氣井凝膠堵水劑配方優(yōu)化及性能評價

馮 兵 趙仁保 李文魁 嚴 曦 劉 翔 岳湘安

(1.石油工程教育部重點實驗室(中國石油大學(xué)),北京昌平 102249;2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊 065007)

澀北氣田經(jīng)過一段時間的開發(fā)后,層間出水成為一種普遍現(xiàn)象,目前應(yīng)用的排水采氣和注水泥封堵等方法效果不明顯。淀粉接枝弱凝膠體系的作用原理是在低濃度淀粉和丙烯酰胺溶液中加入適量添加劑,使之在進入地層后緩慢形成凝膠。在油井堵水方面,有許多成功的封堵先例,效果較好[1-11]。但該凝膠體系是否可以用于氣井堵水作業(yè),相關(guān)研究較少。為此,筆者針對澀北氣田的出水特點,對淀粉接枝弱凝膠堵水劑的配方進行了優(yōu)化,并通過室內(nèi)模擬試驗對其注入性能和封堵性能進行了動態(tài)評價。

1 配方優(yōu)化

1.1 試驗藥品、儀器

主劑:丙烯酰胺單體(北京化工廠);改性淀粉(工業(yè)用品)。添加劑:高價金屬離子交聯(lián)劑;引發(fā)劑(實驗室自制)。

主要試驗設(shè)備和儀器:電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱(控制溫度為55～65℃)、精密天平、調(diào)速攪拌器、流變儀、平流泵、藥物天平、200 mL和500 mL中間容器、100 cm填砂管、手搖泵、測壓裝置以及數(shù)據(jù)采集裝置等。

其他條件:堵水劑配制用模擬地層水(礦化度13 000 mg/L)或澀北氣田地層水;堵水劑在常溫下配制,成膠過程在60℃恒溫箱內(nèi)進行。

1.2 試驗方法

考慮到淀粉對堵水劑溶液濃度的影響、現(xiàn)場施工的可操作性以及丙烯酰胺單體成本,主劑質(zhì)量分數(shù)盡量控制在較低范圍內(nèi);在室內(nèi)探索性試驗的基礎(chǔ)上,確定交聯(lián)劑和引發(fā)劑在質(zhì)量分數(shù)低于0.3%時對堵水劑性能的影響較大。利用正交試驗設(shè)計方法,確定了試驗因素與水平,見表1。

表1 淀粉接枝體系配方篩選試驗因素水平

根據(jù)已經(jīng)得到的堵水劑配方體系[2-4],依據(jù)正交試驗,通過改變堵水劑配方組分的質(zhì)量分數(shù),對堵水劑的成膠時間、成膠率以及凝膠強度進行對比,并根據(jù)凝膠強度標準代碼[9-10]對堵水劑靜態(tài)凝膠強度進行對比。

試驗過程中,每5 min觀察一次溶液在成膠過程中的變化,按照綜合平衡法[12],分別把各個指標按單一指標進行分析,然后再把對各個指標的計算分析結(jié)果進行綜合平衡,從而確定各因素水平的最優(yōu)組合。

淀粉接枝體系凝膠配方優(yōu)選試驗主要考察凝膠的3個指標:1)成膠時間,根據(jù)現(xiàn)場施工要求,在7～8 h的范圍內(nèi)最好;2)成膠率越高越好;3)成膠強度越高越好。

1.3 試驗結(jié)果

用L25(56)安排試驗,試驗方案和試驗結(jié)果及結(jié)果分析見表2和表3。

表2 淀粉接枝體系配方篩選試驗方案與結(jié)果

表3 試驗結(jié)果分析

為了便于比較,筆者將堵水劑性能指標隨各因素水平的變化情況繪成了圖,如圖1～圖3所示。

圖1 各因素對成膠強度的影響

圖2 各因素對成膠時間的影響

圖3 各因素水平對堵水劑性能的影響

從圖1～圖3可以看出:

1)從成膠強度來看,丙烯酰胺單體和淀粉的加量比較重要,丙烯酰胺單體和淀粉的加量大于3%時,淀粉接枝體系達到了 G(12)、H(13)級凝膠強度,已達到堵水劑堵水的強度標準,但丙烯酰胺單體和淀粉的加量高于3%時,隨其加量的增加,堵水劑強度增幅減小,另外,結(jié)合經(jīng)濟因素考慮,丙烯酰胺單體和淀粉的加量均選擇3%。交聯(lián)劑和引發(fā)劑含量對成膠強度影響較小,并且強度均維持在F(10)及以上強度。

