稠油熱采模擬隔夾層制備與評價

梁 旭,范洪軍,劉向南,陳立峰,何明薇

(1.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100028; 2.中海油研究總院有限責任公司,北京100028; 3.長江大學 石油工程學院,湖北 武漢 430100)

引 言

隔夾層是指在一定壓差范圍內(nèi)可以影響流體在層間相互流動的非滲透巖層或相對低滲透巖層[1-4]。對于發(fā)育隔夾層的稠油油藏而言,隔夾層的類型、位置、厚度、滲透率及長度均會對稠油生產(chǎn)效果造成影響[5-7],儲層中的隔夾層會影響蒸汽腔的擴展,阻礙原油向生產(chǎn)井方向流動,而對于頂?shù)姿筒囟?隔夾層可以抑制水侵,對稠油開采有積極作用。因此,隔夾層對稠油開發(fā)效果評價成為一個亟需闡明的課題。

室內(nèi)二或三維物理模擬實驗通過相似準則能夠準確地反映油藏在生產(chǎn)過程中的滲流特征、生產(chǎn)動態(tài)等,可以為數(shù)值模擬提供依據(jù),對現(xiàn)場施工開發(fā)具有一定的指導作用,是提高原油開采效率的重要研究手段[8-11]。劉昊[12]用樹脂模擬隔夾層,使用二維可視化低壓模型,對Butler提出的SAGD重力泄油理論產(chǎn)量預測模型進行了驗證;杜洋[13]使用黏土模擬夾層,研究了多夾層對稠油SAGD開發(fā)效果的影響;Joshi 和 Threlkeld[14]使用6mm厚的塑料板模擬頁巖屏障;Yang 和 Butler[15]使用酚醛樹脂隔板模擬頁巖屏障研究了頁巖屏障的大小和空間分布對SAGD開發(fā)的影響;魏紹蕾等人[16]使用膠質(zhì)的水泥板模擬夾層,并使用二維雙水平井SAGD室內(nèi)物理模擬裝置研究了非滲透夾層條帶對雙水平井蒸汽輔助重力泄油開發(fā)效果的影響。

但上述隔夾層模擬方式存在一定的局限性,無法精準模擬實際隔夾層的物性。因此本文采用改性環(huán)氧樹脂作為基液,制備了一種可耐350 ℃高溫的模擬稠油油藏隔夾層用樹脂,以旅大X油田隔夾層為研究對象,制備了大尺寸模擬隔夾層并通過一維和三維物理模擬實驗考察了其對高溫蒸汽的封隔能力。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及儀器

改性環(huán)氧樹脂(實驗室自制)、石英砂(20～2000目)、甲基那迪克酸酐(工業(yè)級)、1-氰乙基-2-苯基-4,5-二(氰乙氧亞甲基)咪唑(分析純)、2-苯基-4-甲基-5-羥甲基咪唑(分析純)、正丁基縮水甘油醚(工業(yè)級)、甲苯基縮水甘油醚(工業(yè)級)、苯乙烯氧化物(工業(yè)級)、改性納米核硅橡膠(工業(yè)級)、丙烯酸橡膠(工業(yè)級)、聚丙二醇(分析純)、模擬地層水(表1)。

表1 地層水離子組成Tab.1 Ionic composition of formation water

C3003型電子天平(杭州萬特衡器有限公司)、DJ1C-60型攪拌器(江蘇金城國盛實驗儀器廠)、DFG101-3型電熱鼓風干燥箱(紹興市上虞區(qū)滬越儀器設備廠)、WDW-50型電子式萬能試驗機(濟南威斯特機械設備有限公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 固化時間測試

使用博勒飛DV2T型黏度計測定耐高溫樹脂在固化過程中黏度隨時間的變化,黏度突變點所對應的時間為樹脂的固化時間。

1.2.2 抗壓強度測試

將配成的耐溫樹脂基液裝入耐壓瓶中,并置于50℃恒溫水浴鍋中,待耐溫樹脂固化后,制得Φ25 mm×30 mm的標準樣品,利用萬能力學壓力實驗機測定樹脂的抗壓強度。

1.2.3 模擬隔夾層的制備

(1) 根據(jù)油藏隔夾層的物性參數(shù)、巖性參數(shù)及粒度分布確定模擬隔夾層的石英砂、礫石、黏土的質(zhì)量比及粒徑并將其混合得到石英砂混合物;

