有機(jī)顆粒高溫封堵體系的研制與性能評(píng)價(jià)*

舒 展，裴海華，張貴才，曹 旭，葛際江，蔣 平

（1.非常規(guī)油氣開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)石油大學(xué)（華東）），山東青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

0 前言

目前稠油油藏的開(kāi)采方式主要以熱采為主［1—2］。隨著單位時(shí)間內(nèi)注汽量的增加和注汽強(qiáng)度的提高，制約稠油采收率的汽竄現(xiàn)象變得越來(lái)越明顯，汽竄的發(fā)生使后期蒸汽在油藏各個(gè)方向上受熱不均勻，從而導(dǎo)致蒸汽波及體積變小、蒸汽的熱損失增加、生產(chǎn)成本提高等問(wèn)題。使用合適的封堵劑能夠有效控制蒸汽的汽竄和超覆現(xiàn)象［3—6］，提高蒸汽波及體積，提高采油效率。目前市場(chǎng)上的封堵劑耐溫性能差，穩(wěn)定性差，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求［7—10］。相較于無(wú)機(jī)顆粒而言，有機(jī)顆粒具備高溫下易軟化的特點(diǎn)，不會(huì)對(duì)地層造成損害，有利于地層深處的封堵；同時(shí)有機(jī)顆粒還具備一定的油水選擇性封堵能力［11—14］。本文報(bào)道了一種有機(jī)顆粒耐溫耐鹽蒸汽封堵體系，評(píng)價(jià)了該體系的耐溫耐鹽性能、油水選擇性封堵能力和耐沖刷性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

十二烷基三甲基溴化銨、苯乙基苯酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚、苯乙基苯丙基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基三甲基氯化銨、十八烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基氯化銨，以上化學(xué)劑均為分析純，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。聚丙烯酰胺，相對(duì)分子質(zhì)量6×107～8×107，固含量90%，水解度2%；部分水解聚丙烯酰胺，相對(duì)分子質(zhì)量8×107～1×108，固含量90%，水解度15%；黃胞膠，胍膠，工業(yè)品，有效含量90%；上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。有機(jī)樹(shù)脂顆粒為粒度10～30 μm 的瀝青粉顆粒，東營(yíng)達(dá)維化學(xué)有限公司。配液用水，pH均為7，除特殊指出外，均為礦化度為100012 mg/L 的模擬地層水，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Cl-63013、469、1999、Ca2+4564、Mg2+534、K++Na+29768；耐鹽實(shí)驗(yàn)其他地層用水包括：礦化度為80127 mg/L的模擬地層水1，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Cl-49600、385、1632、Ca2+3723、Mg2+501、K++Na+24286；礦化度為61561 mg/L 的模擬地層水2，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Cl-38200、285、1312、Ca2+2854、Mg2+376、K++Na+18534；礦化度為41102 mg/L的模擬地層水，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：Cl-26352、196、723、Ca2+1765、Mg2+201、K++Na+11865。實(shí)驗(yàn)用油為脫氣脫水稠油，黏度25 Pa·s（50℃）。填砂管，由粒度60～120目石英砂填制而成，長(zhǎng)度20 cm、直徑2.5 cm。

LB20ES型Waring Blender 攪拌機(jī)，美國(guó)斯伯明公司；90Plus PALS 型Zeta電位及粒度分析儀，美國(guó)布魯克海文儀器公司；ZQY-1 型高溫巖心物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，海安石油科研儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 封堵體系優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

在100 g的地層水中加入0.1 g的表面活性劑配成攜帶液，然后加入1 g 瀝青粉顆粒后攪拌30 min；取顆粒分散液測(cè)定析水率、Zeta電位，以此優(yōu)選表面活性劑。將優(yōu)選的效果較好的表面活性劑按照不同比例進(jìn)行復(fù)配，然后加入1 g 瀝青粉顆粒后攪拌30 min，測(cè)定顆粒分散液的析水率和Zeta電位，以確定表面活性劑復(fù)配比。改變最佳表面活性劑復(fù)配體系用量測(cè)定顆粒分散液析水率，確定表面活性劑最佳加量。

