ASP體系對耐堿砂和石英砂裂縫導流能力影響

郭　琦, 盧祥國， 彭占剛, 牛麗偉, 夏　歡

(1.東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油大慶油田 第一采油廠，黑龍江 大慶 163001；3. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司渤海石油研究院，天津300452)

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ASP體系對耐堿砂和石英砂裂縫導流能力影響

郭琦1, 盧祥國1， 彭占剛2, 牛麗偉1, 夏歡3

(1.東北石油大學 提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318； 2.中國石油大慶油田 第一采油廠，黑龍江 大慶 163001；3. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司渤海石油研究院，天津300452)

實驗研究了三元復合體系對石英砂和耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力影響。結果表明，與弱堿相比較，強堿對石英砂溶蝕作用較強，顆粒破碎率較高，填砂裂縫導流能力降低幅度較大。與石英砂相比較，堿型對耐堿樹脂砂溶蝕作用程度差異較小，對耐堿樹脂砂填砂裂縫導流能力影響程度差異不大。隨閉合壓力增加，石英砂和耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力下降，但降低幅度逐漸減小。與石英砂相比較，閉合壓力對耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力影響程度較小，裂縫導流能力較大。

三元復合體系；石英砂；耐堿樹脂砂；裂縫導流能力；實驗評價；機理分析

三元復合驅(qū)作為一種較為成熟的提高采收率技術已在大慶、勝利和新疆等油田部分區(qū)塊投入礦場試驗，增油降水效果十分顯著。但三元復合驅(qū)礦場試驗中也出現(xiàn)了諸如強堿造成儲層巖石溶蝕、結垢和聚合物滯留引起注采能力下降等問題，這給三元復合驅(qū)增油效果帶來不利影響[1-2]。與水驅(qū)油藏壓裂后裂縫中流體為油水不同，三元復合驅(qū)油藏壓裂后裂縫中為堿/聚合物/表面活性劑/油多元復合體系，ASP體系(ASP)中聚合物和石油磺酸鹽類表面活性劑對石英砂類支撐劑顆粒性能影響不大，而堿尤其是強堿NaOH對石英砂顆粒溶蝕作用較強，這給裂縫導流能力和壓裂施工效果造成了極大負面影響[3-5]。近年來，為了適應三元復合驅(qū)壓裂技術需求，一批耐堿型支撐劑陸續(xù)投入礦場施工，取得了較好增油降水效果。

水驅(qū)和聚合物驅(qū)油藏裂縫導流能力及其影響因素研究方面已有大量文獻報道[6-8]，但有關三元復合驅(qū)油藏耐堿支撐劑裂縫導流能力及其影響因素方面的研究工作還鮮見相應文獻報道。本文以油藏工程、物理化學和高分子材料學等為理論指導，以儀器分析、化學分析和物理模擬等為技術手段，以大慶薩爾圖油田油藏地質(zhì)和流體性質(zhì)為實驗平臺，開展了三元復合體系對石英砂和耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力影響實驗研究，其研究成果對礦場技術決策和參數(shù)優(yōu)化具有重要參考價值。

1　實驗部分

1.1實驗材料

聚合物為大慶煉化公司生產(chǎn)部分水解聚丙烯酰胺，相對分子質(zhì)量為1 900×104(簡稱“高分”聚合物)，固含量為88%，表面活性劑為重烷基苯石油磺酸鹽，由大慶油田東昊公司生產(chǎn)，有效質(zhì)量分數(shù)為50%。堿包括強堿和弱堿，其中強堿為NaOH溶液，有效質(zhì)量分數(shù)為30%，弱堿為Na2CO3固體，有效質(zhì)量分數(shù)99.5%。實驗用水為大慶油田采油一廠注入污水，水質(zhì)分析見表1。

表1　水質(zhì)分析

支撐劑包括石英砂和耐堿樹脂砂，其中樹脂固化劑為親水性雙酚A環(huán)氧樹脂+中溫固化潛伏型固化劑。前者由大慶油田采油一廠工程技術大隊提供，后者由大慶井下作業(yè)公司提供。實驗前對兩種支撐劑進行篩析，確保粒徑范圍在20～40目。

1.2儀器設備和實驗原理

1.2.1儀器設備采用DV-Ⅱ型布氏黏度儀測試三元復合體系黏度。采用FCES-100型導流儀評價填砂裂縫導流能力，該儀器包括API標準導流室和巖心夾持器等部件。實驗按照API操作規(guī)程進行。

1.2.2實驗原理填砂裂縫滲透率測試依據(jù)達西定律：

(1)

式中，k為填砂裂縫滲透率，μm2；Q為裂縫內(nèi)流量，mL/s；μ為流體黏度，mPa·s；L為裂縫長度，cm；A為填砂裂縫截面積，cm2；Δp為裂縫兩端壓差，kPa。

裂縫導流能力計算公式：

(2)

