渤海油田殘留聚合物再利用新型調(diào)驅(qū)劑

姜維東,張 健,戴彩麗,楊 帥,魏子揚

(1.中國海洋石油有限公司 開發(fā)生產(chǎn)部,北京 100010; 2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100027; 3.中海油研究總院,北京 100027; 4.中國石油大學(xué)(華東),山東 青島 266588)

渤海油田殘留聚合物再利用新型調(diào)驅(qū)劑

姜維東1,2,張 健2,3,戴彩麗4,楊 帥4,魏子揚4

(1.中國海洋石油有限公司 開發(fā)生產(chǎn)部,北京 100010; 2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100027; 3.中海油研究總院,北京 100027; 4.中國石油大學(xué)(華東),山東 青島 266588)

針對渤海油田聚合物驅(qū)后油井含水率上升快,地層殘留大量聚合物隨采出液無效采出的問題,通過實驗,研制一種適合渤海油田的殘留聚合物再利用新型調(diào)驅(qū)劑,利用地層殘留的聚合物形成絮凝體封堵高滲透層,控制含水上升速度和擴(kuò)大流體波及體積.結(jié)果表明:再利用調(diào)驅(qū)劑淀粉改性型陽離子聚合物ZRS與低質(zhì)量濃度、低相對分子質(zhì)量的殘留聚合物,通過 “靜電締合”和“吸附架橋”作用形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),封堵優(yōu)勢通道,提高流動阻力;ZRS具有較好的注入性,剪切后黏度保留率可達(dá)90%以上,60 d后對巖心的封堵率保持為94%,實驗采收率較聚合物驅(qū)后續(xù)水驅(qū)增加10.6%.

渤海油田;殘留聚合物;新型調(diào)驅(qū)劑;淀粉改性型陽離子聚合物;絮狀體系

0 引言

目前,渤海油田進(jìn)行聚合物驅(qū)的礦場試驗,已取得較明顯增油降水效果[1-3].渤海油田具有高孔高滲、非均質(zhì)強(qiáng)、儲層結(jié)構(gòu)疏松、易出砂和地層水礦化度高等特點.經(jīng)過長期注聚開發(fā),很多注聚受效油井現(xiàn)已出現(xiàn)含水率上升較快、產(chǎn)聚質(zhì)量濃度較高的嚴(yán)重問題,隨著油田進(jìn)入中高含水開發(fā)階段,油井過量產(chǎn)水嚴(yán)重影響油藏開發(fā)效果.同時,聚合物驅(qū)后約50%的注入聚合物以溶解、吸附和捕集3種方式殘留在地層中[4-5].這些殘留聚合物可被絮凝形成絮凝體,封堵高滲透層、改善吸液剖面,進(jìn)一步提高聚合物驅(qū)后水驅(qū)采收率,達(dá)到深部調(diào)驅(qū)的目的,而且再利用調(diào)驅(qū)劑與地層中殘留聚合物發(fā)生絮凝反應(yīng),可減小后期處理產(chǎn)出液中聚合物處理的影響.

近年來,聚合物驅(qū)后進(jìn)一步提高采收率的方法研究主要是關(guān)于聚合物凍膠[6]、二元復(fù)合驅(qū)[7-9]、凍膠泡沫[10-11]、高質(zhì)量濃度聚合物驅(qū)[12]和再利用調(diào)驅(qū)等方面,但只有再利用調(diào)驅(qū)技術(shù)能夠充分利用地層優(yōu)勢通道中殘留聚合物降低海上聚合物的大量產(chǎn)出.目前,地層殘留聚合物再利用技術(shù)和應(yīng)用主要集中在無機(jī)絮凝劑穩(wěn)定化鈉土和金屬交聯(lián)劑方面,但結(jié)合渤海稠油油田高效開發(fā)特點,穩(wěn)定化鈉土和金屬交聯(lián)劑不能滿足技術(shù)需求.因此,筆者針對油田實際條件和聚合物性質(zhì)[13],開展一種適用于渤海油田注聚區(qū)的殘留聚合物再利用調(diào)驅(qū)劑實驗,為渤海油田地層殘留聚合物再利用調(diào)驅(qū)技術(shù)決策提供依據(jù).

