渤海油田殘留聚合物再利用新型調驅劑

姜維東,張 健,戴彩麗,楊 帥,魏子揚

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

渤海油田殘留聚合物再利用新型調驅劑

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 開發生產部,北京 100010; 2.海洋石油高效開發國家重點實驗室,北京 100027; 3.中海油研究總院,北京 100027; 4.中國石油大學(華東),山東 青島 266588)

針對渤海油田聚合物驅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驅劑,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大流體波及體積.結果表明:再利用調驅劑淀粉改性型陽離子聚合物ZRS與低質量濃度、低相對分子質量的殘留聚合物,通過 “靜電締合”和“吸附架橋”作用形成空間網絡結構,封堵優勢通道,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后續水驅增加10.6%.

渤海油田;殘留聚合物;新型調驅劑;淀粉改性型陽離子聚合物;絮狀體系

0 引言

目前,渤海油田進行聚合物驅的礦場試驗,已取得較明顯增油降水效果[1-3].渤海油田具有高孔高滲、非均質強、儲層結構疏松、易出砂和地層水礦化度高等特點.經過長期注聚開發,很多注聚受效油井現已出現含水率上升較快、產聚質量濃度較高的嚴重問題,隨著油田進入中高含水開發階段,油井過量產水嚴重影響油藏開發效果.同時,聚合物驅后約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,進一步提高聚合物驅后水驅采收率,達到深部調驅的目的,而且再利用調驅劑與地層中殘留聚合物發生絮凝反應,可減小后期處理產出液中聚合物處理的影響.

近年來,聚合物驅后進一步提高采收率的方法研究主要是關于聚合物凍膠[6]、二元復合驅[7-9]、凍膠泡沫[10-11]、高質量濃度聚合物驅[12]和再利用調驅等方面,但只有再利用調驅技術能夠充分利用地層優勢通道中殘留聚合物降低海上聚合物的大量產出.目前,地層殘留聚合物再利用技術和應用主要集中在無機絮凝劑穩定化鈉土和金屬交聯劑方面,但結合渤海稠油油田高效開發特點,穩定化鈉土和金屬交聯劑不能滿足技術需求.因此,筆者針對油田實際條件和聚合物性質[13],開展一種適用于渤海油田注聚區的殘留聚合物再利用調驅劑實驗,為渤海油田地層殘留聚合物再利用調驅技術決策提供依據.

1 實驗材料

(1)藥劑.聚合物為法國SNF公司生產,質量分數為88%,相對分子質量為2 200×104,水解度為24.25%;再利用調驅劑為淀粉改性型陽離子聚合物ZRS,相對分子質量為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,巖心非均質變異因數為0.68,各層厚度均為1.5 cm.

2 配方優選

配制質量濃度為5 g/L聚合物母液和質量分數為3%的改性淀粉型陽離子聚合物ZRS母液,稀釋后預剪切.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%,特性黏數范圍為1 118.50～1 289.35 cm3/g).將不同質量分數的ZRS溶液分別加入到不同質量濃度的聚合物溶液中,觀察絮凝反應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,結果見表1.

表1 絮凝實驗結果Table 1 The results of flocculation experiment

由表1可知,聚合物質量濃度越高,形成的絮狀沉淀強度越大,界面越清晰;相同聚合物質量濃度條件下,隨著ZRS質量分數增大,沉淀出現松散渾濁現象,絮凝沉淀與溶液界面不明顯.離心后黏度測定可知,隨著ZRS質量分數增加,調驅劑黏度逐漸降低,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時的陰陽離子最佳質量比,即地層中殘留聚合物質量濃度為200～1 200 mg/L、ZRS體積為聚合物體積的1/2時,兩者完全反應所需陰陽離子質量比為1∶20,ZRS質量分數為0.8%～2.4%.綜合考慮成本因素,ZRS質量分數優選為0.8%～2.0%.

3 絮凝體微觀形貌

聚合物驅后,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”、“尾”、“臥”3種形態,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”和“尾”型[14].

3.1 在溶液中

聚合物質量濃度為1 g/L和ZRS質量分數為1.2%再利用調驅劑反應結果見圖1.反應后絮凝體的微觀結構見圖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絡結構,多呈現“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構,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度很大,呈現不規則的線性結構,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的聚合物溶液,陽離子基團主要是通過“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結合在一起,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的基團很多,一個陽離子聚合物可與多個陰離子聚合物反應,一個陰離子聚合物也可與多個陽離子聚合物反應,因此形成體積大和強度高的絮狀沉淀.在圖2(b)中,“片狀”的絮凝體中間存在“空洞”,同時,絮凝體呈現較緊密、較光滑的結構形態,與單純的陰、陽離子聚合物溶液的相貌不同.因此,這些具有網絡結構的絮凝體是2種聚合物溶液混合后產生的,較高的致密程度和骨架強度產生較強封堵作用.

