新型超疏水顆粒乳液型控水體系的制備

鄒信波，李志臻，張 譯，麻 路，高云峰，馮 釗

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518064；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

隨著海上油田開發(fā)時間增長，采出液含水率上升、采收率下降，新老油田控水需求迫切。海上油田開發(fā)控堵水具有特有難點：海上油井對應關(guān)系不明顯；作業(yè)空間狹小；水平井比例高，完井結(jié)構(gòu)復雜；多存在底水或邊水，油井能量和生產(chǎn)壓差大，水錐突破后使得產(chǎn)量大幅降低[1]。2006—2016年，渤海油田累計實施堵水作業(yè)18口井，措施有效率55.6%，平均含水由98.22%下降至73.50%，有效期209 d；南海東部油田2018年至2019年堵水施工約8井次，2020年上半年機械類控堵水8井次，多依賴機械堵水和連續(xù)封隔體(ICD)。

選擇性化學堵水目前在南海西部尚未有實施經(jīng)驗，水平井高含水治理、增油的需求迫切。現(xiàn)階段海上油田化學堵水多運用凝膠堵劑、乳化稠油和超分子選擇性堵劑。存在多種問題：堵劑注入性差，注入壓力高，施工不能完成設計量的注入；油水選擇性較差，對油水兩相滲透率均有傷害；過篩有殘留，儲層傷害大；有效期短，耐高溫性能差等。因此，需要研究一種新型控水體系及工藝進行解決[2]。

筆者結(jié)合超疏水顆粒的性能特點，制備出了水分散性良好、顆粒間膠結(jié)性強，具有良好抗溫抗鹽耐壓性的超疏水顆粒乳液型控水體系。首次將納米孔洞金屬-有機骨架空心球材料應用于油田控水領(lǐng)域，改善高含水油田的開發(fā)效果。

1 超疏水顆粒特性及控水機理

1.1 超疏水顆粒特性

超疏水顆粒JX是近年來研究的新材料，是一種納米孔洞金屬-有機骨架空心球材料，具有多種優(yōu)點[3]：1)超強的親油疏水性(水相接觸角>150°)；2)較小的粒徑，平均粒徑最小可達到100 μm以下；3)超高的比表面積(可達2 000 m2/g)和極高的孔隙率(可達90%以上)；4)環(huán)境友好性。由于該顆粒的特殊性質(zhì)，將其制備成微球，不但可以突破傳統(tǒng)多孔微球的性能極限，同時也拓寬了該材料的應用領(lǐng)域。該顆粒在吸附、藥物緩釋、能源存儲等方面有著極大的應用潛力[4]。

1.2 控水機理分析

超疏水顆粒乳液型控水體系的控水機理主要是通過將乳液體系注入目標儲層后，在儲層溫度及地層水作用下發(fā)生破乳，將超疏水顆粒釋放并在儲層孔喉堆積形成架橋，從而形成控水屏障，利用超疏水顆粒自身良好的親油疏水性來實現(xiàn)油水選擇，如圖1所示。

圖1 超疏水顆粒控水機理示意

2 控水體系設計與制備

2.1 顆?？尚行苑治?/h3>

2.1.1 潤濕性

為驗證超疏水顆粒的親油疏水性，對其控水可行性進行初步考察，通過油水接觸角測試判斷其親油疏水性。實驗在常溫條件下進行，首先向濾膜表面鋪滿超疏水顆粒；隨后分別向未加顆粒和加入顆粒的濾膜表面滴加地層水和模擬油，測試接觸角，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 水相接觸角測定

圖3 油相接觸角測定

由圖2和圖3可知，超疏水顆粒具有良好的親油疏水性，濾膜表面添加該材料后可改變其潤濕性：添加后油相接觸角由53.002°降至8.379°；而水相接觸角由47.965°升至139.402°，體現(xiàn)了該材料的親油疏水性，即油水選擇性。

2.1.2 粒徑分析

超疏水顆粒粒徑主要分為4個等級，如表1所示。針對目標區(qū)塊儲層滲透率，通過經(jīng)驗公式[5]計算出孔喉尺寸為13.15～27.39 μm，由“三球架橋理論”[6]可知，超疏水顆粒材料應選用JX-10系列。為驗證該系列粒徑，對其進行了粒徑分布測試(圖4)，該系列顆粒粒徑均小于10 μm，主要分布于3～5 μm，滿足設計要求。

