海上中低滲油藏多功能納米增注體系性能評價(jià)及應(yīng)用

李勝勝 馮青 宮汝祥 李嘯南 鄭玉飛 柏溢

中海油服油田生產(chǎn)研究院

海上中低滲油氣資源豐富,但油藏地層孔喉尺寸小,孔隙度低,注水壓力高,能量補(bǔ)充困難,采收率難以提升。為了解決實(shí)際生產(chǎn)中注水壓力高的問題,一般采用酸化常規(guī)解堵措施,但簡單的酸化作業(yè)也不能從根本上解決注水井堵塞的問題,并且隨著酸化作業(yè)的增多,酸化有效期逐漸變短。納米材料具有納米阻垢、潤濕反轉(zhuǎn)、防止顆粒運(yùn)移、高效降壓等多重功能,所以有望解決現(xiàn)有問題,實(shí)現(xiàn)增注[1-7]。

納米增注技術(shù)是針對中低滲油藏注入壓力高、地層壓力衰竭快、采出程度低等問題而提出的一種降低注入壓力的新技術(shù)。前人對納米顆粒增注機(jī)理進(jìn)行了研究,認(rèn)為納米顆粒不僅能將吸附在儲層孔隙表面的水膜趕走,改變巖石的潤濕性,有效地?cái)U(kuò)大儲層孔徑,還能大幅度地降低注入流體在孔隙中的流動阻力。因此,納米顆粒在提高采收率方面的主要作用是降低注入壓力與平衡注水井間的差異[8-14]。有機(jī)納米顆?？梢愿纳谱⑷肓黧w與原油的流度比,從而提高重油的采收率,多應(yīng)用于重油油藏。本研究選用無機(jī)納米聚硅材料,此類材料一般具有強(qiáng)憎水、親油與強(qiáng)吸附能力,可以達(dá)到很好的降壓增注效果。通過添加納米聚硅可以有效地?cái)U(kuò)大儲層孔隙半徑,減小注入水在儲層孔隙中的流動阻力[15-20]。

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)探討了納米溶液對巖石潤濕性的影響,分析了納米溶液對有機(jī)垢與無機(jī)垢的影響,從流速、浸泡時(shí)間、注入PV數(shù)3個(gè)方面研究了納米溶液對滲透率的影響。該研究為海上中低滲油藏注水開發(fā)提供了一套有效的解決方案。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑

納米溶液(實(shí)驗(yàn)材料:疏水性納米SiO2、納米乳化劑、納米分散助劑、納米活化劑,其中疏水性納米SiO2采用的是溶膠凝膠法,納米溶液采用的是振蕩培養(yǎng)法)、超純水、人造巖心、方解石、CaCO3、瀝青稠油、石英砂、液蠟、柴油、原油、煤油、蘇丹Ⅲ。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備名稱型號生產(chǎn)廠家恒流泵HLB-1040東臺市燕山儀表總廠優(yōu)普超純水制造系統(tǒng)UPH-T10T四川優(yōu)普超純科技有限公司電子天平JM-B 20002諸暨市超澤衡器設(shè)備有限公司超聲攪拌儀SYU-30-900鄭州生元儀器有限公司光學(xué)接觸角測量儀DSA100HP克呂氏科學(xué)儀器有限公司電子顯微鏡SEM3100國儀量子(合肥)技術(shù)有限公司

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1納米溶液制備方法

(1) 溶膠凝膠法:向主反應(yīng)器三口燒瓶中加入一定量的去離子水,再向三口燒瓶中加入氨水或NaOH,調(diào)節(jié)pH值至11后,開啟水浴加熱,使三口燒瓶內(nèi)溶液溫度保持在60 ℃;再將一定量的硅源化合物,通過分液漏斗逐滴加入到三口燒瓶中,磁力攪拌器保持?jǐn)嚢?轉(zhuǎn)速為30 r/min,使硅源化合物水解反應(yīng)6 h后,得到反應(yīng)產(chǎn)物為白色納米SiO2凝膠,即為疏水性納米SiO2。

(2) 振蕩培養(yǎng)法:將制得的疏水性納米SiO2溶于1 000 mL去離子水中,然后分裝到25 mL錐形瓶,封口,在高壓滅菌鍋滅菌20 min,在培養(yǎng)搖床振蕩培養(yǎng)(37 ℃、200 r/min)5天,得到納米溶液。