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構Fig.2 Micro morphology of flocculating in solution

3.2 在孔隙介質中

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)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中的微觀結構見圖3,注入陽離子聚合物后形成的絮凝體微觀結構見圖4,放大后的網狀結構見圖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,基本看不到網絡結構,同時將倍數放大至2 000倍;由圖3(b)可知,巖石表面吸附大量的陰離子聚合物,表面帶負電,為后續注入陽離子聚合物溶液相遇后發生絮凝作用提供條件.

圖3 陰離子聚合物在孔隙介質中的微觀結構Fig.3 Micro morphology of anionic polymer in porous media

圖4 絮凝體在孔隙介質中的微觀結構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域(圖4(a)紅色區)發生強烈的“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”型方式發生吸附和電性中和.同時,在電荷密度比較小的區域(圖4(b)紅色區)發生“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”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“帶負電”的巖心顆粒結合,而一些“帶負電”顆?？梢酝瑫r與不同的陽離子聚合物分子結合,形成架橋作用,呈現空間立體網狀結構.

為了更清楚觀察絮凝體的微觀結構,將圖4(b)紅色圓圈區放大,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”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“帶負電”的巖心顆粒結合,而一些“帶負電”的巖石顆粒可以同時與不同的陽離子聚合物分子結合,形成架橋作用,從而在孔隙介質中絮凝體呈現比較規則的網狀結構,并且其網絡致密、規模大、連續,骨架的強度比較高,從而封堵大孔道.

圖5 絮凝體在孔隙介質中的微觀結構(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,配制質量分數為3%ZRS母液,分別稀釋成質量分數為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,結果見表2.由表2可知,4種質量分數的再利用調驅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驅劑溶液黏度的影響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的變化關系,結果見圖7.由圖7可知,注入ZRS溶液后,注入壓力逐漸增加,當注入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生絮凝反應,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

根據殘余阻力因數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,結果見表3.由表3可知,單獨注入ZRS溶液,地層殘余阻力因數和封堵率較小,說明封堵性能較差;當注入聚合物溶液后,再注入ZRS溶液,地層殘余阻力因數和封堵率逐漸增大,并且隨著聚合物質量濃度增加,殘余阻力因數和封堵率最終可達35.54%和97.18%,封堵性能較好.

4.4 熱穩定性

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系,結果見圖8.由圖8可知,填砂管巖心注入再利用調驅劑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定性能.

4.5 驅油實驗

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)水驅至產出液中含水率達到70%;(3)注入0.30 PV聚合物溶液;(4)水驅至產出液中含水率達到95%,計算采收率E1;(5)取巖心2號,重復步驟(1)～(4);(6)過頂替0.05 PV的水段塞,注入0.30 PV的再利用調驅劑溶液;(7)轉注水,水驅至產出液中含水率達到95%,計算采收率E2.聚合物驅和再利用劑驅采收率、含水率和注入壓力與注入孔隙體積倍數的變化實驗結果分別見圖9和圖10.

表3 再利用調驅劑質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注水驅后,含水率上升較快,當含水率達到95%時,采收率約為50.93%;2號巖心聚合物驅后注入再利用調驅劑ZRS,當含水率達到95%時,采收率達到61.53%,比聚合物驅時采收率增加10.60%.再利用調驅劑與聚合物通過絮凝作用產生絮凝沉淀,控制聚合物驅產生的高滲通道,對后續注入水起到液流轉向作用,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 聚合物驅采收率、含水率和注入壓力與注入孔隙體積倍數的變化曲線Fig.9 The degree of reservoir recovery and water-cut changed with injection pore volume of polymer flooding

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

5 結論

(1)優選有機再利用調驅劑——淀粉改性型陽離子聚合物ZRS,能與低質量濃度、低相對分子質量、高水解度的殘留聚合物形成體積大、強度高的絮狀體,優選最佳注入質量分數為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93%,巖心流動實驗殘余阻力因數可達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)聚合物驅后注入再利用調驅劑ZRS后,含水率達到95%時,采收率達到61.53%,采收率較聚合物驅后續水驅增加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方面的研究.