埕島油田凍膠調(diào)剖劑過濾砂管和填砂管綜合剪切性能評(píng)價(jià)

龔俊 葉俊紅 秦永輝 李勇 安繼彬 周洪濤

1. 勝利油田公司海洋采油廠；2. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院

埕島油田位于渤海灣南部極淺海海域，試驗(yàn)區(qū)位于埕島油田主體油藏的中部。油藏溫度60～90 ℃，地下原油黏度為41 mPa · s，地層水為NaHCO3型，平均礦化度為4 755 mg/L。該區(qū)屬于高孔高滲常規(guī)稠油巖性構(gòu)造層狀油藏，油水關(guān)系比較復(fù)雜［1-2］。自1995年投入開發(fā)，注水開發(fā)過程中，受環(huán)境、鉆采和海上工程施工能力等條件限制，產(chǎn)能建設(shè)時(shí)間長，注采比較低，對(duì)開發(fā)效果產(chǎn)生很大影響。另外，隨著開發(fā)的進(jìn)行，油井陸續(xù)水淹，含水上升速度快，直接影響到油田的最終開發(fā)效果。目前，開發(fā)過程中存在的主要問題為：(1)采油速度低，為0.9%，平臺(tái)壽命期內(nèi)采出程度低；(2)層間和平面矛盾突出，層間干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，水井吸水不均勻，水驅(qū)控制程度低(靜態(tài)水驅(qū)控制在60%，動(dòng)態(tài)控制為42%)。目前該區(qū)油井綜合含水超過80%，必須提高注水開發(fā)效果以提高經(jīng)濟(jì)效益，調(diào)剖是切實(shí)可行的技術(shù)措施［3-5］。

埕島油田位于淺海海域，屬河流相砂巖油藏，縱向?qū)佣?、層薄，平面上砂體橫向變化大［6］。采用有機(jī)鉻凍膠作為改善吸水剖面的調(diào)剖劑，但海上平臺(tái)的大部分井都采用防砂管柱，濾砂管的存在會(huì)對(duì)凍膠調(diào)剖體系造成一定的剪切，使得體系黏度下降，影響凍膠的成膠性能，從而影響調(diào)剖效果。

田玉芹等［7］模擬濾砂管對(duì)化學(xué)驅(qū)用聚合物的剪切，考察了不同類型的濾砂管對(duì)聚合物的剪切效果。對(duì)于凍膠剪切穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)，翁蕊等［8］通過攪拌剪切和巖心剪切考察了剪切對(duì)低濃度聚合物凍膠的成膠行為影響，史勝龍等［9］則通過攪拌剪切和振蕩剪切研究凍膠的動(dòng)態(tài)成膠效果，而對(duì)于凍膠過濾砂管及填砂管雙重剪切后的研究卻較少。因此，自制了一套室內(nèi)濾砂管剪切性能評(píng)價(jià)裝置，模擬海上注入流程，研究凍膠注入過程中濾砂管及填砂管的雙重剪切作用的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

部分水解聚丙烯酰胺：915#-HPAM，工業(yè)品，分子量(1 000～1 500)萬，固含量＞90%，水解度5%；有機(jī)鉻交聯(lián)劑，自制；添加劑：亞硫酸鈉，分析純；埕島油田平臺(tái)回注水，如表1所示。

表1 埕島油田11N平臺(tái)回注水水質(zhì)分析Table 1 Analysis on the water quality of the injected water of 11N platform in the Chengdao Oilfield

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器

自制濾砂管剪切性能評(píng)價(jià)裝置如圖1所示，取樣口b流出液繼續(xù)經(jīng)過填砂管剪切。濾砂管裝置主要由配液箱(內(nèi)有電動(dòng)攪拌器)、齒輪泵(通過變頻器調(diào)節(jié)排量)、流量調(diào)節(jié)閥(細(xì)調(diào)排量)、流量計(jì)、濾砂管(模擬濾網(wǎng)部分長0.3 m)、儲(chǔ)液箱等部分組成。為考察凍膠的剪切穩(wěn)定性，在濾砂管兩端分別設(shè)置取樣口a、b，濾砂管裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2、3所示。其他儀器：DV-3T旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，Brookfield；電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，上海安亭科學(xué)儀器有限公司；GL-802A微型臺(tái)式真空泵，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；高溫高壓流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，海安石油有限公司。

圖1 濾砂管剪切性能評(píng)價(jià)裝置Fig. 1 Device for evaluating the shear performance of sand-screening pipe

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)在配液箱中以埕島油田回注水溶解915#-HPAM至形成均一溶液，加入一定量的交聯(lián)劑和添加劑，攪拌均勻得凍膠基液。

(2)調(diào)節(jié)變頻器和流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)相應(yīng)流量，并從a、b取樣口依次取樣，用DV-3T旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定剪切前后凍膠基液的黏度；