1 實驗材料

(1)藥劑.聚合物為法國SNF公司生產(chǎn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88%,相對分子質(zhì)量為2 200×104,水解度為24.25%;再利用調(diào)驅(qū)劑為淀粉改性型陽離子聚合物ZRS,相對分子質(zhì)量為200×104.

(2)油.將脫水原油和煤油以一定比例混合配制模擬油,黏度在57℃溫度條件下為17 mPa·s.

(3)水.渤海某油田注入水(總礦化度為2 902.22 mg/L,其中Ca2++Mg2+,Na++K+,SO2-4,HCO-3,Cl-分別為30.61,950.89,43.62,924.45,845.52 mg/L).

(4)巖心.人造柱狀巖心(φ2.5 cm×10.0 cm),氣測滲透率為1 500×10-3μm2,孔隙度為28%～30%.人造三層非均質(zhì)巖心(φ4.5 cm×φ4.5 cm×30.0 cm),高滲透層氣測滲透率為2 250×10-3μm2,中滲透層氣測滲透率為1 500×10-3μm2,低滲透層氣測滲透率為750×10-3μm2,巖心非均質(zhì)變異因數(shù)為0.68,各層厚度均為1.5 cm.

2 配方優(yōu)選

配制質(zhì)量濃度為5 g/L聚合物母液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的改性淀粉型陽離子聚合物ZRS母液,稀釋后預(yù)剪切.加入適量NaOH使聚合物溶液水解,得到實驗用聚合物溶液(32.75%～33.5%,特性黏數(shù)范圍為1 118.50～1 289.35 cm3/g).將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的ZRS溶液分別加入到不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液中,觀察絮凝反應(yīng)并記錄不同體系絮凝沉淀.同時,將混合液離心處理(2 000 r/min,10 min),測定離心后上層液黏度,結(jié)果見表1.

表1 絮凝實驗結(jié)果Table 1 The results of flocculation experiment

由表1可知,聚合物質(zhì)量濃度越高,形成的絮狀沉淀強(qiáng)度越大,界面越清晰;相同聚合物質(zhì)量濃度條件下,隨著ZRS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,沉淀出現(xiàn)松散渾濁現(xiàn)象,絮凝沉淀與溶液界面不明顯.離心后黏度測定可知,隨著ZRS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,調(diào)驅(qū)劑黏度逐漸降低,直至接近模擬水的黏度.因此,ZRS溶液與地層中殘留聚合物存在一個完全反應(yīng)時的陰陽離子最佳質(zhì)量比,即地層中殘留聚合物質(zhì)量濃度為200～1 200 mg/L、ZRS體積為聚合物體積的1/2時,兩者完全反應(yīng)所需陰陽離子質(zhì)量比為1∶20,ZRS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～2.4%.綜合考慮成本因素,ZRS質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為0.8%～2.0%.

3 絮凝體微觀形貌

聚合物驅(qū)后,陰離子聚合物在巖石表面的吸附量大小不同,因此,在巖心孔喉中,陰離子聚合物的電荷密度不同.把陽離子聚合物作為一種絮凝劑,吸附在巖石顆粒物表面有“環(huán)”、“尾”、“臥”3種形態(tài),具有高電荷密度的高分子絮凝劑的吸附趨向于平的“臥”型,而具有低電荷密度的高分子絮凝劑的吸附是“環(huán)”和“尾”型[14].

3.1 在溶液中

聚合物質(zhì)量濃度為1 g/L和ZRS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%再利用調(diào)驅(qū)劑反應(yīng)結(jié)果見圖1.反應(yīng)后絮凝體的微觀結(jié)構(gòu)見圖2.