式中，Wf為裂縫縫寬，cm；Q為裂縫內(nèi)流量，mL/min；其它參數(shù)同式(1)。

2　結果分析

2.1堿對兩類支撐劑抗壓能力的影響

在填砂質(zhì)量濃度為10 kg/m2和閉合壓力從10 MPa逐漸增至50 MPa條件下，讓三元復合體系(CP=2 000 mg/L，CS=0.3%，CA=0.4%～1.6%)通過填砂裂縫。當注入壓力達到穩(wěn)定后，取出支撐劑，熱蒸餾水清洗、烘干、并用40目篩子進行篩析。能通過篩子顆粒為破碎顆粒，否則，為未破碎顆粒。破碎顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的百分數(shù)稱之為破碎率，兩類支撐劑破碎率計算結果見表2。

表2　支撐劑破碎率

從表2中可以看出，堿質(zhì)量分數(shù)、堿類型和支撐劑類型對破碎率存在影響。在堿質(zhì)量分數(shù)和支撐劑類型相同條件下，強堿三元體系作用后支撐劑破碎率高于弱堿三元體系的值。在堿質(zhì)量分數(shù)和堿類型相同條件下，石英砂破碎率明顯大于耐堿樹脂砂的值。無堿的情況下，兩種支撐劑的破碎率明顯小于堿性條件下的破碎率，且隨著堿質(zhì)量分數(shù)的增大，石英砂破碎率增幅在10%以內(nèi)，耐堿樹脂砂增幅在4%以內(nèi)，說明耐堿樹脂砂的抗堿蝕性較強。 隨堿質(zhì)量分數(shù)增加，兩類支撐劑顆粒受到堿溶蝕作用增強，破碎率增加，但增幅不大。原因分析表明，石英砂是脆性材料，顆粒之間是點與點接觸，在閉合壓力50 MPa時易產(chǎn)生點載荷脆性破碎；與石英砂不同，因為表面樹脂膜的存在，導致其相互間的接觸為面積接觸，顆粒受到負荷變小，破碎率較小[11]。進一步分析發(fā)現(xiàn)，強堿質(zhì)量分數(shù)對耐堿樹脂砂破碎率也存在影響，但影響程度不大。耐堿樹脂砂外表包裹樹脂為改性雙酚A環(huán)氧樹脂加中溫潛伏型固化劑固化[12]，具有優(yōu)良的耐堿性能。但在50 MPa和45 ℃條件下，強堿仍然能削弱樹脂層抗壓能力，韌性降低，進而造成破碎率增加。

2.2裂縫導流能力及其影響因素

2.2.1石英砂充填裂縫

(1) 閉合壓力的影響

在填砂質(zhì)量濃度為10 kg/m2和閉合壓力10～50 MPa條件下，三元復合體系(CP=2 000 mg/L，CS=0.3%，CA=1.2%)通過填砂裂縫后導流能力與閉合壓力關系見圖1。從圖1中可以看出，隨閉合壓力增加，裂縫導流能力下降，但降低幅度逐漸減小。這是因為，閉合壓力愈高，石英砂顆粒破碎率愈高，填砂裂縫滲透率愈低，因而裂縫導流愈低。與強堿三元復合體系相比較，弱堿三元復合體系作用下裂縫導流能力較高。這是因為，強堿對石英砂溶蝕作用較強，顆粒破碎率較大(見表2)，滲透率降低幅度較大。此外，強堿與石英砂作用后會生成硅酸鈉水溶液，它是一種礦物黏合劑，對石英砂顆粒有一定黏合作用，使得滲透率進一步減小。

圖1　裂縫導流能力與閉合壓力關系

Fig.1Relationship between fracture flow conductivity and closed pressure

(2) 堿質(zhì)量分數(shù)的影響

在閉合壓力為10～50 MPa下，讓強堿三元復合體系(CP=2 000 mg/L，CS=0.3%，CA=0.4%～1.6%)通過填砂裂縫(10 kg/m2)，裂縫導流能力與堿質(zhì)量分數(shù)關系見圖2。從圖2中可以看出，隨強堿質(zhì)量分數(shù)增加，裂縫導流能力降低，但降低幅度逐漸減小。隨閉合壓力增加，裂縫導流能力降低，但降低幅度逐漸減小。例如，當閉合壓力達到30～50 MPa時，裂縫導流能力變化逐漸趨于平緩。原因分析表明，由于裂縫中支撐劑是以大小顆?；旌戏绞脚帕校箢w粒與大顆粒相互支撐，小顆粒充填在大顆粒之間孔隙中。支撐劑破碎率隨閉合壓力升高而大幅度增加(見圖1)，此時破碎顆粒填充次大顆?？紫吨g，顆粒均勻程度增加，但抗壓能力也相應增強[9]。

圖2　裂縫導流能力與堿質(zhì)量分數(shù)關系

Fig.2Relation between diversion capacity and alkali concentration

2.2.2樹脂砂充填裂縫

(1) 閉合壓力的影響

在填砂質(zhì)量濃度為10 kg/m2和閉合壓力10～50 MPa條件下，三元復合體系(CP=2 000 mg/L，CS=0.3%，CA=1.2%)通過填砂裂縫后導流能力與閉合壓力關系見圖3。