向最佳表面活性劑溶液中加入瀝青粉顆粒以及不同的水溶性聚合物，攪拌30 min后測(cè)定顆粒分散液的析水率，評(píng)價(jià)體系的穩(wěn)定性。

1.2.2 封堵體系性能評(píng)價(jià)

（1）耐溫性評(píng)價(jià)：將最終優(yōu)選的封堵體系密封后分別放置在100、150、180 和200℃的恒溫干燥箱中6 h，查看其析水情況，并測(cè)定析水率。

（2）耐鹽性評(píng)價(jià)：分別采用礦化度分別為40、60、80 和100 g/L 的地層水配制優(yōu)選的封堵體系，密封后放置在150℃的恒溫干燥箱中6 h，在一定時(shí)間后查看其析水情況，測(cè)定析水率。

（3）封堵性和耐沖刷性能評(píng)價(jià)：參照中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5590—2004《調(diào)剖劑性能評(píng)價(jià)方法》，向填砂管中注入瀝青粉顆粒封堵體系，在200℃下老化2 h；以1.67 mL/min 的注入速率注入20 PV的蒸汽，記錄蒸汽驅(qū)過(guò)程中的壓力變化，并按式（1）和（2）分別計(jì)算注入蒸汽過(guò)程中封堵率EW和封堵率下降率PRD。

式中：K1—注堵劑前注蒸汽滲透率，μm2；K2—注堵劑后注蒸汽滲透率，μm2。

式中：PRmax—蒸汽驅(qū)過(guò)程中由最大壓力計(jì)算得到的封堵率，%；PR20—蒸汽驅(qū)20 PV 時(shí)由對(duì)應(yīng)壓力計(jì)算得到的封堵率，%。

（4）油水選擇性封堵能力評(píng)價(jià)：取兩根滲透率相似的填砂管飽和地層水，其中一根填砂管飽和原油作為模擬油層，將另外一根飽和地層水作為模擬水層。在60℃下向填砂管注入2 PV 軟化點(diǎn)為120℃的瀝青粉顆粒堵劑，老化2 h后，在150℃下測(cè)定封堵后對(duì)水相封堵率以及對(duì)油相的封堵率。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青粉顆粒封堵體系的配方優(yōu)化

2.1.1 分散劑的優(yōu)選

（1）單一表面活性劑的優(yōu)選

為研究不同表面活性劑溶液對(duì)瀝青粉顆粒的分散效果，分別用苯乙基苯酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚、苯乙基苯丙基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基三甲基氯化銨、十八烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲基氯化銨配制100 g的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%表面活性劑溶液，將1 g 的瀝青粉顆粒加入表面活性劑溶液中，測(cè)定顆粒分散液的Zeta 電位，結(jié)果見(jiàn)表1。Zeta 電位絕對(duì)值越高，表明顆粒表面帶電量越大，由于同性相斥的原理，帶電量大的顆粒間排斥力越大，顆粒越不易聚結(jié)。反之，Zeta電位絕對(duì)值越小，顆粒在溶液中分散效果越差。由表1可知，將瀝青粉顆粒加入十二烷基三甲基氯化銨、十八烷基三甲基氯化銨、苯乙基苯酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚和苯乙基苯丙基酚聚氧乙烯醚溶液中后，Zeta 電位絕對(duì)值均小于10，說(shuō)明瀝青粉顆粒在這些表面活性劑溶液中的分散效果較差；而將瀝青粉顆粒加入十六烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲基氯化銨和十二烷基苯磺酸鈉溶液后，Zeta 電位絕對(duì)值大于10，顆粒分散效果較好，同時(shí)表面活性劑的加入使得顆粒由疏水性變?yōu)橛H水性。