(2) 將石英砂混合物用乙醇潤濕表面后加入樹脂,攪拌均勻,得到樹脂石英砂混合體系;

(3) 將樹脂石英砂混合體系加入物理模型中,并使用液壓機在軸向上施加壓力進行壓實,待樹脂固化后撤去壓力,即得到模擬隔夾層。

1.2.4 一維高溫蒸汽突破模擬實驗

(1) 將巖心抽真空飽和地層水并測量其滲透率及孔隙度;

(2) 將巖心在90 ℃下恒溫5 h,并將實驗用油以恒定的低速注入巖心進行油驅(qū)水,建立束縛水,根據(jù)體積法計算初始含油飽和度及束縛水飽和度;

(3) 將巖心接入蒸汽驅(qū)流程,巖心溫度為油層溫度,蒸汽發(fā)生器預熱至大于250 ℃,干度大于0.7,調(diào)整回壓來改變油藏壓力或使之略低于該溫度下水的飽和蒸汽壓力,以該溫度下水的飽和蒸汽壓力減去測定束縛水條件下油相滲透率的壓差值為宜,注入蒸汽,測試其封隔能力。

2 耐高溫樹脂的制備

2.1 耐高溫樹脂組分篩選

為了制備出耐350 ℃的樹脂體系,擬定其組分為環(huán)氧樹脂基液、固化劑、稀釋劑及增韌劑。環(huán)氧樹脂基液為實驗室自制改性環(huán)氧樹脂,通過大量文獻調(diào)研及市場調(diào)研確定固化劑、稀釋劑及增韌劑備選物質(zhì)如下:固化劑甲基那迪克酸酐、1-氰乙基-2-苯基-4,5-二(氰乙氧亞甲基)咪唑、2-苯基-4-甲基-5-羥甲基咪唑;稀釋劑正丁基縮水甘油醚、甲苯基縮水甘油醚、苯乙烯氧化物;增韌劑改性納米核硅橡膠、丙烯酸橡膠、聚丙二醇。根據(jù)前期試驗研究初步確定使用30%固化劑+8%稀釋劑+10%增韌劑來進行正交試驗,以樹脂基液黏度、固化時間及抗壓強度為指標對反應物種類進行優(yōu)化。因為常規(guī)正交表中沒有3因素3水平,故使用考慮用相等水平數(shù)的方法,找測試用例個數(shù)最少且因數(shù)略大于3的正交表,即L9(34)。正交試驗表如表2所示,試驗結果見表3。

表2 組分篩選正交因素水平Tab.2 Component screening orthogonal factor and level table

表3 組分篩選正交試驗方案及結果Tab.3 Component screening orthogonal experiment schemes and results

由表3分析可得,對于基液黏度而言,RB>RA>RC(RA=78.00,RB=239.00,RC=23.00),即稀釋劑種類對樹脂體系黏度影響最大。以樹脂體系黏度為評判標準,最優(yōu)組成為A1B1C2。對于樹脂體系固化時間而言RA>RC>RB(RA=15.17,RB=2.17,RC=2.33),即固化劑種類對樹脂體系固化時間的影響最大。以樹脂固化時間為評判標準,最優(yōu)組成為A1B2C1。對于樹脂體系固化后抗壓強度而言RC>RB>RA(RA=4.32,RB=5.38,RC=18.24),即增韌劑對樹脂體系固化后抗壓強度影響最大。以抗壓強度為評判標準,最優(yōu)組成為A2B1C2。綜合考慮抗壓強度、固化時間及基液黏度最終優(yōu)選體系組成為A1B1C2,即以1-氰乙基-2-苯基-4,5-二(氰乙氧亞甲基)咪唑為固化劑,以甲苯基縮水甘油醚為稀釋劑,以改性納米核硅橡膠為增韌劑。

2.2 耐高溫樹脂組分用量篩選

確定耐高溫樹脂組分為改性環(huán)氧樹脂、1-氰乙基-2-苯基-4,5-二(氰乙氧亞甲基)咪唑、甲苯基縮水甘油醚及改性納米核硅橡膠,并以改性環(huán)氧樹脂為基液,通過正交試驗進一步確定各組分的用量(以耐高溫樹脂總質(zhì)量為100%計),正交試驗表如表4所示,試驗結果見表5。