圖3　樹脂砂填充裂縫導流能力與閉合壓力關系

Fig.3Relationship between fracture flow conductivity and closed pressure

從圖3中可以看出，與石英砂充填裂縫相似(見圖1)，隨閉合壓力增加，耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力下降，但降低幅度逐漸減小。原因分析表明，隨閉合壓力增加，耐堿樹脂砂破碎率增加，導致裂縫寬度減小，導流能力降低。但隨閉合壓力增加，部分大直徑顆粒破碎導致裂縫內(nèi)顆粒分布更加均勻，單個顆粒受力強度降低。當再增加閉合壓力時，導流能力降低幅度減小。在閉合壓力相同條件下，弱堿和強堿三元復合體系對填砂裂縫導流能力影響差異程度。這是因為在油藏溫度條件下裂縫中耐堿樹脂砂會發(fā)生固化作用，形成具有三維網(wǎng)狀結構高聚物，該物質(zhì)具有良好穩(wěn)定性[10-12]。

(2) 堿質(zhì)量分數(shù)的影響

在裂縫填砂質(zhì)量濃度為10 kg/m2和閉合壓力為10～50 MPa條件下，讓不同堿質(zhì)量分數(shù)三元復合體系通過填砂裂縫。裂縫導流能力與堿質(zhì)量分數(shù)關系見圖4。

圖4　樹脂砂填充裂縫導流能力與堿質(zhì)量分數(shù)關系

Fig.4Relation between fracture conductivity and alkali concentration

從圖4中可以看出，與石英砂充填裂縫相似(見圖2)，在堿質(zhì)量分數(shù)相同條件下，隨閉合壓力增加，耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力下降，但降低幅度逐漸減小。在閉合壓力相同條件下，隨堿質(zhì)量分數(shù)增加，裂縫導流能力降低，但降低幅度逐漸減小。

2.3兩種支撐劑作用機理分析

石英砂和耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力對比見圖5。從圖5中可以看出，在堿和閉合壓力相同條件下，耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力要遠高于石英砂充填裂縫的導流能力。隨堿質(zhì)量分數(shù)增加，耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力與石英砂充填裂縫導流能力差異呈現(xiàn)增大趨勢。分析表明，耐堿樹脂砂能保持較高導流能力原理是，在壓裂施工之后，較大樹脂層面能分散閉合壓力，使點負荷減少，即便石英砂被壓碎了，外部樹脂膜也能防止碎塊和微粒運移和形成橋堵，進而影響裂縫導流能力。

圖5　裂縫導流能力差異對比

Fig.5Comparison of the difference of fracture flow conductivity

3　結論

(1)與弱堿相比較，強堿對石英砂溶蝕作用較強，顆粒破碎率較高，填砂裂縫導流能力降低幅度較大。與石英砂相比較，堿型對耐堿樹脂砂溶蝕作用程度差異較小，因而堿型對耐堿樹脂砂填砂裂縫導流能力影響程度差異不大。

(2) 隨閉合壓力增加，石英砂和耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力下降，但降低幅度逐漸減小。與石英砂相比較，閉合壓力對耐堿樹脂砂充填裂縫導流能力影響程度較小，裂縫導流能力較大。

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(編輯王亞新)

Effect of ASP System on Alkali Sand and Quartz Sand Fracture Conductivity

Guo Qi1, Lu Xiangguo1, Peng Zhangang2, Niu Liwei1, Xia Huan3

(1.KeyLaboratoryofEnhancedOilandGasRecovery(MinistryofEducation),NortheastPetroleumUniversity,DaqingHeilongjiang163318,China; 2.The1stOilProductionFactory,DaqingOilfieldCompany,Ltd.,DaqingHeilongjiang163001,China；3.ResearchInstituteofBohaiOilfield,TianjinBranch,CNOOC,Tianjin300452，China)

Influence of ASP system on the fracture conductivity of alkali-resistance resin sands and quartz sands was studied. The results showed that compared with the weak base, the dissolution of strong base on the quartz sands was more serious. And the damage percentage of the particles was higher. Therefore the reduction of conductivity of fractures packed with sands was larger. Compared with quartz sands, there was little difference between the dissolution of weak base on the alkali-resistance resin sands and that of weak base on the alkali-resistance resin sands. So it was the same to conductivity. With the increase of closing pressure, the conductivity of quartz sands and alkali-resistance resin sands were both weakened. But the reduction degree became gradually small. Compared with quartz sands, the influence of closing pressure on the conductivity of fractures packed with alkali-resistance resin sands was weak. And the fracture conductivity capacity was stronger.

ASP system; Quartz sands; Alkali-resistance resin sands; Fracture conductivity capacity; Experiment evaluation; Mechanism analysis

1006-396X(2016)04-0057-05投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-01-05

2016-05-27

中石油大慶油田重點科技攻關課題“三元復合體系對水井注入能力影響實驗研究”(DQYT-0501002-2013-JS)。

郭琦(1990-)，男，碩士研究生，從事提高油氣采收率、油田化學方面研究，E-mail: gq6503406@qq.com。

盧祥國(1960-)，男，博士，教授，博士生導師，從事油藏工程和提高采收率研究；E-mail: luxiangg2003@yahoo.com.cn。

TE357.1

Adoi:10.3969/j.issn.1006-396X.2016.04.012