由圖2可知,陰陽離子聚合物混合后,形成的絮凝體在鹽水溶液中能形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),多呈現(xiàn)“片狀”、“云朵狀”和“粒狀”,直徑為0.5～50.0μm.

為了更清晰觀測絮凝體的微觀結(jié)構(gòu),將圖2(a)局部放大到35 000倍得圖2(b).由圖2(b)可知,在溶液中陽離子聚合物和陰離子聚合物形成的絮凝體的強(qiáng)度很大,呈現(xiàn)不規(guī)則的線性結(jié)構(gòu),同時多層絮凝交叉疊加.這表明ZRS在水中很容易解離,形成含有陽離子基團(tuán)的聚合物溶液,陽離子基團(tuán)主要是通過“吸附-中和”作用,與砂巖表面吸附的聚合物和孔隙中溶解的聚合物表面陰離子基團(tuán)結(jié)合在一起,形成較為致密的絮凝沉淀.由于陰、陽離子聚合物可參與反應(yīng)的基團(tuán)很多,一個陽離子聚合物可與多個陰離子聚合物反應(yīng),一個陰離子聚合物也可與多個陽離子聚合物反應(yīng),因此形成體積大和強(qiáng)度高的絮狀沉淀.在圖2(b)中,“片狀”的絮凝體中間存在“空洞”,同時,絮凝體呈現(xiàn)較緊密、較光滑的結(jié)構(gòu)形態(tài),與單純的陰、陽離子聚合物溶液的相貌不同.因此,這些具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的絮凝體是2種聚合物溶液混合后產(chǎn)生的,較高的致密程度和骨架強(qiáng)度產(chǎn)生較強(qiáng)封堵作用.

圖1 陰陽離子聚合物溶液和絮凝體Fig.1 Cationic and anionic polymer solution and formed flocculating substance

圖2 絮凝體在溶液中的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Micro morphology of flocculating in solution

3.2 在孔隙介質(zhì)中

在滲透率為1.0μm2的巖心中注入0.5 PV(PV為注入孔隙體積倍數(shù))的聚合物溶液加0.5 PV的ZRS溶液,將巖心迅速取出置于裝有液氮的保溫杯中,冷凍24 h.再將巖心放在冷凍干燥劑中抽真空凍干超過24 h.將巖心夾斷,取巖心中間部分的巖樣,固定噴金,置于掃描電子顯微鏡下觀測.

陰離子聚合物在孔隙介質(zhì)中的微觀結(jié)構(gòu)見圖3,注入陽離子聚合物后形成的絮凝體微觀結(jié)構(gòu)見圖4,放大后的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)見圖5.

由圖3(a)和圖3(b)可知,陰離子聚合物在巖心中有較大的滯留量,質(zhì)量濃度較高,聚合物多以成片附著在巖石表面,基本看不到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),同時將倍數(shù)放大至2 000倍;由圖3(b)可知,巖石表面吸附大量的陰離子聚合物,表面帶負(fù)電,為后續(xù)注入陽離子聚合物溶液相遇后發(fā)生絮凝作用提供條件.

圖3 陰離子聚合物在孔隙介質(zhì)中的微觀結(jié)構(gòu)Fig.3 Micro morphology of anionic polymer in porous media

圖4 絮凝體在孔隙介質(zhì)中的微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Micro morphology of flocculating in porous media

由圖4(a)可知,帶相反電性的陽離子聚合物與陰離子聚合物在孔隙中或者巖心表面相遇后,在電荷密度比較大的區(qū)域(圖4(a)紅色區(qū))發(fā)生強(qiáng)烈的“電性—中和”作用.這是由于巖心顆粒表面的電荷密度大的區(qū)域,陰離子聚合物分子聚集在一起,呈“圓球”或者“橢球”狀,陽離子聚合物分子以“臥”型方式發(fā)生吸附和電性中和.同時,在電荷密度比較小的區(qū)域(圖4(b)紅色區(qū))發(fā)生“靜電締合”和“吸附架橋”作用,陽離子聚合物分子在巖心中的吸附大多是“環(huán)”和“尾”型,這種作用使每個陽離子聚合物分子可以與多個陰離子聚合物分子或者“帶負(fù)電”的巖心顆粒結(jié)合,而一些“帶負(fù)電”顆粒可以同時與不同的陽離子聚合物分子結(jié)合,形成架橋作用,呈現(xiàn)空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).

