巖心滲透率對(duì)聚丙烯酰胺溶液流變性的影響

彭昱強(qiáng),何順利,郁魯彬

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)石油大學(xué),北京 102249; 2.氣體能源開(kāi)發(fā)技術(shù)教育部工程研究中心 中國(guó)石油大學(xué),北京 102249; 3.中海油田服務(wù)股份有限公司,北京 101149)

巖心滲透率對(duì)聚丙烯酰胺溶液流變性的影響

彭昱強(qiáng)1,2,何順利1,2,郁魯彬3

(1.石油工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)石油大學(xué),北京 102249; 2.氣體能源開(kāi)發(fā)技術(shù)教育部工程研究中心 中國(guó)石油大學(xué),北京 102249; 3.中海油田服務(wù)股份有限公司,北京 101149)

使用露頭巖心研究部分水解聚丙烯酰胺溶液通過(guò)巖心后,在不同時(shí)間的產(chǎn)出液黏度變化及聚合物溶液通過(guò)巖心時(shí)的壓差。研究結(jié)果表明,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),聚合物通過(guò)巖心后的液體黏度逐漸增大,并最終趨于穩(wěn)定。低滲巖心的阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高滲巖心,且?guī)r心滲透率稍有下降,壓差快速增加。設(shè)計(jì)聚合物驅(qū)方案時(shí),應(yīng)考慮巖心中聚合物溶液有效黏度的漸變規(guī)律,且要謹(jǐn)慎確定聚合物驅(qū)油藏滲透率下限。

水解聚丙烯酰胺;聚合物驅(qū);產(chǎn)出液黏度;滲透率;流變性;露頭巖心

引 言

20世紀(jì)末期開(kāi)始,聚合物驅(qū)技術(shù)在中國(guó)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用[1],目前已成為中國(guó)主要的三次采油方法之一。為了指導(dǎo)實(shí)踐,人們對(duì)聚合物驅(qū)進(jìn)行了廣泛研究,涉及到聚合物驅(qū)技術(shù)的諸多方面(黏彈性、相對(duì)分子質(zhì)量[2-3]、質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4]、注入速度[5]和殘留聚合物[6]等)。聚合物溶液在巖心中的黏度對(duì)聚合物驅(qū)效果起關(guān)鍵作用,對(duì)聚合物驅(qū)油藏?cái)?shù)值模擬和聚合物驅(qū)方案影響較大。因此,研究聚合物溶液通過(guò)巖心后的黏度變化規(guī)律具有現(xiàn)實(shí)意義。針對(duì)聚合物驅(qū)技術(shù)的油藏物性篩選標(biāo)準(zhǔn),王克亮等人[7]提出油藏滲透率宜大于 20×10-3μm2,而楊承志等人[8]認(rèn)為油藏滲透率宜大于 50×10-3μm2。針對(duì)上述問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)研究了聚合物溶液通過(guò)巖心前后的黏度和壓差變化情況,為聚合物驅(qū)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)提供借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

(1)天然露頭巖心由西南石油大學(xué)提供,空氣滲透率為 41×10-3～1 080×10-3μm2,孔隙度為15.6%～23.6%,巖心物性見(jiàn)表 1。

表 1 實(shí)驗(yàn)用巖心物性

(2)鹽水。為減少巖心中的黏土影響,使用氯化鉀作為配制鹽水的無(wú)機(jī)鹽。氯化鉀為分析純,由北京化學(xué)試劑公司生產(chǎn)。

(3)聚合物及溶液。使用山東東營(yíng)光正生產(chǎn)的部分水解聚內(nèi)烯酰胺 (NP-3010),相對(duì)分子質(zhì)量為 2×107,固含量為 90%,水解度為 23%。配制聚合物溶液時(shí),氯化鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10 000 mg/L,聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1 000 mg/L,溶液配制后老化 10～12 h。利用 HAAKE RS-600型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量聚合物溶液黏度。測(cè)試發(fā)現(xiàn),對(duì)于聚合物 NP-3010,剪切速率大于等于 50 s-1時(shí)溶液黏度趨于穩(wěn)定,故采用剪切速率為 50 s-1測(cè)量聚合物溶液黏度。聚合物溶液過(guò)巖心前黏度為 28.5 mPa·s。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)使用自來(lái)水沖洗巖心,在 105℃下烘干至恒重,放入干燥器中冷卻。