1.3.2潤濕性分析

(1) 將巖石薄片在無氣泡冒出時(shí)放到載物臺上,用針管吸入純凈水,滴定到巖石表面,測量潤濕角。

(2) 將吸附后的巖樣切片用水沖刷30 min,在55 ℃下烘干后,用電鏡掃描處理前后的巖心薄片。

1.3.3解堵效果分析

(1) 有機(jī)垢解堵效果分析。稱取5 g含瀝青質(zhì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)稠油的油砂于玻璃瓶中,加入納米溶液體系(納米溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%、33%、25%、20%和17%)5 mL;放入60 ℃水浴中,輕微晃動,每隔1 h觀察稠油洗脫情況,通過前后的質(zhì)量變化,計(jì)算洗脫率。

取10 mL不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(分別為50%、33%、25%、20%、17%)的納米溶液體系和10 mL柴油、液蠟、原油分別混合,在渦旋儀上以相同的頻率渦旋2 min,放置,每隔1 h計(jì)算相應(yīng)的乳化指數(shù)(乳化指數(shù)=乳狀液高度/總液柱高度)。

(2) 無機(jī)垢解堵效果分析。溶蝕率測定:將礦物用清水反復(fù)沖洗,沉降,倒去上層濁液再沖洗。納米溶液對巖屑的溶蝕率測定參照SY/T 5886-2018《酸化工作液性能評價(jià)方法》進(jìn)行。

1.3.4改善儲層滲透率效果分析

通過巖心驅(qū)替方法,結(jié)合巖心尺寸數(shù)據(jù)與每個(gè)時(shí)間段的壓力數(shù)據(jù),計(jì)算不同巖心的滲透率。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米溶液對巖石潤濕性的影響

圖1所示為納米溶液對巖石潤濕性的影響結(jié)果。從圖1可看出,使用納米溶液處理后巖心的潤濕角有了明顯的變化。經(jīng)納米溶液處理后,中、低滲巖心潤濕角與初始值相比,均提升了20°左右,大大增加了巖心的疏水性。注入PV數(shù)越高,巖心潤濕角提高的幅度越大。

圖2所示為吸附前后巖石切片的掃描電鏡圖片。從圖2可知:巖石中存在一定量的石英、黏土等強(qiáng)親水的礦物,因此潤濕性為強(qiáng)親水。這種巖石表面能小,當(dāng)水滴滴在上面時(shí),易被礦物與黏土吸附,很快潤濕,很難形成接觸角;用納米溶液處理后,巖石中黏土礦物表面被疏水性納米顆粒覆蓋,因?yàn)楦采w的納米顆粒表面為疏水性,其表面能增加,當(dāng)水滴滴在上面時(shí),通過能量最小化及在重力作用下呈球形,巖石表面潤濕性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?可以降低水分子流動阻力。

2.2 納米溶液對有機(jī)垢與無機(jī)垢的影響

2.2.1納米溶液對有機(jī)垢的影響

2.2.1.1 對瀝青的剝離效果

圖3所示為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米溶液對瀝青質(zhì)油砂的清洗效果。從圖3可知:對于瀝青質(zhì)沉積,納米溶液能有效地將瀝青質(zhì)從石英砂表面洗脫下來;與對照樣相比較,加入納米溶液后,石英砂表面瀝青質(zhì)被洗脫,露出白色石英砂;納米溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%時(shí),洗脫率達(dá)到92.3%;隨著納米溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,洗脫率也逐漸增大。

2.2.1.2 模擬油乳化

圖4所示為納米溶液與模擬油的乳化指數(shù)。從圖4(a)可看出:當(dāng)V(柴油)∶V(納米溶液)=1∶1時(shí),所有反應(yīng)時(shí)間(圖中從深藍(lán)色曲線到淺藍(lán)色曲線,納米溶液體積分?jǐn)?shù)分別為50%、33%、25%、20%、17%)下的柴油乳化指數(shù)最低;隨著體積分?jǐn)?shù)降低,乳化指數(shù)升高,但經(jīng)過30～60 min后,趨于穩(wěn)定。隨著納米粒子在油水界面的吸附,體積分?jǐn)?shù)降低,提高了乳液的穩(wěn)定性,同時(shí)促進(jìn)了界面張力的降低。當(dāng)納米溶液體積分?jǐn)?shù)達(dá)33%之后,乳化指數(shù)變化不大。在現(xiàn)場施工中,納米體積分?jǐn)?shù)為33%時(shí),乳化效果最佳。

2.2.2納米溶液對無機(jī)垢的作用影響

圖5所示為納米溶液對無機(jī)垢的溶蝕情況。從圖5可看出:當(dāng)納米溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%和33%時(shí),對無機(jī)垢的溶蝕率達(dá)43%左右,表現(xiàn)出較好的溶蝕效果;隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低,溶蝕率下降;當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí),對無機(jī)垢的溶蝕率為16%。這說明納米溶液對礦物具有良好的溶蝕作用,可以實(shí)現(xiàn)抑垢、防垢,減少對砂巖酸化的二次傷害。