表1 超疏水顆粒粒徑系列

圖4 試樣JX-10的粒徑分布

2.2 控水體系的制備

JX-10顆粒具有超強的疏水性，不能均勻分散于水相，現(xiàn)場難以施工。因此考慮將超疏水顆粒配制成一定質(zhì)量分數(shù)的O/W乳液進行現(xiàn)場應用，制備方法如下：

1)油相制備。準備適量的白油于容器A中，然后加入質(zhì)量分數(shù)為20%的疏水顆粒和油溶性表面活性劑S1分散于白油，并進行超聲分散，時間為10 min。

2)水相制備。準備一定量的水于容器B中，加入體積分數(shù)為10%乳化劑S2復配，然后將B容器在60 ℃預熱10 min，使表面活性劑完全溶解。

3)將乳化劑加入水相，在轉(zhuǎn)速12 000 r/min條件下，將一定溫度的油相滴入水相，油水的溫度盡量保持一致，乳化10 min，盡量避免空氣進入。最后將乳化后的乳液用攪拌機慢慢攪拌脫氣0.5～1 h，即制得所需乳液控水體系。

3 控水體系性能評價

3.1 乳液體系微觀形貌和粒徑分布

乳液體系中，不穩(wěn)定的液滴會聚集形成大液滴，導致乳液較快分層破乳；乳液液滴越小、分布越均勻，體系愈穩(wěn)定，存放時間越長。通過熒光顯微鏡和生物顯微鏡對乳液體系進行觀察，并通過激光粒度分析儀測量乳液的平均粒徑與粒徑分布，測試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 乳液體系微觀測試成像

圖6 乳液的粒徑分布

由圖5和圖6可見，乳液液滴呈規(guī)則的球形，且分布均勻，沒有團聚、絮凝等現(xiàn)象，乳液液滴粒徑分布范圍為0.5～75 μm，中間大兩頭小，趨勢呈正態(tài)分布。從整體數(shù)據(jù)來看，該乳液的分散較為均勻且普遍粒徑偏小，有利于乳液的長期穩(wěn)定性，可滿足設計中在儲層注入性好并且可在孔喉中形成架橋的要求。

3.2 抗溫抗鹽性

根據(jù)施工工藝設計，體系應具備常溫下穩(wěn)定不破乳。在儲層溫度下與地層水接觸后一定時間可發(fā)生破乳，釋放出顆粒的性質(zhì)。因此需要根據(jù)工藝設計的破乳時間對體系進行抗溫抗鹽性測試，溫度為目標儲層溫度150 ℃，地層水礦化度為35 g/L。實驗使用現(xiàn)場地層水進行，測試結(jié)果如表2所示。

表2 抗溫抗鹽性測試

由表2可知，超疏水顆粒乳液體系在常溫下60 d內(nèi)均一穩(wěn)定不發(fā)生破乳，滿足施工中的運輸及相關(guān)要求。隨著溫度的升高，體系的穩(wěn)定性逐漸降低，在150 ℃時，乳液體系在3 h左右實現(xiàn)破乳。在本工藝設計中，根據(jù)注入工藝設計得知，需要體系破乳時間大于1.5 h，因此該體系可行。

3.3 巖心驅(qū)替試驗

使用巖心為與目標儲層巖性相似的滲透率為3 000 mD的人造砂巖巖心，尺寸為2.5 cm×6.0 cm。在巖心實驗過程中，分別測定了體系的注入性、油水選擇性和耐沖刷性[7]。巖心驅(qū)替試驗按石油行業(yè)標準SY/T 5336—2006 巖心常規(guī)分析方法進行[8]。

3.3.1 注入性

將體系從巖心一端以1 mL/min正向注入，觀察進口端壓力變化，記錄壓差和流量。壓力穩(wěn)定后繼續(xù)驅(qū)替2～3 PV后停止，取出巖心觀察巖心注入端面顆粒殘留。以此結(jié)合注入穩(wěn)定壓力評價體系注入性，結(jié)果如圖7所示。

圖7 體系注入情況

由圖7可知，隨著體系的注入，注入端壓力逐漸升高，當注入體積為3 PV左右時，注入壓力開始穩(wěn)定，達到0.08 MPa左右。并且隨著注入量的增加注入壓力不再上升，保持在0.08 MPa左右，可以看出體系在該巖心中的注入性良好。