(3)將測(cè)量黏度后的溶液分別裝入安瓿瓶，用酒精噴燈密封后放入70 ℃烘箱，記錄放入時(shí)間并定時(shí)觀察凍膠的成膠情況；

(4)采用Sydansk提出的強(qiáng)度代碼GSC法測(cè)定成膠時(shí)間［4］，采用“黏度定量突破真空度法”［10］測(cè)定成膠后凍膠強(qiáng)度。

(5)取經(jīng)過濾砂管剪切后的凍膠基液，進(jìn)一步過填砂巖心(60 cm×5 cm)，考察填砂管剪切后凍膠基液的黏度保留率、凍膠的成膠效果及封堵效果。

圖2 濾砂管橫切面圖Fig. 2 Cross section of sand-screening pipe

圖3 濾砂管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(篩網(wǎng)孔徑為170～190目)Fig. 3 Internal structure of sand-screening pipe(screen mesh 170-190)

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬排量確定

埕島油田注水井井身結(jié)構(gòu)中的每段濾砂管一般長10～15 m，需要接入3～5根長為3 m的濾砂管柱，每根管柱實(shí)際含濾膜部分長2.6 m，則實(shí)際每段濾砂管的濾膜部分長為7.8～13 m。埕島油田平臺(tái)注水井日注入量一般在0～500 m3/d，為了實(shí)驗(yàn)具有普遍性，選擇以100 m3/d(4.17 m3/h)為間隔、實(shí)際濾砂管根數(shù)為1～5根進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出單位濾膜長度所對(duì)應(yīng)的排量，以此計(jì)算所設(shè)計(jì)的剪切裝置(濾膜部分長0.3 m)的排量，如表2所示。

由表2可知，根據(jù)埕島油田實(shí)際單位濾膜長度的排量得到所設(shè)計(jì)的濾砂管剪切裝置的模擬排量范圍為0.10～2.40 m3/h?？紤]到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的排量調(diào)節(jié)，選擇以下9個(gè)模擬排量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.20、1.50、2.00、2.40 m3/h。

表2 不同數(shù)量濾砂管模擬排量計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation result of the simulated displacement of different quantities of sand-screening pipes

2.2 聚合物濃度對(duì)凍膠體系成膠性能的影響

凍膠基液的黏度由聚合物915#-HPAM的濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)決定，首先考察了不同聚合物濃度時(shí)，凍膠基液的黏度、成膠時(shí)間、凍膠強(qiáng)度及凍膠的穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，隨著聚合物濃度的增加，體系的黏度逐漸增加；當(dāng)聚合物濃度為0.3%～0.7%時(shí)，凍膠基液的黏度為39.4～106.3 mPa · s，均可以有效成膠，且成膠后120 d穩(wěn)定不脫水。當(dāng)聚合物濃度為0.8%時(shí)，凍膠的成膠速度過快，體系穩(wěn)定性較差，5 d即發(fā)生脫水現(xiàn)象，這是由于聚合物與交聯(lián)劑之間的過交聯(lián)引起的；當(dāng)聚合物濃度低于0.3%，體系不能成膠，這是由于低濃度的聚合物不能提供充足的配位點(diǎn)與交聯(lián)劑交聯(lián)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受阻，凍膠不能成膠。而過高濃度的聚合物由于分子間的碰撞、纏繞幾率增大，交聯(lián)配位點(diǎn)多而反應(yīng)易于進(jìn)行，成膠時(shí)間短，但由于交聯(lián)劑速度過快，交聯(lián)反應(yīng)不易控制。

2.3 濾砂管剪切對(duì)凍膠性能的影響

根據(jù)表3的結(jié)果，選取成膠穩(wěn)定性較好的聚合物濃度0.3%、0.5%、0.7%的3組凍膠體系，對(duì)其基液進(jìn)行過濾砂管剪切實(shí)驗(yàn)，考察濾砂管剪切后凍膠基液的黏度保留率及凍膠的成膠性能。

2.3.1 注入排量對(duì)凍膠基液剪切黏度保留率的影響

考察上述3組配方凍膠基液經(jīng)濾砂管剪切，在不同的注入排量剪切后凍膠基液的黏度保留率，結(jié)果如圖4所示。

圖4 注入排量對(duì)凍膠基液剪切黏度保留率的影響Fig. 4 Effect of the injection rate on the viscosity retention rate of gel base fluid after the shear

由圖4可知，隨著注入排量的增加，過濾砂管剪切后，凍膠基液的黏度保留率逐漸下降，且體系中聚合物濃度越大，過濾砂管剪切后，體系的黏度保留率越小。當(dāng)聚合物濃度為0.3%、0.5%時(shí)，剪切后體系的黏度分別為35.9 mPa · s、56.2 mPa · s，黏度保留率仍大于84%；當(dāng)聚合物濃度為0.7%時(shí)，剪切后體系的黏度為78.3 mPa · s，黏度保留率為73.7%。