2)成膠時間在7～8 h范圍內(nèi)最佳,從圖2可以看出,引發(fā)劑對成膠時間的影響最大,引發(fā)劑加量為0.15%時,淀粉接枝體系成膠時間為8.0 h,丙烯酰胺單體、改性淀粉和交聯(lián)劑加量的改變對成膠時間幾乎沒有影響,成膠時間均維持在8.3 h左右。從表3中的試驗結(jié)果分析看,也是引發(fā)劑的影響最大,其他因素的影響都非常小,與圖2得出的結(jié)論完全相同。

3)從成膠率來看,4個因素的改變對成膠率的影響均較大,丙烯酰胺單體加量在3%和5%時成膠率較高,改性淀粉加量在3%時成膠率最高,交聯(lián)劑加量為0.10%～0.15%時成膠率可達85%,引發(fā)劑加量高于0.20%時成膠率較高,其加量為0.15%時成膠率約為73%,但考慮到成膠時間的要求,引發(fā)劑的含量確定為0.15%。

綜上所述,可得出淀粉接技弱凝膠堵水劑的最優(yōu)配方為:3.00%丙烯酰胺單體+3.00%改性淀粉+ 0.10%引發(fā)劑+0.15%交聯(lián)劑。

1.4 復(fù)合凝膠堵水劑的性能

測定優(yōu)選出的堵水劑配方在60℃、10 s-1剪切速率條件下的性能,其黏度為22.3 mPa·s,成膠時間8.2 h,成膠后堵水劑的靜態(tài)屈服強度如圖4所示。

圖4 屈服強度與時間的關(guān)系

從圖4可以看出,優(yōu)選出的堵水劑其靜態(tài)屈服強度為3.8 kPa,在屈服以后,仍然持續(xù)具有3.0 kPa左右的強度,說明該凝膠體系具有長時間保持高強度的特性。

2 性能評價

2.1 試驗條件

2.1.1 氣井出水模擬試驗

澀北氣田儲層巖性以灰色泥巖和砂質(zhì)泥巖為主,泥質(zhì)含量高,故模擬試驗巖心采用泥質(zhì)含量偏高的100～160目露頭砂,并添加儲層解離巖心作為填砂材料,二者質(zhì)量比為2∶1。

澀北氣田地層水的礦化度為100～130 g/L, p H值7.0～8.0,水型主要為CaCl2型。為真實模擬出水層位的實際情況,試驗用水采用澀北一號氣田澀2-23井的地層水。

澀北氣田儲層滲透率為(0.32～612.00)×10-3μm2,出水部位滲透率多高于400×10-3μm2,生產(chǎn)層滲透率低于200×10-3μm2。為充分模擬氣藏出水層的滲透率,填砂試驗滲透率(N2測量)在(100～600)×10-3μm2范圍內(nèi)。

澀北氣田儲層溫度在40～65℃之間,試驗在60℃恒溫箱內(nèi)完成。

2.1.2 試驗裝置

利用填砂模擬試驗對淀粉接枝體系進行性能評價,填砂試驗測量系統(tǒng)如圖5所示,(圖中,P1～P5為5個測壓點)。

圖5 填砂管試驗裝置

2.2 結(jié)果與討論

對優(yōu)選出的淀粉接枝體系進行了注入特性和封堵特性測試。步驟如下:填砂完成后氣測滲透率、飽和地層水;以0.5 mL/min流量注入堵水劑,選擇堵水劑注入段塞長度為30.0 cm(0.3倍孔隙體積),注入過程中各測壓點壓力與堵水劑注入量的關(guān)系如圖6所示;堵水劑注入完畢,及時清洗堵水劑注入管線,然后將裝置在60℃恒溫環(huán)境下靜置8.5 h后,從未注入堵水劑一端注水測試堵水劑的封堵效果,用注入壓力來表征封堵強度。

