自潔縫防砂篩管對(duì)注聚采油粘度影響研究

孫孟瑩,鄧金根,桂云,李華洋,馮永存

(1.中國石油大學(xué)(北京) 石油工程學(xué)院,北京 100000;2.中國石油川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司,四川 成都 610051)

油田聚合物驅(qū)油技術(shù)中[1-5],攪拌、地面泵送、孔隙剪切、拉伸力等機(jī)械行為會(huì)引發(fā)聚合物鏈的結(jié)構(gòu)破壞[6-12]。為了提高聚合物溶液在作業(yè)時(shí)的粘度保留率,學(xué)者們研究了出砂地層機(jī)械篩管完井中對(duì)聚合物溶液的損害性[13-16],為注聚井優(yōu)選防砂篩管類型提供重要參考。

本文利用小型便捷可視實(shí)驗(yàn)裝置[17],提出一種操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性強(qiáng)及成本低的實(shí)驗(yàn)方法,選擇三類典型的機(jī)械防砂篩管縫形(即V形縫、梯形縫和繞流縫),考察注聚驅(qū)中管縫設(shè)計(jì)、泵注速度、液體濃度對(duì)聚合物粘度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

聚合物J-PAM(分子量為1 800×104);V形縫、梯形縫和繞流縫三種機(jī)械防砂篩管(V型縫篩管單元與梯型縫篩管單元均為“前窄后寬”以減少地層砂堵塞篩管的可能性,但兩者分別以縱向縫和橫向縫進(jìn)行排列,結(jié)構(gòu)上存在差異。繞流篩縫結(jié)構(gòu)在油氣開采過程中能夠減少流體對(duì)篩管的徑向沖蝕作用)。

小型可視化防砂模擬裝置,自制;SNB-RH數(shù)字式粘度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)操作步驟如下:

①線切割防砂篩管,得到實(shí)驗(yàn)用微型模擬單元,分別安裝3種類型篩管;②用自來水配制J-PAM溶液,濃度分別為0.1%,0.15%,0.2%,并靜置一段時(shí)間;③測(cè)試J-PAM溶液粘度穩(wěn)定時(shí)間;④將溶液添加至可視化防砂模擬裝置的儲(chǔ)液罐中,安裝篩管單元,分別以流量為75,100,125,150,175,200 mL/min 恒流泵注J-PAM溶液通過篩管單元,所對(duì)應(yīng)的泵速分別為0.25,0.33,0.41,0.50,0.58,0.66 mm/s;⑤在篩管單元前后進(jìn)行取液,約5 mL),采用粘度計(jì)(轉(zhuǎn)子型號(hào)SP21,轉(zhuǎn)速50 r/min測(cè)試其粘度μ1,(聚合物溶液流經(jīng)篩管前的粘度)、μ2(聚合物溶液流經(jīng)篩管后的粘度);⑥由出液口流出的聚合物溶液靜置10 min,測(cè)試其粘度μ3(mPa·s)。用以表示聚合物溶液流經(jīng)篩管后粘度恢復(fù)狀態(tài),從而計(jì)算最終粘度損失率;⑦計(jì)算聚合物溶液流經(jīng)篩管后的初始粘度損失率D1,靜置10 min后粘度損失率D2。

D1=(μ1-μ2)/μ1

(1)

D2=(μ1-μ3)/μ1

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合物溶液粘度穩(wěn)定時(shí)間

聚合物溶液由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,其粘度會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生改變[18],在油田現(xiàn)場(chǎng)配制聚合物過程中,通?；\統(tǒng)估計(jì)靜置聚合物溶液時(shí)間,本實(shí)驗(yàn)為了保證聚合物溶液經(jīng)過篩管粘度測(cè)試數(shù)值的可靠性,并節(jié)省時(shí)間成本,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并測(cè)定J-PAM溶液粘度的穩(wěn)定時(shí)間,結(jié)果見圖1。

圖1 不同濃度J-PAM溶液粘度隨時(shí)間的變化Fig.1 Variation of viscosity with time for different concentrations of J-PAM solution