表1 不同表面活性劑顆粒分散液的Zeta電位

（2）CTAC/CTAB體系表面活性劑復(fù)配比例優(yōu)選

選擇加入瀝青粉顆粒時(shí)Zeta電位絕對(duì)值最大、顆粒分散效果最好的表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）進(jìn)行復(fù)配，向100 g 的不同復(fù)配比下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的CTAC/CTAB 復(fù)配體系中加入1 g 的瀝青粉顆粒，顆粒分散液的Zeta電位和不同時(shí)間下的析水率見(jiàn)表2。與單一表面活性劑體系相比，復(fù)配體系的析水率更低，穩(wěn)定性更高；同時(shí)復(fù)配體系的Zeta電位絕對(duì)值較大，表明復(fù)配體系對(duì)瀝青粉顆粒的分散效果較好。當(dāng)十六烷基三甲基氯化銨和十六烷基三甲基溴化銨復(fù)配比為2∶3 時(shí)，不同時(shí)間下的析水率均最小，Zeta電位的絕對(duì)值最大，表明該復(fù)配體系對(duì)瀝青粉顆粒的分散效果較好，體系更加穩(wěn)定。

表2 不同復(fù)配比的CTAC/CTAB復(fù)配體系的析水率與Zeta電位

（3）復(fù)配表面活性劑加量?jī)?yōu)選

表面活性劑加量對(duì)于顆粒的分散性有較大的影響，一般來(lái)說(shuō)，加量越大，顆粒分散性越好，分散液越穩(wěn)定，但是成本也會(huì)隨之增高。不同復(fù)配表面活性劑加量下，顆粒分散液的析水率見(jiàn)表3。由表3可以看出，隨著表面活性劑加量的增大，20 min后的顆粒分散液的析水率逐漸降低，當(dāng)加量從0.03%增至0.05%時(shí)，析水率出現(xiàn)較大程度的降低，顆粒分散液的穩(wěn)定性明顯提升，而當(dāng)加量大于0.05%時(shí)，析水率降低幅度較小，同時(shí)考慮到成本因素，確定復(fù)配表面活性劑最佳加量為0.05%。

表3 不同復(fù)配表面活性劑加量下顆粒分散液的析水率

2.1.2 懸浮劑優(yōu)選

（1）聚合物的優(yōu)選

在構(gòu)建顆粒懸浮體系的過(guò)程中，聚合物常被用來(lái)增強(qiáng)顆粒的懸浮性和穩(wěn)定性。選取了HPAM、PAM、黃胞膠和胍膠4 種聚合物，向100 g 的CTAC/CTAB 復(fù)配溶液（CTAC、CTAB 復(fù)配比為2∶3，加量為0.5%）中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的不同聚合物，再加入1 g 的瀝青粉顆粒，顆粒分散液在不同時(shí)間下的析水率見(jiàn)表4?？梢钥闯?，加入聚合物靜置20 min時(shí)的析水率相較于不添加聚合物時(shí)的（37%）明顯降低。這是由于聚合物分子鏈較長(zhǎng)，在溶液中相互纏繞，提高了體系的黏度，提升了體系的動(dòng)力穩(wěn)定性，使得顆粒不易沉降。從表4還可以看出，加入胍膠的顆粒分散液靜置2 h 時(shí)的析水率最低，僅為25%，而加入其他聚合物的顆粒分散液的析水率均在50%以上，這表明胍膠對(duì)于提升體系的顆粒懸浮能力和穩(wěn)定性有較為明顯的效果，因此選用胍膠為體系的穩(wěn)定劑。

表4 加入不同聚合物的顆粒分散液的析水率

（2）聚合物加量?jī)?yōu)選

聚合物的加入對(duì)懸浮體系的穩(wěn)定性有較大的提升，一般情況下，聚合物加量越高，體系越穩(wěn)定，但體系黏度也會(huì)隨之增高，不利于封堵體系注入地層。不同胍膠加量下顆粒分散液在不同時(shí)間下的析水率見(jiàn)表5。隨著胍膠加量的增大，不同時(shí)間下顆粒分散液的析水率均有所降低，這是由于胍膠用量的增大導(dǎo)致體系黏度提升，使得顆粒不易沉降，懸浮性較好。當(dāng)胍膠用量為0.7%和1%時(shí)，不同時(shí)間下析水率的變化不大，考慮到聚合物加量過(guò)高會(huì)使得體系黏度過(guò)大而不易注入地層，同時(shí)也會(huì)增加成本，因此確定胍膠用量為0.7%。