為了更清楚觀察絮凝體的微觀結(jié)構(gòu),將圖4(b)紅色圓圈區(qū)放大,得到圖片(見圖5).由圖5可知,在絮凝過程中,陽離子聚合物分子在巖心中的吸附大多是“環(huán)”和“尾”型,這種作用使每個陽離子聚合物分子可以與多個陰離子聚合物分子或者“帶負(fù)電”的巖心顆粒結(jié)合,而一些“帶負(fù)電”的巖石顆?？梢酝瑫r與不同的陽離子聚合物分子結(jié)合,形成架橋作用,從而在孔隙介質(zhì)中絮凝體呈現(xiàn)比較規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并且其網(wǎng)絡(luò)致密、規(guī)模大、連續(xù),骨架的強(qiáng)度比較高,從而封堵大孔道.

圖5 絮凝體在孔隙介質(zhì)中的微觀結(jié)構(gòu)(300倍)Fig.5 Micro morphology of flocculating in porous media(300 multiple)

4 性能評價

4.1 抗剪切能力

在室溫下,配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%ZRS母液,分別稀釋成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%、1.0%、1.5%、2.0%的溶液配方,用Warning攪拌器剪切,測其黏度變化,結(jié)果見表2.由表2可知,4種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的再利用調(diào)驅(qū)劑溶液的黏度有不同程度降低,但黏度保留率在93%以上,ZRS溶液有較好的抗剪切性.

表2 剪切作用對再利用調(diào)驅(qū)劑溶液黏度的影響Table 2 The effect of shearing action on viscosity of residual polymer recycling oil-displacement agent

4.2 注入性能

采用多孔測壓滲流裝置測定ZRS的注入性能,裝置見圖6,其中測壓填砂管為φ2.5 cm×100 cm,滲透率為2.5μm2.以1 m L/min注入速度注入0.30 PV(800 mg/L聚合物)+0.05 PV(地層水)+0.50 PV(1.0%ZRS),記錄各測壓口的壓力隨著注入孔隙體積倍數(shù)的變化關(guān)系,結(jié)果見圖7.由圖7可知,注入ZRS溶液后,注入壓力逐漸增加,當(dāng)注入0.50 PV時,壓力最大為0.095 MPa,說明ZRS溶液注入后與地層殘留聚合物發(fā)生絮凝反應(yīng),但能夠保證良好的注入能力.

圖6 多孔測壓滲流裝置Fig.6 The porous manometry seepage device

圖7 不同流體注入孔隙體積倍數(shù)時測壓點的注入壓力變化曲線Fig.7 The relationship between manometry point pressure and injection fluid pore volume ratio

4.3 封堵能力

根據(jù)殘余阻力因數(shù)FRR和封堵率E,評價ZRS與地層殘留聚合物相互作用對地層封堵能力,結(jié)果見表3.由表3可知,單獨注入ZRS溶液,地層殘余阻力因數(shù)和封堵率較小,說明封堵性能較差;當(dāng)注入聚合物溶液后,再注入ZRS溶液,地層殘余阻力因數(shù)和封堵率逐漸增大,并且隨著聚合物質(zhì)量濃度增加,殘余阻力因數(shù)和封堵率最終可達(dá)35.54%和97.18%,封堵性能較好.

