至地層溫度85 ℃；地層水驅(qū)替充分飽和巖心，之后飽和油，并在地層溫度下老化24 h；依次水驅(qū)、CO2驅(qū)、注入1.0 PV凍膠泡沫(氣液體積比1∶1)、后續(xù)CO2驅(qū)。記錄各個(gè)時(shí)刻的壓力、產(chǎn)油量，產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量直至試驗(yàn)結(jié)束。

2 改性凍膠泡沫配方優(yōu)化

2.1 發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的優(yōu)選

長慶油田常用的發(fā)泡劑有陰離子型、非離子型和復(fù)合型發(fā)泡劑等幾種類型，并且不同發(fā)泡劑的發(fā)泡穩(wěn)泡性能差別較大，需要對它們進(jìn)行初步篩選。使用長慶油田黃3區(qū)模擬地層水配置發(fā)泡液，其性能結(jié)果見表1。

表1 常溫常壓下不同發(fā)泡劑的發(fā)泡及穩(wěn)泡能力

注：FCI為泡沫特征綜合值。

由表1可知，從起泡體積和析液半衰期綜合來看，發(fā)泡穩(wěn)泡性能最好的是發(fā)泡劑F29。進(jìn)一步對發(fā)泡劑F29用量和穩(wěn)泡劑Q4的用量進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表2所示。

表2 不同F(xiàn)29用量和穩(wěn)泡劑Q4用量下的FCI

從表2可以看出，發(fā)泡劑在0.1%～0.8%范圍內(nèi)，泡沫特征綜合值隨發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先上升后趨于平穩(wěn)。隨著發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，發(fā)泡劑的分子向氣液界面吸附，當(dāng)增加到發(fā)泡劑的臨界膠束濃度后，起泡劑分子在氣液界面的吸附量達(dá)到最大值，表面張力及體系能量不再減小，泡沫特征綜合值基本保持不變，所以發(fā)泡劑F29較佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%；穩(wěn)泡劑的使用濃度對泡沫特征綜合值的影響與發(fā)泡劑相類似，較佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%。

2.2 改性凍膠的性能評價(jià)

2.2.1 濃度與成凍時(shí)間關(guān)系實(shí)驗(yàn)

改性凍膠的使用濃度和成凍時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可見，聚合物和交聯(lián)劑的濃度越高，成凍時(shí)間越短，這是因?yàn)楫?dāng)濃度越高時(shí)，酰胺基越多，酰胺加成反應(yīng)越快，成凍就越快。優(yōu)選出聚合物使用濃度為7 500 mg/L，交聯(lián)劑使用濃度為2 000 mg/L。

圖1 成凍時(shí)間和濃度關(guān)系

2.2.2 礦化度對凍膠體系性能的影響

圖2為礦化度對凍膠體系成凍時(shí)間和儲能模量的影響。

圖2 礦化度對凍膠體系成凍時(shí)間和儲能模量的影響

由圖2可知，鹽濃度對凍膠體系的成膠性能的影響較小。隨礦化度增加，凍膠體系的儲能模量逐漸降低，但降低幅度較小，這是由于聚合物分子被鹽離子壓縮導(dǎo)致的；隨著礦化度增加凍膠成凍時(shí)間被延長，這是由于鹽離子的存在壓縮聚合物分子的水動力學(xué)半徑，導(dǎo)致其與交聯(lián)劑分子碰撞幾率降低，而這一特點(diǎn)有益于延長地面泵注時(shí)間、實(shí)現(xiàn)深部調(diào)堵。

2.2.3 pH值對凍膠體系性能的影響

圖3為pH值對凍膠體系性能的影響。由圖3可知，pH值對凍膠的儲能模量影響不大，這是由于新引入的硫脲結(jié)構(gòu)與酚醛發(fā)生共聚反應(yīng)形成主鏈含硫脲結(jié)構(gòu)的高分子螯合劑，其在一定溫度下，分解成有機(jī)小分子化合物，其分子鏈上的氮原子含有的孤電子對可與地層中的氫離子化合生成配位化合物(圖4)，減少了氫離子與凍膠分子的接觸機(jī)會，從而降低了氫離子對凍膠本身的影響，進(jìn)而增強(qiáng)了凍膠的耐酸性能。