表4 組分用量篩選正交因素水平Tab.4 Component dosage screening orthogonal factor and level table

表5 組分用量篩選正交實驗方案及結果Tab.5 Component dosage screening orthogonal experiment schemes and results

由表5分析可得,對于基液黏度而言RB>RA>RC(RA=17.67,RB=65.00,RC=8.00),即稀釋劑用量對樹脂體系黏度影響最大。以樹脂體系黏度為評判標準,最優(yōu)用量為A1B3C3。對于樹脂體系固化時間而言RA>RC>RB(RA=10.67,RB=1.83,RC=3.83),即固化劑用量對樹脂體系固化時間的影響最大。以樹脂固化時間為評判標準,最優(yōu)用量為A3B1C1。對于樹脂體系固化后抗壓強度而言RC>RB>RA(RA=2.46,RB=2.65,RC=12.01),即增韌劑用量對樹脂體系固化后抗壓強度影響最大。以樹脂抗壓強度為評判標準,最優(yōu)用量為A1B1C3。綜合考慮抗壓強度、固化時間、基液黏度及經(jīng)濟性,最終優(yōu)選用量組成為A3B2C2,即45%改性環(huán)氧樹脂,35%1-氰乙基-2-苯基-4,5-二(氰乙氧亞甲基)咪唑,10%甲苯基縮水甘油醚,10%改性納米核硅橡膠。以該配方制備出的樹脂黏度低于100 mPa·s,50 ℃下固化時間為4.5 h,抗壓強度為29.36 MPa。

2.3 耐溫性能

在稠油熱采三維物理模擬實驗中注入蒸汽溫度高達250 ℃,所以需要樹脂在高溫條件下能保持長期穩(wěn)定。因此將樹脂置于200 ℃、250 ℃、300 ℃、350 ℃恒溫環(huán)境中老化,考察質(zhì)量保留率及抗壓強度隨老化時間的變化趨勢。實驗結果(圖1)顯示,樹脂在高溫下老化較長時間后仍然具有很高的抗壓強度和質(zhì)量保留率。隨著溫度升高及老化時間的增加,抗壓強度及質(zhì)量保留率有所下降,但下降幅度較小。在350 ℃下老化120 d后,抗壓強度仍高于20 MPa,質(zhì)量保留率大于90%,說明該樹脂具有良好的耐溫性能,耐溫能力可達350 ℃。

圖1 老化時間及老化溫度對樹脂抗壓強度及質(zhì)量保留率的影響Fig.1 Effects of aging time and temperature on compressive strength and mass retention rate of resin

3 模擬隔夾層的制作

3.1 樹脂用量對隔夾層滲透率及抗壓強度的影響

在隔夾層制作過程中,樹脂的用量對其抗壓強度及滲透率有著較大的影響[17-18]。向200 g石英砂混合物(180 g石英砂+20 g黏土)中加入不同質(zhì)量的耐高溫樹脂,在壓力10 MPa條件下,考察模擬隔夾層的抗壓強度、滲透率與耐高溫樹脂用量的關系。實驗結果(圖2)表明,隨著樹脂用量的增加,模擬隔夾層的滲透率明顯降低,而抗壓強度則明顯增強,但當樹脂用量達到30 g時,增大樹脂用量模擬隔夾層的抗壓增幅不明顯,是因為此時樹脂在石英砂表面的吸附接近飽和。

圖2 樹脂用量對模擬隔夾層滲透率及抗壓強度的影響Fig.2 Effect of resin dosage on permeability and compressive strength of simulated interlayer

3.2 石英砂粒度對隔夾層滲透率及抗壓強度的影響

研究表明,通過石英砂粒徑來控制模擬隔夾層的滲透率具有較大的優(yōu)勢,當石英砂粒徑相同時,制作的模擬隔夾層具有相似的孔隙結構及滲透率[19-20]。石英砂粒徑對模擬隔夾層性能的影響如圖3所示。石英砂的粒徑越大,制得的模擬隔夾層的抗壓強度越低,而模擬隔夾層的滲透率則隨著石英砂粒徑的增大而增大。