4.4 熱穩(wěn)定性

在57℃溫度下,800 mg/L聚合物+1%ZRS體系放置60 d,考察封堵率隨時間的變化關(guān)系,結(jié)果見圖8.由圖8可知,填砂管巖心注入再利用調(diào)驅(qū)劑ZRS后放置60 d后的封堵率在94%左右,因此有很好的長期熱穩(wěn)定性能.

4.5 驅(qū)油實驗

實驗步驟:(1)取巖心1號,抽真空飽和水,記錄孔隙體積、巖心飽和油,并在地層條件下老化72 h;(2)水驅(qū)至產(chǎn)出液中含水率達(dá)到70%;(3)注入0.30 PV聚合物溶液;(4)水驅(qū)至產(chǎn)出液中含水率達(dá)到95%,計算采收率E1;(5)取巖心2號,重復(fù)步驟(1)～(4);(6)過頂替0.05 PV的水段塞,注入0.30 PV的再利用調(diào)驅(qū)劑溶液;(7)轉(zhuǎn)注水,水驅(qū)至產(chǎn)出液中含水率達(dá)到95%,計算采收率E2.聚合物驅(qū)和再利用劑驅(qū)采收率、含水率和注入壓力與注入孔隙體積倍數(shù)的變化實驗結(jié)果分別見圖9和圖10.

表3 再利用調(diào)驅(qū)劑質(zhì)量濃度對封堵能力的影響Table 3 The effect of mass concentration of ZRSon sealing ability

由圖9和圖10可知,1號巖心注入聚合物后轉(zhuǎn)注水驅(qū)后,含水率上升較快,當(dāng)含水率達(dá)到95%時,采收率約為50.93%;2號巖心聚合物驅(qū)后注入再利用調(diào)驅(qū)劑ZRS,當(dāng)含水率達(dá)到95%時,采收率達(dá)到61.53%,比聚合物驅(qū)時采收率增加10.60%.再利用調(diào)驅(qū)劑與聚合物通過絮凝作用產(chǎn)生絮凝沉淀,控制聚合物驅(qū)產(chǎn)生的高滲通道,對后續(xù)注入水起到液流轉(zhuǎn)向作用,啟動中低滲透層的原油,同時地層殘留聚合物得到有效再利用,采收率增加.

圖8 封堵率隨時間變化曲線Fig.8 The plugging degree changed with time

圖9 聚合物驅(qū)采收率、含水率和注入壓力與注入孔隙體積倍數(shù)的變化曲線Fig.9 The degree of reservoir recovery and water-cut changed with injection pore volume of polymer flooding

圖10 再利用調(diào)驅(qū)劑驅(qū)采收率、含水率和注入壓力與注入孔隙體積倍數(shù)的變化曲線Fig.10 The degree of reservoir recovery and water cut changed with injection pore volume of recycling agent flooding

5 結(jié)論

(1)優(yōu)選有機(jī)再利用調(diào)驅(qū)劑——淀粉改性型陽離子聚合物ZRS,能與低質(zhì)量濃度、低相對分子質(zhì)量、高水解度的殘留聚合物形成體積大、強(qiáng)度高的絮狀體,優(yōu)選最佳注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～2.0%.

(2)陰、陽離子聚合物通過“電性—中和”和“吸附架橋”形成絮凝體,ZRS的注入性較好,剪切后黏度保留率可達(dá)93%,巖心流動實驗殘余阻力因數(shù)可達(dá)35.54,60 d后對地層巖心的封堵率保持為94%,封堵性能較好.

(3)聚合物驅(qū)后注入再利用調(diào)驅(qū)劑ZRS后,含水率達(dá)到95%時,采收率達(dá)到61.53%,采收率較聚合物驅(qū)后續(xù)水驅(qū)增加10.60%,可起到較好的殘留聚合物再利用效果.

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TE348

A

2095- 4107(2014)01- 0069- 07

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.01.010

2013- 10- 09;編輯:關(guān)開澄

國家科技重大專項(2011ZX05024-004-06)

姜維東(1980-),男,博士,主要從事海上油田采油工藝技術(shù)方面的研究.