圖3 pH值對凍膠體系成凍時(shí)間和儲能模量的影響

圖4 小分子有機(jī)物與氫離子形成配位化合物

3 性能評價(jià)

3.1 封堵實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用單管人造巖心，注入?yún)?shù)為：氣液比1∶1、注入速度為0.5 mL/min、氣液混注1.0 PV、溫度為85 ℃，考察普通泡沫和凍膠泡沫對不同滲透率巖心的防氣竄能力，并用封堵率來具體表征，結(jié)果見表3。如表3所示，向不同滲透率巖心注入泡沫體系封堵時(shí)，普通泡沫的封堵效果隨滲透率的增大而略有下降。具體來看，普通泡沫對于50×10-3μm2左右的巖心的封堵率為87%，而對200×10-3μm2左右?guī)r心的封堵率為76%；凍膠泡沫的封堵卻隨滲透率的增加而增加，這是由于凍膠泡沫體系進(jìn)入較低的滲透率的地層時(shí)，較強(qiáng)的剪切作用使得凍膠的穩(wěn)定性有所下降，從而導(dǎo)致了封堵能力的下降，這在一定程度上證明了凍膠泡沫的選擇性封堵能力，但是其對兩者的封堵率都達(dá)到了95%以上，封堵強(qiáng)度高，防氣竄效果優(yōu)良。

表3 普通泡沫和凍膠泡沫防氣竄封堵體系封堵性能評價(jià)表

綜合來看，凍膠泡沫的防氣竄能力顯著由于普通泡沫，這是由于凍膠體系的加入進(jìn)一步增強(qiáng)了泡沫體系的耐酸穩(wěn)定性和整體強(qiáng)度，大大提升了對二氧化碳的封堵能力。

3.2 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)M長慶油田黃3區(qū)開采情況，采用雙管并聯(lián)巖心模型，分別為0.5×10-3μm2與50×10-3μm2并聯(lián)以及0.5×10-3μm2與200×10-3μm2人造巖心并聯(lián)模型。實(shí)驗(yàn)先用水驅(qū)至含水率達(dá)99%以上，再使用CO2驅(qū)至只出氣不出油，而后注入凍膠泡沫1.0 PV，采取氣液混注，氣液比為1∶1，讓其在85 ℃條件下成凍48 h，最后再用后續(xù)CO2驅(qū)。記錄各個(gè)時(shí)刻的注入壓力、含水率、氣油比等數(shù)據(jù)，巖心參數(shù)見表4，驅(qū)替結(jié)果如圖5所示。

表4 雙管并聯(lián)巖心物理參數(shù)

其中，對于L1-3與L2-2并聯(lián)巖心，0～0.633 PV為水驅(qū)，0.633～0.977 PV為CO2驅(qū)，0.977～1.777 PV為注入凍膠泡沫體系過程，1.777 PV以后為后續(xù)CO2驅(qū)；對于L1-4與L3-2并聯(lián)巖心，0～0.831 PV為水驅(qū)，0.831～1.19 PV為CO2驅(qū)，1.19～1.1.99 PV為注入凍膠泡沫體系過程，1.99 PV以后為后續(xù)CO2驅(qū)。

