塔河氣田納米顆?；钚杂投滤畡?shí)驗(yàn)

楊利萍，葛際江，孫翔宇

（1.中國(guó)石化a.西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院；b.碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

塔河氣田為邊底水凝析氣藏，屬中—高滲、低—中儲(chǔ)量豐度、背斜構(gòu)造的高含凝析油砂巖氣藏[1]，儲(chǔ)集層埋藏深度為4 400～6 000 m，溫度在120 ℃以上，壓力為40～60 MPa，地層水礦化度大于150 000 mg/L。凝析氣藏被水侵后，在儲(chǔ)集層中形成水封，導(dǎo)致天然氣無法通過孔道，油氣相滲透率降低，氣井產(chǎn)能下降[2]。塔河邊底水凝析氣藏水體能量大，水體體積為地下氣體的6～20 倍，地層復(fù)雜，氣水界面難以確定，控水難度大[3-4]。就目前的技術(shù)來說，只能采用化學(xué)堵水方法恢復(fù)產(chǎn)氣效率[5-6]。前期采用了注甲醇、SMM活性劑、氮?dú)?、凍膠等堵水和解水鎖措施，其中只有凍膠對(duì)直井具有較好的控水效果，對(duì)水平井的控水時(shí)間較短[7-8]。由于水平井射孔多，堵水劑對(duì)每個(gè)通道的注入性是控水的關(guān)鍵[9-10]。

本文根據(jù)稠油乳化機(jī)理，結(jié)合水平氣井特點(diǎn)，提出將輕質(zhì)油配置成易自乳化的活性油，進(jìn)行高產(chǎn)水凝析氣藏控水。同時(shí)，針對(duì)高溫高鹽地層條件，引入改性納米顆粒來促進(jìn)活性油在地層中生成微乳狀液并使其強(qiáng)化，確保乳狀液控水具有一定強(qiáng)度和長(zhǎng)效性。將地下稠油乳化技術(shù)用于水平氣井控水，為高溫高鹽水平氣井控水提供一種可選方法。

1 乳狀液堵水劑堵水機(jī)理

選擇性堵水是指堵水劑在通道內(nèi)只封堵產(chǎn)水通道，對(duì)產(chǎn)氣不產(chǎn)生影響或影響較小[11]。對(duì)于生產(chǎn)孔道特別多的水平井來說，偏重于人工選位置的凍膠堵水劑無法完全覆蓋產(chǎn)水通道。因?yàn)閮瞿z存在一定黏度，指進(jìn)較強(qiáng)，注入壓力無法將凍膠推至大部分通道，而且水平井封堵位置也難于確定。這是水平井堵水和直井堵水效果存在差異的原因。除了選擇性，氣井堵水劑還需要具有在地層條件下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定、耐沖刷、能解除低滲產(chǎn)氣通道水鎖的特性[12]。綜上所述，自乳化類油基堵水劑可較好地達(dá)到要求。根據(jù)凝析油性質(zhì)和產(chǎn)氣特征，提出采用納米顆?；钚杂停春屑{米顆粒和乳化劑的柴油，作為堵水劑。

納米顆粒活性油堵水劑由于需要的注入壓力較小，現(xiàn)場(chǎng)注入時(shí)可使堵水劑侵入大部分通道，與地層水微剪切力作用便自發(fā)乳化[13]。這種自發(fā)選擇性避免了注劑的封堵位置問題。體系中油溶性納米顆粒在高溫下可促使剛生成的乳狀液液滴粘連，提升堵水劑體系的黏度。在高黏度和賈敏效應(yīng)共同作用下，乳狀液有較強(qiáng)封堵性能，可降低地層水流量。產(chǎn)氣通道中，體系中的油溶性納米顆?？晌皆诳紫侗砻?，使地層潤(rùn)濕性由親水轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油，此時(shí)水滴在孔隙表面的形狀由鋪展變成球滴狀，易于排出通道。同時(shí)，毛細(xì)管力由水侵動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樗肿枇?，低滲產(chǎn)氣通道毛細(xì)管力大，水很難再進(jìn)入產(chǎn)氣通道，通道內(nèi)水鎖被解除[14]。產(chǎn)氣通道內(nèi)形成的少量乳狀液會(huì)被產(chǎn)氣通道生成的凝析油所稀釋，快速破乳，從而對(duì)產(chǎn)氣的影響很微弱，實(shí)現(xiàn)堵水不堵氣的選擇性功能，恢復(fù)采氣效率[15]。