由圖1可知,不同濃度聚合物溶液在初配時(shí)粘度較高,在20 min時(shí)間內(nèi)快速降低,之后隨著時(shí)間的增加,逐漸趨于穩(wěn)定。靜置1 h后至2 h時(shí)間內(nèi),聚合物溶液粘度幾乎不發(fā)生改變。所以,J-PAM聚丙烯酰胺溶液粘度穩(wěn)定時(shí)間為1 h。

2.2 泵注速度對(duì)J-PAM溶液粘度的影響

在油田現(xiàn)場(chǎng)注聚驅(qū)施工過程中,泵注速度不同,篩管對(duì)聚合物溶液的沖擊和剪切作用不同,會(huì)對(duì)粘度產(chǎn)生不同的影響[19]。所以,實(shí)驗(yàn)考察聚合物粘度受泵注速度影響規(guī)律,為研究和施工提供重要的理論參考。實(shí)驗(yàn)設(shè)置泵注參數(shù)和實(shí)際聚合物驅(qū)排量換算見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)泵注速度和實(shí)際聚合物驅(qū)排量參數(shù)Table 1 Experimental pumping rate and actual polymer drive discharge parameters

2.2.1 V形縫防砂篩管 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的實(shí)驗(yàn)流體經(jīng)過V形縫防砂篩管前后的粘度變化見圖2。

圖2 不同泵速下J-PAM溶液經(jīng)過V形縫防砂篩管的粘度損失率Fig.2 Viscosity loss rate of J-PAM solution passing through V-slit sand control screen at different pump speeds

由圖2可知,J-PAM溶液流經(jīng)V形縫篩管后,粘度會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的降低,經(jīng)過一段時(shí)間后,粘度逐漸恢復(fù)。隨著泵注速度的增加,V形縫對(duì)溶液粘度的影響逐漸降低。流體流速越大,經(jīng)過篩管時(shí)高分子聚合物分子間的拖曳時(shí)間越短,粘度恢復(fù)速率越快,從而最終的粘度損失率越低。當(dāng)泵注流量為0.66 mm/s,粘度損失率僅為0.5%。因此,V型縫防砂篩管對(duì)聚合物驅(qū)溶液的剪切作用較弱,幾乎不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械捕捉增加粘度損失率。

2.2.2 梯形縫防砂篩管 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的實(shí)驗(yàn)流體經(jīng)過梯形縫防砂篩管前后的粘度變化結(jié)果見圖3。

圖3 不同注入速度下J-PAM溶液經(jīng)過梯形縫防砂篩管前后的粘度損失率Fig.3 Viscosity loss rate of J-PAM solution before and after passing through the trapezoidal slit sand control screen at different injection speeds

由圖3可知,泵注速度增大,J-PAM溶液流經(jīng)梯型縫繞絲篩管后,粘度損失率降低。當(dāng)泵注流量為0.66 mm/s時(shí),梯型縫繞絲篩管對(duì)聚合物粘度損失率為11.2%,遠(yuǎn)大于V型縫篩管。這是由于泵注速度增加時(shí),橫向縫的梯型縫繞絲篩管比縱向縫的V型縫篩管對(duì)聚合物溶液的捕捉和剪切作用更強(qiáng),加劇了高分子聚合物的破壞。

2.2.3 繞流縫防砂篩管 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的實(shí)驗(yàn)流體泵速設(shè)置及經(jīng)過繞流縫防砂篩管前后的粘度變化結(jié)果見圖4。

圖4 不同注入速度下J-PAM溶液經(jīng)過繞流縫防砂篩管前后的粘度損失率Fig.4 Viscosity loss rate of J-PAM solution before and after passing through the sand control screen with different injection speeds

由圖4可知,隨著液流速度的增加,溶液經(jīng)過繞流縫的粘度損失率逐漸降低,粘度損失率在0.33 mm/s 后較為平穩(wěn),說明泵速對(duì)該類型篩管的影響較小。