因此確定的瀝青粉顆粒堵劑最佳配方為：1%瀝青粉顆粒+0.7%胍膠+0.05%表面活性劑復(fù)配體系（十六烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基溴化銨質(zhì)量比2∶3）。

表5 不同胍膠加量下顆粒分散液的析水率

2.2 瀝青粉顆粒封堵劑的耐溫耐鹽性能

2.2.1 堵劑的耐溫性

將按最佳配方配制的堵劑體系放入100、150、180 和200℃的烘箱內(nèi)6 h 中，析水率分別為5%、11%、11%和20%。這表明高溫對(duì)堵劑穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定影響，但是堵劑在200℃下放置6 h的析水率也僅20%，說(shuō)明堵劑具有較好的耐溫性能。

2.2.2 堵劑的耐鹽性

使用不同礦化度的地層水配制堵劑，將配制好的堵劑放入150℃的烘箱中，記錄6 h 內(nèi)的析水量，結(jié)果見(jiàn)圖1?？梢钥闯觯S著礦化度的升高，堵劑析水率出現(xiàn)一定程度的升高，但使用礦化度為100012 mg/L的地層水配制的堵劑靜置6 h后的析水率仍小于30%，表明該堵劑具備較好的耐鹽性能。

圖1 堵劑在不同礦化度下析水率曲線

2.3 瀝青粉顆粒封堵劑的高溫封堵性能

2.3.1 高溫封堵性和耐沖刷性

在60℃下先向填砂管中注入2 PV封堵劑，然后將填砂管放置在200℃干燥箱中老化2 h 并注入蒸汽至少20 PV，封堵劑對(duì)填砂管高溫封堵性和耐沖刷性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。可以看出，在不同滲透率填砂管中，該堵劑的封堵率均能保持在90%以上，注入蒸汽長(zhǎng)時(shí)間沖刷后封堵率降低率較?。ǖ陀?.2%），表明該堵劑具有較好的耐沖刷性能。

表6 瀝青粉顆粒封堵劑封堵率

2.3.2 選擇性封堵能力

為研究瀝青粉顆粒堵劑的選擇性封堵性能，用石英砂填制兩根滲透率相似的填砂管，飽和地層水后，將其中一根填砂管飽和原油作為模擬油層，將另外一根飽和地層水作為模擬水層。在60℃下注入2 PV軟化點(diǎn)為120℃的瀝青粉顆粒堵劑，老化2 h后，在150℃下測(cè)定封堵后對(duì)水相封堵率以及對(duì)油相的封堵率，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7 可以看出，堵劑在150℃條件下對(duì)水層的封堵率可以達(dá)到85%以上，而對(duì)油層的封堵率不足20%，表現(xiàn)出較好的選擇性封堵能力。這是由于瀝青粉顆?？扇苡谠停倭窟M(jìn)入油層的瀝青粉顆粒，在地層溫度下溶于原油中并隨原油一起采出，不會(huì)對(duì)油層產(chǎn)生封堵作用；而樹(shù)脂顆粒在地層水中幾乎不溶解，因而會(huì)對(duì)水層產(chǎn)生較強(qiáng)的封堵作用。

表7 瀝青粉顆粒封堵劑的油水選擇性封堵率

3 結(jié)論

瀝青粉顆粒高溫封堵體系（1%瀝青粉顆粒+0.05%CTAC/CTAB（2∶3）+0.7%胍膠）在200℃下放置6 h 后的析水率僅20%；同時(shí)該堵劑具有較好的耐鹽性能，使用礦化度為100 g/L的地層水配制堵劑的析水率小于30%。

瀝青粉顆粒高溫堵劑對(duì)不同滲透率巖心的封堵率均能保持在90%以上，且注入蒸汽長(zhǎng)時(shí)間沖刷后封堵率降低率低于3%，具有較好的耐沖刷性能。瀝青粉顆粒高溫堵劑具有較好的選擇性封堵能力，對(duì)水層的封堵率可高達(dá)85%以上，而對(duì)油層的封堵率低于20%。