層內(nèi)生成CO2緩釋體系優(yōu)選與性能評價

鄭玉飛， 李 翔， 徐景亮， 鄭偉杰， 張 博， 于 萌

(1中海油田服務(wù)股份有限公司 2中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院·華東)

注CO2提高采收率技術(shù)具有適用性強(qiáng)、成本低和提高采收率幅度大等優(yōu)點(diǎn)，可解決CO2的封存問題，減輕溫室效應(yīng)危害[1-4]。但CO2氣體的儲集、輸送、注入及對設(shè)備腐蝕等問題限制了其應(yīng)用范圍，層內(nèi)生成CO2技術(shù)是解決上述問題的有效手段[5-6]，其核心是向地層中注入生氣劑和釋氣劑溶液，二者反應(yīng)后就地生成CO2并釋放熱量，起到增能降黏的作用，有效解除地層中的無機(jī)和有機(jī)堵塞，再輔以起泡劑等封堵體系，實(shí)現(xiàn)調(diào)剖和驅(qū)油的目的[7-8]。

目前，國內(nèi)外油田常用的層內(nèi)生成CO2體系有活性酸+碳酸(氫)鹽體系、多羥基酸氧化生氣體系、尿素+亞硝酸鹽體系和碳酸氫鹽熱分解體系等[2,9-11]，隨著應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)現(xiàn)上述層內(nèi)生成CO2體系配方仍存在諸多問題：①藥劑配方反應(yīng)速度過快，處理半徑有限；②藥劑配方反應(yīng)效率低，生氣量?。虎鬯巹┡浞匠杀据^高，不利于大規(guī)模使用[12-13]。針對上述問題，本文提出一種層內(nèi)生成CO2緩釋體系，并通過各種手段對其緩釋性能、封堵性能和提高采收率性能進(jìn)行了優(yōu)化評價。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1. 試劑與儀器

試劑：無水碳酸鈉、冰乙酸、氯化銨、氯化鈉、氯化鎂、氯化鈣，均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供；α-烯烴磺酸鹽，工業(yè)純，中海油服化學(xué)公司提供；2-甲基咪唑啉，工業(yè)純，中海油服化學(xué)公司提供；蒸餾水，實(shí)驗(yàn)室自制；石英砂；人造均質(zhì)巖心；根據(jù)某油田地層水配制的模擬注入水，其離子組成如表1所示。

表1 地層模擬水離子組成

儀器：HSS-1數(shù)字式超級恒溫浴槽、秒表、燒瓶、恒溫箱、填砂管、巖心夾持器、回壓閥、計量泵、量筒、JA2003電子天平等。

2. 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 反應(yīng)速度與生氣效率評價

用模擬地層水分別配制一定濃度的生氣劑和釋氣劑溶液，將生氣劑溶液倒入廣口燒瓶，釋氣劑溶液裝入酸式滴定管。將釋氣劑滴加到生氣劑中，同時記錄生氣體積與時間的關(guān)系，進(jìn)而得到反應(yīng)速度和生氣效率。

2.2 封堵能力測試

選取不同粒徑的石英砂填充填砂管，并用模擬地層水飽和。以1 mL/min 的速度驅(qū)替填砂管至兩端壓差Δp1穩(wěn)定，計算此時填砂管的水測滲透率Kw1；以1 mL/min 的驅(qū)替速度分四段塞交替注入生氣劑和釋氣劑，注入總量為1 PV，再后續(xù)水驅(qū)至填砂管兩端壓差Δp2穩(wěn)定，計算此時填砂管的水測滲透率Kw2，滲透率計算公式為：

(1)

式中:Q—總流量，cm3/s;μ—流體黏度，CP;L—填砂管總長度，cm;A—填砂管截面積,cm2。

封堵率計算公式為：

(2)