2 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

乳化劑：咪唑啉（OM-502），油包水型乳化劑，油溶性，棕褐色，密度為0.96～1.04 g/cm3，pH 值為8～10，凝固點(diǎn)為-10 ℃[16]；十二烷基苯磺酸鈣（T106A），油溶性乳化劑，棕黃色，密度為0.73～0.82 g/cm3，pH值為7～8，凝固點(diǎn)為10 ℃；失水山梨糖醇脂肪酸酯（Span-80），油溶性乳化劑，琥珀色，密度為0.98 g/cm3，pH 值為8～9，凝固點(diǎn)為25 ℃。3種乳化劑均為工業(yè)純。

實(shí)驗(yàn)用水：塔河氣田凝析氣藏地層水，礦化度為154 121 mg/L，Ca2+含量為7 214 mg/L，Mg2+含量為800 mg/L。

實(shí)驗(yàn)用油：柴油，取自中國(guó)石油加油站，常溫黏度為2 mPa·s，碳數(shù)范圍為10～22。

巖心：塔河凝析氣藏S3-1區(qū)塊石炭系，碳酸鹽巖，長(zhǎng)度為10.0 cm，直徑為2.5 cm，滲透率約為100 mD。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

多功能恒壓泵，最高壓力為200 MPa，最小流量為0.001 mL/min，0.5%的流量精度和壓力精度，美國(guó)Teledyne Isco公司；物理模擬裝置由中間容器、巖心夾持器、手搖泵、壓力表等構(gòu)成（圖1），均為江蘇海安石油科技公司生產(chǎn)；氮?dú)馄?，充裝壓力為10 MPa；循環(huán)水真空泵，抽速為10 L/min，功率為180 W，青島予科儀器公司；高溫烘箱，溫度為10～250 ℃，廣州漢迪環(huán)境設(shè)備公司；干燥器、回壓閥等。

圖1 物理模擬裝置簡(jiǎn)示Fig.1.Schematic diagram of physical simulation devices

3 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與結(jié)果分析

3.1 乳化劑篩選評(píng)價(jià)

純活性油即只含乳化劑的柴油，其形成的乳狀液是堵水的基礎(chǔ)[17]。向3 組柴油中分別加入2%的T106A、2%的Span-80 和2%的OM-502，經(jīng)過充分溶解后加水，在攪拌器下以200 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌10 min，觀察乳狀液黏度隨含水率的變化情況。當(dāng)含水率低于60%時(shí)，隨著含水率的增加，油包水乳狀液液滴數(shù)量增多，黏度隨含水率上升；當(dāng)含水率為60%時(shí)，3 種乳狀液的黏度均達(dá)到最大，其中加入OM-502 的乳狀液黏度最高，為553 mPa·s；含水率高于60%后，所有乳狀液的黏度均下降，但加入OM-502 的乳狀液在含水率為80%時(shí)，黏度仍達(dá)到336 mPa·s。加入OM-502的乳狀液最大含水率為91%，其黏度為197 mPa·s，可見乳化劑OM-502 具有較穩(wěn)定的乳化性能，形成的乳狀液在大量產(chǎn)水的多孔介質(zhì)中更有利于控水，因此選擇OM-502作為乳化劑進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

3.2 顆粒乳狀液液滴粒徑和耐溫性能

地下的剪切力很微弱，一般自乳化形成的乳狀液液滴粒徑較大，黏度較小，堵水作用弱。在純活性油中加入1%（納米顆粒起強(qiáng)化作用的最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的納米顆粒后，受納米顆粒與高礦化度地層水離子間的靜電斥力作用，自乳化過程中形成的乳狀液液滴粒徑會(huì)大幅減小，平均粒徑減小到原先的1/5（圖2）。根據(jù)納米顆粒在界面吸附不可逆的特點(diǎn)，納米顆粒可吸附在幾個(gè)乳狀液液滴界面上，起到橋接作用，液滴成團(tuán)出現(xiàn)，堵水效果增強(qiáng)[18]。

圖2 加入納米顆粒前（a）、后（b）堵水劑乳狀液液滴粒徑對(duì)比Fig.2.Comparison of droplet sizes of emulsified water plugging agent(a)before and(b)after adding nanoparticles

常規(guī)乳狀液黏度會(huì)隨溫度升高而下降，但在含有2%OM-502的柴油中加入1%納米顆粒后，形成含水率為80%的乳狀液，儲(chǔ)存在140 ℃（形成乳狀液最大耐溫為200 ℃）下1個(gè)月后，乳狀液仍保持穩(wěn)定，恢復(fù)常溫測(cè)得黏度為850 mPa·s。可見形成的乳狀液具有良好的耐高溫性能，且老化后黏度增大，更適用于堵水。