2.2.1 堵水劑注入特性

從圖6可以看出:隨著堵水劑注入量的增大,不同滲透率模擬巖心的注入壓力均逐漸增大;注入堵水劑時,初始階段壓力增幅較大,隨著時間的推移,壓力增幅逐漸趨緩;堵水劑在不同滲透率模擬巖心中的注入壓力不同,滲透率越高,堵水劑注入壓力越小,滲透率高于450×10-3μm2時最大注入壓力約為1.0 MPa,低于150×10-3μm2滲透率的模擬巖心注入壓力超過了3.5 MPa,所以滲透率高于450× 10-3μm2出水層適合于進行堵水作業(yè),而堵水劑難以注入低滲透層位。

試驗過程中發(fā)現(xiàn),由于堵水劑注入量為0.3倍孔隙體積,堵水劑前緣停留在 P2和 P3兩點之間,所以在堵水劑注入過程中,P1和 P2點測到壓力數(shù)據(jù), P3、P4、P5點壓力為零。從圖6(c)可以看出,對于滲透率為150×10-3μm2的巖心,P2點的壓力持續(xù)為零,說明堵水劑未能注入較低滲透率的模擬巖心中,而僅僅在注入端面處形成了堵水劑的存積;而對于滲透率為447×10-3μm2和516×10-3μm2的巖心,堵水劑注入量達到0.2倍孔隙體積后,P2點測到了壓力,說明堵水劑前緣運移到填砂管的10 cm位置,所以堵水劑被順利注入到巖心模型深部。

由此可看出,該類堵水劑對于滲透率大于450× 10-3μm2的儲層具有較好的選擇性,而現(xiàn)場出水層的滲透率基本都在400×10-3μm2以上,故堵水劑注入時優(yōu)先選擇出水層;而氣藏產(chǎn)層滲透率低于200×10-3μm2,因此堵水劑不能進入氣藏低滲儲層,所以該堵水劑的注入特性表明適合于澀北氣田的堵水作業(yè)。

圖6 不同滲透率巖心各測點壓力與注入量的關(guān)系

2.2.2 堵水劑的封堵特性

以0.5 mL/min流量注入3.0%堵水劑,待成膠后,以1.0 mL/min流量在未注入堵水劑的一端進行水驅(qū),水驅(qū)時注入壓力與注入量的關(guān)系如圖7所示。

從圖7可以看出,在以1.0 mL/min的流量進行堵水劑封堵效果測定時,伴隨注水量的增加,各測壓點的壓力逐漸增大,對于滲透率較高的,測得最大壓力后發(fā)生突降,最大壓力即為堵水劑的最大封堵壓力,滲透率為516×10-3和447×10-3μm2時模擬巖心測得的封堵強度分別為13.0和6.8 MPa,此即堵水劑的最大封堵壓力,折算成封堵強度分別為42和22 MPa/m,說明封堵效果較好;而滲透率為150×10-3μm2模擬巖心的壓力測量值較小,沒有起到任何封堵效果。

以上結(jié)果表明,堵水劑在滲透率高于450× 10-3μm2的儲層中具有較好的封堵性能,在低滲儲層幾乎沒有封堵效果,由于澀北氣藏出水部位的滲透率多高于400×10-3μm2,并且氣層滲透率較低,表明該堵水劑對澀北氣藏堵水具有較好的封堵特性。

圖7 堵水劑的封堵強度

3 結(jié)論與認識

1)主劑加量為3.0%、交聯(lián)劑加量為0.1%、引發(fā)劑加量為0.15%的淀粉接枝體系,成膠時間為8.3 h,具有3.8 kPa的靜態(tài)強度。

2)通過改變交聯(lián)劑和引發(fā)劑加量可以調(diào)節(jié)淀粉接枝體系的成膠強度和成膠時間。

3)低質(zhì)量分數(shù)的淀粉接枝體系在滲透率高于450×10-3μm2儲層中注入性能較好,并且不能進入滲透率低于150×10-3μm2的產(chǎn)層,所以注入的堵水劑優(yōu)先進入出水層,而不會進入低滲氣層。

4)所優(yōu)選出的淀粉接枝弱凝膠堵水劑成膠后具有足夠高的封堵強度,在滲透率高于450×10-3μm2的出水層中其封堵強度高于22 MPa/m,且不會封堵低滲氣層,說明淀粉接枝弱凝膠堵水劑可以用于澀北氣藏的氣井堵水作業(yè)。

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