如圖5所示，當(dāng)使用0.5×10-3μm2與50 ×10-3μm2并聯(lián)時(shí)，隨著注入量增加，水驅(qū)驅(qū)替效率逐漸增加，高滲巖心的能到50%左右，低滲巖心基本上不出油，說明高滲巖心見油后的壓力不能夠啟動低滲巖心；CO2驅(qū)時(shí)，高滲巖心前期先出水，后出油，見油后驅(qū)替效率增加能到67%，后期見氣后，氣油比迅速增大，驅(qū)替效率增加緩慢直至不變，并且此時(shí)低滲巖心仍未啟動，這是由于高滲巖心發(fā)生氣竄后導(dǎo)致注入壓力的下降，從而不能驅(qū)動低滲巖心；注入凍膠泡沫體系后，再進(jìn)行后續(xù)CO2驅(qū)時(shí)，此時(shí)由于凍膠泡沫進(jìn)入了高滲巖心，形成防氣竄封堵體系，從而使注入壓力升高，達(dá)到了低滲巖心的啟動壓力，最終低滲巖心的驅(qū)替效率能到42%，總驅(qū)替效率達(dá)到了63%，說明凍膠泡沫體系封堵效果優(yōu)良，能有效防止二氧化碳的氣竄。

圖5 巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)使用0.5 ×10-3μm2與200×10-3μm2并聯(lián)時(shí)，其趨勢大致上與0.5 ×10-3μm2與50×10-3μm2并聯(lián)巖心的趨勢相似，只是其封堵壓力更高，對于低滲巖心的驅(qū)替效率的提升更高，這是由于凍膠泡沫在200×10-3μm2巖心中受到的剪切作用小于其在50×10-3μm2巖心中的剪切作用，從而形成了更為穩(wěn)定的防氣竄封堵體系。

3.3 凍膠泡沫防氣竄機(jī)理

當(dāng)凍膠泡沫進(jìn)入多孔介質(zhì)時(shí)，一方面，發(fā)泡劑降低界面張力的作用使得泡沫得以形成；另一方面，穩(wěn)泡劑通過降低液膜分子的排斥力的作用而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)泡，從而使泡沫能在凍膠液中生成并維持泡沫狀態(tài)，并且，凍膠液作為泡沫的外相能夠增加液膜的黏度，進(jìn)一步使泡沫能夠更穩(wěn)定地存在。

圖6為凍膠泡沫在多孔介質(zhì)中分布模型。凍膠液的分子通過氫鍵和范德華力緊緊地吸附在多孔介質(zhì)的表面，從而需要很大的驅(qū)替壓力才能使其從多孔介質(zhì)中流出；當(dāng)凍膠形成后，其緊密的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)又將泡沫包裹其間，使其能夠承受很大的驅(qū)替壓力。氣竄發(fā)生時(shí)，二氧化碳分子很難通過多孔介質(zhì)時(shí)，這是因?yàn)閮瞿z液形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)致密細(xì)小，對其有很強(qiáng)的拖拽作用，降低了二氧化碳分子的移動速度，緩解了其對泡沫的大部分沖擊；并且當(dāng)二氧化碳?xì)怏w通過孔隙喉道或孔隙窄口等時(shí)，被壓縮的泡沫發(fā)生變形，疊加的Jamin效應(yīng)又對二氧化碳?xì)怏w形成了一個(gè)額外的巨大的阻力，導(dǎo)致二氧化碳?xì)怏w被阻隔在孔道中，從而達(dá)到有效防止CO2氣竄的目的。

圖6 凍膠泡沫在多孔介質(zhì)中分布模型

4 結(jié) 論

a.相比于普通泡沫和凍膠，兼具泡沫和凍膠特性的凍膠泡沫體系能有效地封堵中高滲巖心，防止二氧化碳?xì)飧Z。隨著滲透率降低，封堵效果略微下降，表現(xiàn)出一定的選擇性封堵能力。

b.在理論上，本研究通過引入新的基團(tuán)來適應(yīng)酸性油藏的研究思路，對于開采其他類型的油藏(如高溫油藏、高礦化度油藏)具有很好的借鑒意義；在實(shí)用上，本工作有效地解決長慶油田黃3區(qū)CO2氣竄問題，而對于酸性地層的水竄問題尚未研究。