經(jīng)過納米顆?；钚杂吞幚砗?，油滴與地層的潤(rùn)濕角由45°反轉(zhuǎn)為175°，表面潤(rùn)濕性由親水轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)親油，因此，納米顆?；钚杂途哂薪獬橘|(zhì)通道內(nèi)的水阻和阻止水再次進(jìn)入產(chǎn)氣通道的能力。

3.3 納米顆?；钚杂突罨茉u(píng)價(jià)

自乳化是此堵水劑堵水的前提，其關(guān)鍵在于體系具有較低活化能。乳狀液溫度從30 ℃升至80 ℃時(shí)，黏度隨溫度升高而逐漸降低，含水率分別為40%、60%和80%時(shí)，生成的乳狀液溫度每升高20℃，黏度約降低30 mPa·s。含水率為20%的乳狀液中含水較少，黏度保持在40 mPa·s左右，基本不變，可見溫度對(duì)堵水劑體系功能影響不大（圖3）。含水率越高，生成乳狀液的黏度越大，含水率為80%時(shí)乳狀液在80 ℃條件下黏度仍為630 mPa·s。這是由于納米顆粒不受溫度影響，粘附在乳狀液液滴表面，使液滴不易變形膨脹，增強(qiáng)了液滴的穩(wěn)定性。

根據(jù)文獻(xiàn)［19］的公式：

在E-Navigation戰(zhàn)略的支持下，人類的航?；顒?dòng)將從有限岸基支持下的單船行為轉(zhuǎn)變?yōu)榘痘?、它船海量信息支持的船船協(xié)同行為，GMDSS現(xiàn)代化將是這一變化中最有力的技術(shù)支撐。GMDSS現(xiàn)代化與E-Navigation戰(zhàn)略協(xié)調(diào)發(fā)展是大勢(shì)所向。發(fā)展GMDSS現(xiàn)代化就需要經(jīng)歷3個(gè)階段：初級(jí)階段的現(xiàn)代化是應(yīng)對(duì)當(dāng)今海上局勢(shì)并進(jìn)一步發(fā)展海上通信現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)；準(zhǔn)現(xiàn)代化將為E-Navigation戰(zhàn)略發(fā)展提供真正意義的通信支撐；終級(jí)現(xiàn)代化則是完全融合現(xiàn)代通信技術(shù)的海上通信現(xiàn)代化的終極目標(biāo)。

式中A——常數(shù)；

ΔE——活化能，kJ/mol；

R——理想氣體常數(shù)；

T——絕對(duì)溫度，K；

μ——乳狀液黏度，mPa·s。

圖3 自乳化乳狀液黏度與溫度的關(guān)系Fig.3.Influences of temperature on the viscosity of the self?emulsified emulsion

根據(jù)圖3，做lnμ與1/T的擬合線，計(jì)算活化能（表1）。體系的活化能較低，含水率低于60%時(shí)，活化能隨含水率升高而緩慢上升。在含水率達(dá)到60%時(shí)最高，為13.602 kJ/mol，易于在地層中自乳化。隨著含水率的升高，液滴數(shù)增多，總界面增大，界面上的乳化劑密度下降，活化能略有上升。含水率達(dá)到80%后活化能下降至3.908 kJ/mol，油包水乳狀液漸變?yōu)樗腿闋钜?，活化能降低?/p>

表1 不同含水率下納米顆?；钚杂偷幕罨躎able 1.Activation energy values at different water contents

3.4 納米顆粒活性油堵水作用

水測(cè)巖心滲透率后，向巖心反向注入0.8 PV 納米顆?；钚杂投滤畡?，140 ℃下恒壓老化巖心48 h。實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)巖心進(jìn)行恒壓水驅(qū)，逐步升高壓力，測(cè)定突破壓力及各階段巖心出口端流量。注水初期，巖心內(nèi)只有少量堵水劑乳化，突破壓力是單純柴油封堵的1.6倍（圖4a）。隨著注入水的增加，巖心內(nèi)高黏乳狀液增多，巖心滲透率大幅降低，出口產(chǎn)水穩(wěn)定后的滲透率為4.1 mD，最大殘余阻力系數(shù)為27。納米顆?；钚杂投滤畡┨幚淼膸r心出口流量明顯小于單純柴油作為堵水劑的流量，控水性能顯著。

圖4 納米顆?；钚杂投滤Ч╝）和耐沖刷性（b）Fig.4.(a)Water plugging effect and(b)erosion resistance of nanoparticle active oil treatment