(2)測(cè)量巖心的氣相滲透率后,對(duì)巖心抽真空,然后飽和鹽水 (20 000 mg/L)。將巖心置于鹽水中浸泡 7～10 d,達(dá)到離子平衡。稱量巖心飽和鹽水后的濕重,根據(jù)飽和鹽水前后巖心質(zhì)量差求取巖心孔隙度。

(3)將飽和鹽水巖心裝入巖心夾持器 (夾持器水平放置),施加一定圍壓,圍壓大于巖心入口壓力 1～2MPa,使用 ISCO 260D泵以恒定流量0.5 mL/min向巖心中注入聚合物溶液。

(4)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后,從巖心夾持器出口取樣,每次取樣 15 mL,連續(xù)取 6～7次,巖心兩端壓差基本達(dá)到穩(wěn)定時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

(5)在常溫常壓和 50 s-1剪切速率條件下,測(cè)量通過(guò)巖心后的聚合物溶液黏度。

3 實(shí)驗(yàn)分析與討論

3.1 聚合物產(chǎn)出溶液視黏度變化規(guī)律

3.1.1 段塞與黏度關(guān)系

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),同一巖心產(chǎn)出液黏度均隨段塞數(shù)增加而增大,即產(chǎn)出液黏度隨驅(qū)替時(shí)間延長(zhǎng)而增加,增速變慢直至穩(wěn)定。在聚合物溶液驅(qū)替過(guò)程中,巖心中驅(qū)替溶液的黏度并非恒定,而是處于漸變過(guò)程。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)出聚合物溶液段塞的穩(wěn)定視黏度(即最大視黏度)約為聚合物溶液通過(guò)巖心前視黏度的 14%～30%,可見(jiàn)聚合物經(jīng)過(guò)巖心后黏度損失很大。

3.1.2 巖心長(zhǎng)度與黏度關(guān)系

當(dāng)聚合物溶液通過(guò) 2塊相近滲透率巖心組合的長(zhǎng)巖心時(shí),發(fā)現(xiàn)產(chǎn)出液黏度與短巖心情況相近。說(shuō)明聚合物溶液在巖心中的黏度受巖心長(zhǎng)度影響小。

3.1.3 巖心滲透率與黏度關(guān)系

按照不同流出段塞,繪制產(chǎn)出聚合物溶液視黏度與巖心滲透率的關(guān)系曲線 (圖 1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在相同段塞數(shù)條件下,巖心滲透率越大,產(chǎn)出液黏度越大,產(chǎn)出液黏度增速漸緩。

圖 1 產(chǎn)出液視黏度與巖心滲透率關(guān)系

3.2 產(chǎn)出液黏度變化機(jī)理分析

3.2.1 剪切作用

與鹽水在巖心孔隙中流動(dòng)相比,聚合物溶液在巖心孔隙中的水動(dòng)力學(xué)半徑大大減小。注入早期由于聚合物溶液黏度大,相應(yīng)拖拽力和慣性力大,剪切作用強(qiáng)烈。聚合物與孔隙、孔隙表面的黏土礦物或者膠結(jié)物發(fā)生剪切作用,原始聚合物的長(zhǎng)分子鏈被剪斷、黏土礦物或者膠結(jié)物中阻礙液體流動(dòng)的部分被破壞且發(fā)生運(yùn)移,使孔隙表面有變光滑的趨勢(shì),聚合物分子鏈斷裂降解為中、低分子質(zhì)量聚合物。

注入早期剪切作用強(qiáng),流出液體中聚合物平均分子質(zhì)量偏小;中后期隨著聚合物溶液不斷進(jìn)入,剪切作用變?nèi)跚亿呌诜€(wěn)定,流出液體中聚合物平均分子質(zhì)量逐漸變大,使產(chǎn)出液黏度出現(xiàn)由小到大的變化過(guò)程。

3.2.2 聚合物滯留和吸附

當(dāng)聚合物滯留和吸附達(dá)到穩(wěn)定時(shí),注入聚合物經(jīng)剪切后基本全部被驅(qū)出,平均分子質(zhì)量逐漸增大,產(chǎn)出液黏度逐漸增加并趨于穩(wěn)定,相應(yīng)巖心兩端壓差也趨于穩(wěn)定。