2.3 驅(qū)油效果評價

選取兩根滲透率不同的巖心并聯(lián)進(jìn)行驅(qū)替，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度為80℃，驅(qū)替回壓為7 MPa，巖心圍壓為10 MPa。具體實(shí)驗(yàn)步驟為：巖心抽真空稱重，飽和模擬地層水；飽和原油，老化24 h；以1 mL/min 的速度水驅(qū)巖心至含水率98%；以1 mL/min 的驅(qū)替速度分四段塞交替注入生氣劑和釋氣劑，注入總量為1 PV，再后續(xù)水驅(qū)至含水率98%時停止，分別記錄高滲巖心和低滲巖心的油水產(chǎn)量。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1. 緩釋體系配方優(yōu)化

分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸、NH4Cl、乙酸、NH4Cl與乙酸(質(zhì)量比為1∶1)復(fù)配溶液作為釋氣劑，考察80℃時與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Na2CO3溶液的反應(yīng)速度和生氣效率(見圖1)。鹽酸與碳酸鈉的反應(yīng)速度最快，乙酸的反應(yīng)時間有所延長,NH4Cl的反應(yīng)時間最長，但生氣效率最低。為有效控制反應(yīng)速度的同時保證較高的生氣效率，將NH4Cl與乙酸進(jìn)行了等比例復(fù)配，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)配體系反應(yīng)時間長(50 min)，且生氣效率高(91.5%)。

為進(jìn)一步優(yōu)化釋氣劑體系的緩釋性能，分別配制了不同質(zhì)量比的NH4Cl與乙酸溶液，對比了其反應(yīng)速度和生氣效率。如圖2所示，隨著NH4Cl密度的增加，體系反應(yīng)速度逐漸減緩，但生氣效率也逐漸降低，推薦NH4Cl與乙酸的最佳質(zhì)量比為4∶1。

圖1 不同體系生氣劑反應(yīng)速度與生氣效率

圖2 不同配比NH4Cl與乙酸體系的反應(yīng)速度與生氣效率

2. 緩釋體系耐溫性能評價

選取質(zhì)量比為4∶1、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NH4Cl與乙酸復(fù)配溶液作為釋氣劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Na2CO3溶液為生氣劑，分別在不同溫度下反應(yīng)，考察對緩釋體系的影響規(guī)律。如圖3所示，反應(yīng)速度隨著溫度的升高會逐漸加快，生氣效率隨著溫度的升高逐漸增加。

圖3 溫度對緩釋體系反應(yīng)速度與生氣效率影響

3. 緩釋體系抗鹽性能評價

選取質(zhì)量比為4∶1、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NH4Cl與乙酸復(fù)配溶液作為釋氣劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的Na2CO3溶液為生氣劑，分別選用不同礦化度的模擬水配制生氣劑和釋氣劑，考察對緩釋體系的影響規(guī)律。如圖4所示，反應(yīng)速度隨著模擬水礦化度的增大而逐漸減緩，反應(yīng)時間則從50 min延長至70 min；生氣效率隨著礦化度的增加而略有下降，礦化度達(dá)到20 000 ppm時，生氣效率仍能維持在85%。

圖4 礦化度對緩釋體系反應(yīng)速度與生氣效率影響

4. 緩釋體系封堵性能測試

選取不同滲透率的填砂管，分別用常規(guī)層內(nèi)生成CO2體系和緩釋體系進(jìn)行封堵性能測試，對比兩者的封堵能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，滲透率為1 000 mD時，緩釋體系封堵率較常規(guī)體系高20.83%；滲透率為2 500 mD時，緩釋體系封堵率較常規(guī)體系高23.08%，這是因?yàn)榫忈屌浞椒磻?yīng)時間長，作用半徑大，能夠在地層深部建立起較強(qiáng)的封堵體系，而常規(guī)體系因反應(yīng)太快，只能在近井地帶實(shí)現(xiàn)封堵，無法克服后續(xù)注入流體的繞流問題。