圖3 石英砂粒徑對模擬隔夾層滲透率及抗壓強度的影響Fig.3 Effect of quartz sand particle size on permeability and compressive strength of simulated interlayer

4 實例應用

4.1 一維高溫蒸汽突破模擬實驗

旅大X油田為塊狀(頂)底水特-超稠油藏,隔夾層較為發(fā)育[21]。為模擬隔夾層對稠油開發(fā)效果的影響,以黏土礦物總量和常見非黏土礦物X-衍射定量分析、巖心粒度分析等相關地質(zhì)資料為基礎,采用上述方法使用耐高溫樹脂膠結石英砂,制作了與實際隔夾層物性相似的模擬隔夾層巖心。通過一維高溫蒸汽突破模擬實驗對比了模擬隔夾層與實際隔夾層巖心對高溫蒸汽的封隔能力。實驗結果如表6所示。

表6 隔夾層巖心及模擬隔夾層性能對照Tab.6 Performance comparison of interlayer cores and simulated interlayers

模擬隔夾層滲透率最大相對誤差為7.47%,而突破壓力梯度相對誤差為4.12%,說明模擬隔夾層與實際隔夾層滲透率相近,其對高溫蒸汽的封隔性能也大致相同,為三維高溫高壓物理模擬實驗提供了有力支撐。

4.2 高溫高壓三維物理模擬實驗

使用相同的制做方法制做了兩塊尺寸為15 cm×50 cm×5 cm的大尺寸模擬隔夾層,在一塊模型上均勻鉆取了15塊柱狀模擬隔夾層巖心測試其滲透率及孔隙度,另一塊用于三維高溫高壓物理模擬實驗,實驗參數(shù)如表7所示,實驗結果見圖4。

圖4 蒸汽吞吐不同生產(chǎn)階段溫度場Fig.4 Temperature field diagrams of steam huff and puff in different production stages

表7 三維高溫高壓物理模擬實驗參數(shù)Tab.7 Parameters of 3D high-temperature and high-pressure physical simulation experiment

模擬的隔夾層為旅大X油田砂礫巖隔層,滲透率約為244.77×10-3μm2,孔隙度約為15.81%,而15塊模擬隔夾層巖心的平均滲透率為245.01×10-3μm2,平均孔隙度為15.68%,表明三維模擬隔夾層的滲透率、孔隙度具有較高的相似度。

圖4表明,存在隔夾層時,蒸汽吞吐開發(fā)過程中蒸汽腔的發(fā)育過程可以分成蒸汽腔上升、蒸汽腔橫向發(fā)育及蒸汽腔突破三個階段。前兩個吞吐周期,蒸汽腔處于上升階段,由于重力超覆作用,蒸汽腔縱向上的發(fā)育快于橫向拓展;遇到隔層后,由于隔層的阻擋作用,蒸汽腔沿隔層橫向拓展;第五吞吐周期蒸汽開始突破隔層進入頂水層,并繼續(xù)縱向發(fā)育,在到達頂部后沿著橫向拓展。結果表明制作的隔層具有一定的封隔能力,但滲透率為200×10-3μm2厚度為5 cm(實際地層厚度為10 m)的砂礫巖隔層在經(jīng)過多輪次蒸汽吞吐后,對蒸汽的封隔性能變差,在開采階段無法有效封隔頂水。

5 結 論

(1)制備的耐高溫樹脂,在常溫下為低黏度液體,50 ℃下固化時間為4.5 h,抗壓強度為29.36 MPa,在350 ℃下老化120 d后,樹脂抗壓強度仍高于20 MPa,質(zhì)量保留率大于90%,具有良好的耐高溫性能。

(2)樹脂用量及石英砂粒徑對模擬隔夾層滲透率及抗壓強度影響較大,可以通過調(diào)整樹脂用量及石英砂粒徑以獲得精確度高的模擬隔夾層。

(3)模擬隔夾層巖心與實際隔夾層巖心對蒸汽具有相近的封隔能力,且制作的大尺寸模擬隔夾層滲透率分布均勻,精度高,能夠準確地模擬實際隔夾層,從而為非均質(zhì)稠油油藏物理模擬實驗提供新技術。