3.3.2 油水選擇性

取處理后巖心，將模擬地層水1 mL/min正向注入巖心，壓力穩(wěn)定后停止，計算水相原始滲透率。將體系1 mL/min反向注入巖心，壓差穩(wěn)定后繼續(xù)驅(qū)替2～3 PV，取出巖心放入模擬地層水中在目標儲層溫度下老化48 h。取出老化后巖心，正向注入模擬地層水，壓力穩(wěn)定后停止驅(qū)替，計算傷害后水相滲透率。水相滲透率測定完畢后改變流體為模擬油重復以上步驟，測試油相原始滲透率和傷害后油相滲透率，通過注入體系前后水相和油相滲透率的變化，以及巖心基質(zhì)滲透率損害率的計算評價體系的油水選擇性[9]。實驗結(jié)果如圖8和表3所示。

由圖8可知，封堵后水相壓力在反向驅(qū)替1 PV后穩(wěn)定，為0.082 MPa，遠高于原始水相壓力0.009 MPa；而油相封堵后穩(wěn)定壓力為0.009 MPa，與原始油相壓力0.008 MPa相差不大。由表3可知，封堵后水相滲透率明顯高于封堵前水相原始滲透率，下降了89.02%，而油相滲透率基本不變，只下降了11.11%?？梢姡摽厮w系的選擇性良好。

圖8 體系選擇性評價情況

表3 體系選擇性記錄表

3.3.3 耐沖刷性

取處理后巖心，使用模擬地層水進行巖心飽和、體系注入及巖心老化，方法與3.3.2相同；取出老化后巖心，反向注入模擬地層水，使用較高流速8 mL/min驅(qū)替20 PV后停止，觀察進口壓力變化并繪制曲線，評價其耐沖刷性，結(jié)果見圖9。

圖9 體系耐沖刷性評價情況

由圖9可知，封堵后的巖心進行水相反向驅(qū)替后，隨著驅(qū)替液的增加，進口壓力不斷升高。當驅(qū)替液注入2 PV后，進口壓力基本穩(wěn)定于0.4～0.5 MPa,且當驅(qū)替量達到14 PV時，壓力仍然保持在0.5 MPa以上，可見該體系耐沖刷性較好。

3.4 微觀驅(qū)替分析

配制乳液質(zhì)量分數(shù)為0.1%的體系，攪拌0.5 h備用。取兩塊刻蝕玻璃模型抽真空，分別飽和模擬地層水和模擬油，靜止12 h，以流速0.01 mL/min注入控水體系，注入后將玻璃薄片放入恒溫箱90 ℃下老化12 h[10]。老化后分別進行水驅(qū)和油驅(qū)，攝影成像對比結(jié)果見圖10和圖11。

圖10 油相和水相在薄片中運移情況

圖11 油相和水相在薄片中驅(qū)替壓力變化

在流動過程中，油相薄片可以觀察到油流與孔隙中的剩余油聚并形成油柱向前推進，在油柱進入主流線后向采出端匯聚。同時觀察注入壓力在開端緩慢上升后逐漸趨于穩(wěn)定，說明控水體系對油相封堵較弱。水相驅(qū)替薄片實驗中可以看出，在持續(xù)注入過程中，水相液滴運移較慢，部分液滴被拉斷、分割；少部分液滴推動控水體系聚集于大孔隙處封堵滲流通道，并伴隨進口端壓力快速上升。由此直觀地可以看出，該體系在孔喉中對于水相的封堵性較好，油相基本無封堵性。

4 結(jié) 論

a.通過對一種納米孔洞金屬-有機骨架空心球材料顆粒進行分析，發(fā)現(xiàn)其具有良好的疏水性，設計控水機理使得該顆粒可應用于油田控水領(lǐng)域。

b.對該顆粒進行控水可行性分析，潤濕性測得其油相接觸角為8.379°，水相接觸角為139.402°；粒徑測試測得其粒徑主要分布于3～5 μm，可滿足油田需求。將超疏水顆粒制備成乳液體系，微觀觀察液滴形貌分布均勻，沒有團聚、絮凝等現(xiàn)象，且普遍粒徑偏小，有利于乳液的長期穩(wěn)定性，可滿足于現(xiàn)場應用。

c.該體系耐沖刷性評價，發(fā)現(xiàn)其耐溫耐鹽性可達到溫度150 ℃、礦化度35 g/L。在目標儲層滲透率為3 000 mD的人造砂巖巖心中注入性、選擇封堵性，以及耐沖刷性良好，微觀觀察其封堵趨勢與所設計機理一致。