表2 常規(guī)體系與緩釋體系封堵效果對比

5. 緩釋體系調(diào)驅(qū)效果評價

選取滲透率為500 mD和3 000 mD的人造巖心并聯(lián)，分別用常規(guī)層內(nèi)生成CO2體系和緩釋體系進(jìn)行驅(qū)替，對比兩者的調(diào)驅(qū)效果。由圖5可知，水驅(qū)后注常規(guī)體系，高滲巖心產(chǎn)液率下降，低滲巖心的產(chǎn)液率增加，表明常規(guī)體系能夠改善儲層非均質(zhì)性；由圖5可知，水驅(qū)后注緩釋體系，驅(qū)替壓力增幅明顯高于常規(guī)體系，高滲巖心和低滲巖心的產(chǎn)液率實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，表明緩釋體系的調(diào)剖效果明顯優(yōu)于常規(guī)體系。由圖6看出，常規(guī)體系和緩釋體系對高滲巖心采收率的提高值分別為3.93%和3.67%，對低滲巖心采收率的提高值分別為5.11%和9.59%，表明緩釋體系增油效果明顯優(yōu)于常規(guī)體系。

圖5 常規(guī)體系與緩釋體系調(diào)剖效果對比圖

三、現(xiàn)場應(yīng)用

2016～2018年，該技術(shù)已在海上油田成功應(yīng)用26井次，累計增油量達(dá)到2.6×104m3，累計增注超過16×104m3。

D2/D3兩個井組屬于是渤海油田P作業(yè)區(qū)塊，共有注水井2口，受效油井7口，措施前井組日產(chǎn)油437.7 m3，平均含水69.0%。2016年5月對兩井組進(jìn)行層內(nèi)生成CO2整體調(diào)驅(qū)作業(yè)，措施后增油降水效果明顯，日產(chǎn)油增至472.1 m3，含水率降至67.2%，目前兩井組累計增油8 848 m3。

B3井組屬于渤海油田K作業(yè)區(qū)塊，井組包含注水井1口，受效油井3口，措施前水井日注水250 m3，注入壓力14 MPa，受效井日產(chǎn)油253.34 m3，平均含水率49.43%。該井組2017年12月實(shí)施層內(nèi)生成CO2調(diào)驅(qū)作業(yè)，措施后注水井增注至350 m3，注入壓力降至10MPa，井組日產(chǎn)油增至276.46 m3，含水率穩(wěn)定在50.96%，累計增油超過3 800 m3。

圖6 常規(guī)體系與緩釋體系驅(qū)油效果對比圖

四、結(jié)論

(1)NH4Cl/乙酸體系反應(yīng)時間長、生氣效率高，是一種較為理想的層內(nèi)自生CO2緩釋體系。推薦NH4Cl與乙酸的質(zhì)量比為4∶1，反應(yīng)時間可延長至50 min，最終生氣效率能夠達(dá)到91.5%。

(2)層內(nèi)自成CO2緩釋體系的耐溫抗鹽性能優(yōu)良。隨著溫度升高緩釋體系生氣效率逐漸提高，反應(yīng)時間逐漸縮短，溫度低于100℃時，緩釋體系反應(yīng)時間可維持40 min以上，生氣效率可達(dá)86%；隨著礦化度增加緩釋體系反應(yīng)時間逐漸延長，礦化度達(dá)到20 000 ppm時，生氣效率仍能維持在85%。

(3)填砂管封堵試驗(yàn)表明，緩釋體系封堵率較常規(guī)體系要高20.83%～23.08%，且滲透率越高，封堵效果越好。與常規(guī)體系相比，緩釋體系因反應(yīng)時間長、處理半徑大，能夠在地層深部建立起較強(qiáng)的封堵體系，有效解決后續(xù)流體的繞流問題。

(4)巖心驅(qū)替試驗(yàn)表明，緩釋體系調(diào)驅(qū)效果明顯優(yōu)于常規(guī)體系。注入緩釋體系后高深層與低滲層能夠?qū)崿F(xiàn)剖面反轉(zhuǎn)，與常規(guī)體系相比，緩釋體系低滲巖心的采收率能夠提升4.48%，總體采收率也能進(jìn)一步提升2.25%。