2.3.2 注入排量對(duì)剪切后凍膠成膠性能的影響

聚合物濃度為0.3%、0.5%、0.7%時(shí)，凍膠基液的黏度分別為39.4 mPa · s、66.7 mPa · s、106.3 mPa · s，利用“濾砂管剪切性能評(píng)價(jià)裝置”進(jìn)行剪切，考察剪切對(duì)凍膠的成膠性能的影響。由表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)聚合物濃度為0.3%、0.5%時(shí)，隨著注入排量的增加，剪切后的凍膠基液的成膠時(shí)間稍有增加，但不影響成膠后凍膠的強(qiáng)度；當(dāng)聚合物濃度為0.7%時(shí)，剪切后凍膠的成膠時(shí)間稍有增加，成膠后凍膠的強(qiáng)度從0.08 MPa下降到0.078 MPa，下降并不明顯。這表明所選用的調(diào)剖劑配方在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用注入地層的過程中，受到濾砂管剪切影響并不明顯，且對(duì)凍膠的成膠幾乎無影響，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。

2.4 填砂管剪切對(duì)凍膠性能的影響

2.4.1 凍膠基液黏度保留率隨注入量的變化

將上述經(jīng)濾砂管剪切后的凍膠基液(聚合物濃度 0.5%)，通過不同滲透率 (高滲為 5 μm2，低滲為0.5 μm2，地層滲透率范圍為 1～5 μm2)的填砂巖心繼續(xù)剪切，模擬凍膠在地下的剪切過程，考察經(jīng)填砂管再次剪切后凍膠基液的黏度及封堵效果。由圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，低滲透率填砂巖心對(duì)凍膠的剪切黏度保留率明顯低于高滲透率填砂巖心對(duì)凍膠的剪切黏度保留率。隨著注入孔隙體積倍數(shù)的增加，凍膠經(jīng)填砂管剪切后的黏度保留率逐漸增加，當(dāng)注入凍膠基液達(dá)到2 PV時(shí)，黏度保留率達(dá)到穩(wěn)定，低滲透巖心的黏度保留率為88.1%，高滲透巖心的黏度保留率為94.3%。這是由于凍膠基液在通過填砂巖心的過程中不僅存在剪切，還有一定的吸附。當(dāng)凍膠基液達(dá)到吸附飽和后，黏度保留率達(dá)到穩(wěn)定。

表4 注入排量對(duì)剪切后凍膠基液成膠性能的影響Table 4 Effect of the injection rate on the gelling performance of gel base fluid after the shear

圖5 剪切后凍膠基液黏度隨注入量的變化Fig. 5 Variation of the viscosity of gel base fluid after the shear with the injection rate

2.4.2 凍膠成膠性能隨注入量的變化

圖6為凍膠體系成膠前后效果對(duì)比。凍膠經(jīng)填砂管剪切后的成膠性能見表5，可以看出，隨著注入量增加，剪切后凍膠的成膠時(shí)間縮短，成膠強(qiáng)度不受影響。且經(jīng)高滲透率巖心剪切后凍膠成膠時(shí)間要比經(jīng)低滲透巖心剪切后凍膠的成膠時(shí)間短，這表明高滲透巖心對(duì)凍膠的剪切作用要弱于低滲透率巖心。

圖6 剪切前后凍膠成膠效果Fig. 6 Gelling effect before and after the shear

2.4.3 凍膠封堵性能評(píng)價(jià)

聚合物濃度為0.5%的凍膠基液，首先經(jīng)濾砂管剪切，繼續(xù)經(jīng)過不同滲透率的巖心填砂管剪切，當(dāng)凍膠基液剪切后黏度保留率保持穩(wěn)定時(shí)，停止注入，70 ℃下恒溫使凍膠成膠，考察剪切后高、低滲填砂管的封堵效果。由表6可知，經(jīng)濾砂管、填砂巖心綜合剪切后，凍膠對(duì)巖心的封堵率仍大于95.0%，且對(duì)高滲透率巖心的封堵效果要好于低滲透率巖心。

表5 填砂管剪切后凍膠的成膠性能Table 5 Gelling performance of the gel after being sheared by sand pack

表6 凍膠剪切后對(duì)填砂管的封堵效果Table 6 Plugging effect of the gel on the sand pack after the shear

3 結(jié)論

(1)針對(duì)埕島海上油田凍膠調(diào)剖體系，首次系統(tǒng)模擬了海上平臺(tái)注入過程中濾砂管及地層對(duì)凍膠的剪切作用。

(2)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的排量下，凍膠體系的黏度越大，過濾砂管剪切后體系的黏度保留率越小；當(dāng)聚合物濃度為0.3%～0.5%時(shí)，剪切后黏度保留率大于84%，當(dāng)聚合物濃度為0.7%時(shí)，剪切后體系的黏度保留率為74%。

(3)所優(yōu)選的凍膠體系過濾砂管剪切后的成膠時(shí)間略有增加，但是對(duì)成膠后的強(qiáng)度影響不大。

(4)低滲透率巖心對(duì)凍膠的剪切作用要強(qiáng)于高滲透巖心的剪切，剪切后的凍膠成膠時(shí)間有所增加，但對(duì)凍膠強(qiáng)度無影響。剪切后對(duì)不同滲透率填砂管的封堵率仍大于95%。