3.2.3 巖心滲透率

巖心滲透率越大,孔喉半徑相應(yīng)增大,滲流阻力減小,聚合物在巖心中受到的剪切作用變?nèi)?滯留也相應(yīng)減少。隨著驅(qū)替時(shí)間延長(zhǎng),流出液體黏度增加。

3.2.4 鹽水作用

驅(qū)替早期,尤其是第一段塞,由于巖心中的鹽水被大量驅(qū)出,且剪切作用強(qiáng)導(dǎo)致流出液體中聚合物分子質(zhì)量小,流出液體黏度小。中后期鹽水基本被驅(qū)出,對(duì)產(chǎn)出液黏度基本無(wú)影響。

3.3 壓差與巖心滲透率關(guān)系

聚合物溶液在恒定流速下通過(guò)不同巖心,巖心兩端壓差隨注入孔隙體積的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖 2。實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于每一塊巖心,壓差隨著注入孔隙體積的增加而增大,即壓差隨著驅(qū)替時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,但是增速逐漸變慢,最后趨于穩(wěn)定,變化趨勢(shì)與產(chǎn)出液黏度的變化趨勢(shì)一致。巖心滲透率越小,壓差增加速度越快,趨于穩(wěn)定的所需孔隙體積倍數(shù)越大,且相同注入孔隙體積下壓差差距越大。該現(xiàn)象可解釋為聚合物溶液進(jìn)入巖心后,由于非均質(zhì)的影響,聚合物溶液首先進(jìn)入滲流阻力小的較大的連通孔隙。由于聚合物溶液黏度比鹽水黏度大得多,隨著聚合物溶液不斷進(jìn)入巖心,滲流阻力迅速增大,壓差增大,聚合物溶液進(jìn)入其他較小連通孔隙中,壓差進(jìn)一步增大。直至聚合物溶液流出巖心后,巖心兩端壓差的增加速度才逐漸減緩。

從圖 2可見(jiàn),在壓差基本穩(wěn)定時(shí),巖心 43與巖心 2壓差數(shù)值相差約 2 MPa,巖心 20與巖心 2的壓差數(shù)值也相差約 2 MPa。巖心 2對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定壓差約為 5.7 MPa;而巖心 20對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定壓差約為3.6 MPa;巖心 69對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定壓差約為 2.0 MPa。數(shù)據(jù)證實(shí)了低滲巖心在聚合物驅(qū)時(shí)需要的外力比中高滲巖心大?？紤]注入速度的限制和不同滲透率油層的地質(zhì)條件等因素,推薦使用高分子質(zhì)量聚合物時(shí),油層滲透率下限需提高,否則聚合物溶液無(wú)法進(jìn)入低滲油層,即使進(jìn)入也會(huì)因有效黏度小而無(wú)法達(dá)到緩解層間矛盾的目的。

圖 2 注入聚合物溶液時(shí)巖心兩端壓差與巖心滲透率的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1)聚合物溶液通過(guò)巖心后,在不同時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)出液黏度存在一定差異,表現(xiàn)為產(chǎn)出液黏度由小到大變化且逐漸趨于穩(wěn)定,在設(shè)計(jì)聚合物驅(qū)方案和進(jìn)行聚合物驅(qū)油藏?cái)?shù)值模擬時(shí)應(yīng)考慮這個(gè)變化規(guī)律。

(2)隨著巖心滲透率的降低,聚合物溶液通過(guò)巖心時(shí)壓差迅速增大,低滲巖心的壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高滲巖心。確定聚合物驅(qū)油藏滲透率下限時(shí),要根據(jù)具體油藏地質(zhì)條件和注入速度限制選取合適的聚合物。

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編輯 周丹妮

TE622.2

A

1006-6535(2010)05-0093-03

20100326;改回日期:20100528

中海油田服務(wù)股份有限公司科技攻關(guān)項(xiàng)目“渤海稠油油田聚合物驅(qū)相關(guān)技術(shù)研究”(JSKF2008YJ06)

彭昱強(qiáng) (1975-),男,工程師,2009年畢業(yè)于中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院油氣田開(kāi)發(fā)專業(yè)并獲博士學(xué)位,現(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué) (北京)博士后,從事油藏工程和提高采收率研究與應(yīng)用工作。