2.3 納米溶液對儲層滲透率的影響

2.3.1驅(qū)替流速對儲層滲透率的影響

圖6所示為不同流速的納米溶液與水對巖心滲透率的影響。由圖6可以看出:巖心經(jīng)不同流速的水處理后,滲透率基本不變;經(jīng)納米溶液處理后,滲透率有明顯的增加,且流速越高,滲透率提高得越多。但存在一個(gè)臨界流速,超過臨界流速后,滲透率降低。這說明納米溶液能有效地增加巖心滲透率,對于中滲和低滲巖心,納米溶液均能有效改善其滲透率。

2.3.2浸泡時(shí)間對儲層滲透率的影響

圖7所示為浸泡時(shí)間對儲層滲透率的影響情況。從圖7可看出,在最開始的一段時(shí)間內(nèi),巖心滲透率隨著浸泡時(shí)間的增加而快速升高,之后滲透率降低。

2.3.3注入PV數(shù)對儲層滲透率的影響

圖8所示為注入不同PV數(shù)的納米溶液對巖心滲透率的影響。從圖8可知,巖心滲透率隨著注入納米溶液PV數(shù)的增加而先增大,直至臨界值后,開始降低。其原因是,隨著注入PV數(shù)的增加,注入的納米溶液也增加,疏水膜快速形成,滲透率也快速升高;但注入PV數(shù)增加到最佳PV數(shù)之后,注入的納米溶液進(jìn)入微孔道沉積,堵塞孔隙,使得滲透率下降?，F(xiàn)場可通過測地層吸水指數(shù),動態(tài)調(diào)整注入納米溶液PV數(shù)。

2.3.4納米溶液增注效果

圖9所示為納米溶液在巖心模擬增注過程中的壓力變化情況。從圖9可知,納米溶液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、注入量為0.3 PV、注入流速為1.1 mL/min、浸泡1 h的條件下,可使人造巖心平均滲透率提高32.6%,平均注入壓力下降35.9%。在實(shí)驗(yàn)條件下,該體系能起到很好的增注效果。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

海上油田B井為一口注水井,2015年11月開始投注,初始配注量為450 m3/d。B井初期注入壓力低,儲層吸水指數(shù)高,隨著注入時(shí)間的延長,儲層孔隙喉道水潤濕強(qiáng)度增強(qiáng),儲層黏土礦物水化膨脹嚴(yán)重,注水量達(dá)不到配注量,2018年上半年注入壓力上升至15 MPa。

2020年8月對B井進(jìn)行納米增注作業(yè),措施后注入壓力下降46.7%,注水量提升至8倍,措施后視吸水指數(shù)為措施前的8.5倍,有效期是常規(guī)酸化的4倍以上,有效期為18個(gè)月(見圖10和表2)。

表2 措施前后注入情況對比井號措施類型措施前措施后注入量/(m3·d-1)注入壓力/MPa視吸水指數(shù)/(m3·(d·MPa)-1)注入量/(m3·d-1)注入壓力/MPa視吸水指數(shù)/(m3·(d·MPa)-1)有效期/月B納米增注31151.7261814.518相似井C常規(guī)酸化25132.52714244

4 結(jié)論與建議

(1) 通過振蕩培養(yǎng)法與溶膠凝膠法,制備了納米溶液,該體系具備潤濕反轉(zhuǎn)、除垢、改善滲透率等性能。

(2) 經(jīng)納米溶液處理后的巖心由親水性變?yōu)槭杷?平均巖心潤濕角提高20°左右;納米溶液有助于剝離后的有機(jī)垢分散,洗脫率可達(dá)92.3%,避免剝離后有機(jī)垢的二次沉淀堵塞,能有效溶蝕礦物,溶蝕率達(dá)43%,能很好地解除無機(jī)垢堵塞。

(3) 巖心經(jīng)過納米溶液驅(qū)替后,在不超過臨界條件下,滲透率隨流速、浸泡時(shí)間和注入PV數(shù)增加而升高,使人造巖心平均滲透率提高32.6%,平均注入壓力下降35.9%,可有效地改善滲流阻力。

(4) 納米增注技術(shù)在現(xiàn)場試驗(yàn)取得了良好的效果,可顯著提高注水井吸水能力。措施后注入壓力下降了46.7%,注入量增加了8倍,吸水指數(shù)提高了8.5倍,有效期是常規(guī)酸化的4倍以上,表明該技術(shù)在中、低滲透油田增產(chǎn)增注方面應(yīng)用前景十分廣闊。