巖心注入堵水劑老化后，以5 m3/min 向巖心注氮?dú)?，測(cè)試堵水劑的選擇性。初始注氣的作用力使堵水劑自乳化，壓力升高。隨著氣體流量增加，殘余水和活性油被排出巖心，封堵壓力迅速下降為0.27 MPa，對(duì)氣相生產(chǎn)基本不會(huì)造成影響。

用0.3 cm3/min 的流量對(duì)巖心進(jìn)行2 次水驅(qū)測(cè)試堵水劑的耐沖刷性，前后間隔24 h。活性油堵水劑在第一次注水時(shí)，堵水劑逐漸發(fā)生乳化，液滴隨水量的增加逐漸增多，注入壓力上升。注水3 h 后壓力趨于平穩(wěn)，約為0.13 MPa，是單純柴油堵水劑注入壓力的3 倍（圖4b）。由于停注后巖心內(nèi)部壓力重新分布，再次注水時(shí)部分乳狀液被沖出巖心，壓力穩(wěn)定后僅為0.06 MPa?；钚杂投滤畡┰谶B續(xù)注水下具有較好的耐沖刷性，但間歇注水后壓力突然升高，乳狀液被沖出，影響了堵水劑的效果，因此，注入堵水劑穩(wěn)定生產(chǎn)后不宜關(guān)井。

4 實(shí)際應(yīng)用

塔河氣田進(jìn)行了2 井次高含水水平氣井納米顆?；钚杂投滤囼?yàn)。注活性油前先用氮?dú)怛?qū)替地層內(nèi)的封堵水，并起到隔離作用。注入堵水劑后，封井老化4 d，然后開井生產(chǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，納米顆?；钚杂湍茉诘貙觾?nèi)自乳化，老化后有良好的控水效果，有效期長(zhǎng)（圖5）。單井產(chǎn)氣量從1.0×104m3/d 逐步上升至8.0×104m3/d，綜合含水率從80%降至5%。

納米顆?；钚杂投滤畡?duì)塔河氣田地層有一定的效果，但仍存在控水生效時(shí)間較長(zhǎng)、顆粒分散性不均等問題。乳狀液生效時(shí)間長(zhǎng)是由于自乳化初期圍繞活性油中的小水滴核形成微乳狀液，進(jìn)一步自乳化需要依靠溫度、濃度差、水流剪切等長(zhǎng)時(shí)間作用。顆粒分散性則需要在分析顆粒表面性質(zhì)的基礎(chǔ)上對(duì)其表面進(jìn)行部分改性來提高分散性能。經(jīng)過前人的多年研究，納米顆粒設(shè)計(jì)技術(shù)與應(yīng)用已較成熟[20]。另外，對(duì)于納米顆粒在油水界面及地層的作用原理及規(guī)律尚未清楚，特別是納米顆粒與乳化劑的協(xié)同作用機(jī)理，顆粒大小、濃度、帶電量等參數(shù)對(duì)潤(rùn)濕性的影響規(guī)律，這些都是目前乳狀液提高采收率技術(shù)的前沿問題。特別乳狀液液滴間界面的相互作用與影響更是現(xiàn)在研究的難點(diǎn)，學(xué)者們已開始對(duì)此問題進(jìn)行深入研究[21-22]。

5 結(jié)論

（1）納米顆?；钚杂投滤畡┦轻槍?duì)塔河氣田水平井地層條件和出水特點(diǎn)研制的，易于現(xiàn)場(chǎng)注入。納米顆粒活性油活化能低，易于自乳化，可與大量地層水生成穩(wěn)定的乳狀液，乳狀液液滴粒徑小、黏度高。模擬實(shí)驗(yàn)表明，納米顆?；钚杂投滤畡┯休^強(qiáng)的控水能力；對(duì)產(chǎn)氣影響較小，選擇性強(qiáng)；有良好的耐沖刷性能，可對(duì)氣藏起到長(zhǎng)期堵水效果。

圖5 納米顆粒活性油堵水劑油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果Fig.5.Field application effect of water plugging agent with nanoparticle active oil

（2）納米顆?；钚杂投滤畡┲械募{米顆粒不僅會(huì)在自乳化時(shí)減小生成乳狀液的粒徑，還會(huì)使乳狀液液滴橋接在一起，增大乳狀液黏度，使乳狀液在高溫下保持穩(wěn)定。同時(shí)納米顆粒吸附于地層表面改變了地層的潤(rùn)濕性，解除產(chǎn)氣通道水鎖。

（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，納米顆?；钚杂投滤畡?duì)塔河氣田的氣井有一定效果，但控水生效時(shí)間、顆粒分散性以及乳狀液之間的相互作用問題還需要進(jìn)一步研究。