綜合分析,聚合物作為假塑性流體,本身具有一定的剪切敏感性[20],隨著注入速度的增大,聚合物交聯(lián)結(jié)構(gòu)在篩縫處產(chǎn)生的機(jī)械捕捉增大,宏觀表現(xiàn)為溶液粘度大幅度降低,但經(jīng)過一段時(shí)間后,聚合物溶液粘度有所上升,這是由于篩管對(duì)聚合物的作用未達(dá)到剪切降解的強(qiáng)度,所以在流經(jīng)篩管一段時(shí)間后粘度上升,但仍會(huì)使一部分聚合物分子鏈斷裂,使通過篩管后的溶液粘度整體呈下降趨勢(shì)。

2.3 聚合物溶液濃度對(duì)流經(jīng)自清防砂篩管粘度的影響

考察注入速度為0.66 mm/s條件下,不同濃度J-PAM溶液經(jīng)過各防砂篩管后的粘度損失率,結(jié)果見圖5。

圖5 不同濃度J-PAM溶液經(jīng)過防砂篩管的最終粘度損失率Fig.5 Final viscosity loss rate of different concentrations of J-PAM solution through the sand control screen

由圖5可知,V型縫防砂篩管對(duì)J-PAM溶液的粘度的影響小于其他兩種類型篩管。隨著溶液濃度的增加,粘度損失率逐漸下降。這是由于實(shí)驗(yàn)溶液中溶質(zhì)含量增加,聚合物分子間接觸面積增大且緊密,增加了交聯(lián)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,但整體變化幅度較小。因此,濃度因素對(duì)經(jīng)篩管阻切后的溶液粘度影響較小。

3 結(jié)論

(1)注聚驅(qū)油中防砂篩管會(huì)對(duì)聚合物的粘度產(chǎn)生一定的破壞,實(shí)驗(yàn)研究J-PAM溶液經(jīng)過V型縫、梯形縫和繞流縫防砂篩管后的粘度損失率,確定了聚合物溶液配制粘度穩(wěn)定時(shí)間,并考察了篩縫類型與泵注速度、溶液濃度之間的關(guān)系。提出一種新型測(cè)試聚合物流經(jīng)防砂篩管前后粘度變化的實(shí)驗(yàn)方法和步驟,具有操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣、可測(cè)試各類防砂篩管對(duì)聚合物溶液粘度影響的特點(diǎn),具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(2)J-PAM聚丙烯酰胺溶液隨著靜置時(shí)間的增加,粘度逐漸恢復(fù)平穩(wěn),平穩(wěn)時(shí)間為1 h。

(3)當(dāng)J-PAM溶液質(zhì)量濃度為0.1%～0.2%時(shí),注入速度為0.66 mm/s,溶液流經(jīng)V型縫篩管后的粘度損失率為0.3%～0.5%,流經(jīng)梯型縫篩管粘度損失率為9.7%～11.2%,流經(jīng)繞流縫篩管的粘度損失率為12.6%～14.4%,V型縫自清篩管結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物粘度的影響最小。

(4)泵注速度對(duì)聚合物粘度的影響大于濃度對(duì)其的影響。隨著液體流速的增加,粘度損失率逐漸下降。但隨著聚合物溶液濃度的增加,相同條件下,粘度損失率波動(dòng)范圍較小。

(5)聚合物作為假塑性流體,具有一定的剪切敏感性,隨著泵注速度的增大,聚合物交聯(lián)結(jié)構(gòu)在篩縫處產(chǎn)生的沖擊流速增大,宏觀表現(xiàn)為溶液粘度降低。由于對(duì)聚合物的影響未達(dá)到剪切降解的強(qiáng)度,所以在流經(jīng)篩管一段時(shí)間后,粘度有所上升。但仍會(huì)使一部分聚合物分子鏈斷裂,使粘性整體呈下降趨勢(shì)。

(6)實(shí)驗(yàn)得出聚合物溶液流經(jīng)篩管后,其粘性耗損是不可避免的。但防砂篩管對(duì)聚合物溶液粘度的整體影響較小,并非注聚粘度損失的主要影響因素。通過選擇合適的防砂篩管,可以盡可能的降低其粘度損失。