超高礦化度地層水基一體化滲吸驅油壓裂液的制備及性能評價

2023-11-22 02:28:28程長坤熊廷松謝貴琪馮昕媛賈文峰

精細石油化工 2023年6期

程長坤,熊廷松,劉永,謝貴琪,劉歡,馮昕媛,賈文峰

(1.中國石油天然氣股份有限公司青海油田鉆采工藝研究院,甘肅敦煌 736202;2.中國石油大學(北京)非常規油氣科學技術研究院,北京 102249)

柴達木盆地陸相頁巖油地質資源儲量為21×108t,油氣勘探揭示其具有良好的資源前景[1]。大規模水平井體積壓裂和立體水平井網—拉鏈式壓裂模式是頁巖油經濟有效開發的關鍵技術,隨著壓裂施工井數增多,現場供水和壓裂成本面臨極大挑戰[2]。高原山地式頁巖油藏的富集模式使得柴達木盆地地層產出水礦化度可達25×104mg /L以上,同時鈣、鎂離子質量濃度達到10.0 g/L,亟需研發新型高耐鹽壓裂液體系[3]。頁巖油大規模水平井體積壓裂要求壓裂液具有在線速溶、高降阻、在線變黏等特點,為了實現壓驅一體化,需要壓裂液具有良好的滲吸驅油功能[4-6]。現有變黏壓裂液基本可以滿足清水中速溶、降阻和變黏、驅油等要求,但是仍無法滿足超高礦化下在線變黏、驅油要求[4, 7-11]。在高礦化下,聚丙烯酰胺易與高價陽離子發生沉淀,容易發生相分離,進而降低溶液的黏度及溶解性能。為增強聚合物的增黏效果和抗鹽能力,需要通過在聚合物的分子鏈中加入特定的基團,以提高其耐鹽性[12-16]。

為了改善疏水締合聚合物溶解性能,同時保證一定的增黏能力,本工作合成了一種弱疏水締合兩性聚丙烯酰胺共聚物(結構式見圖1),對聚合物溶解、增黏等性能進行了評價,優化了滲吸驅油劑用量,形成了高礦化一體化變黏驅油體系,評價了其綜合性能。

圖1 弱疏水締合兩性聚丙烯酰胺共聚物結構式

1 實驗

1.1 材料與儀器

丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)丙烯酸(AA),百靈威科技有限公司;過硫酸銨、氫氧化鈉、亞硫酸氫鈉、偶氮二異丁脒鹽酸鹽(V50),天津光復化學試劑廠;十六烷基二甲基烯丙基氯化銨(C16DMAAB),實驗室自制[17]。青海油田巖心,φ24.98 mm×50.12 mm,質量65.4 g,孔隙度0.97%,滲透率3.884 382×10-3μm2。

K100表面張力儀,德國 KRUSS公司;TX500D旋轉滴界面張力儀,上海梭倫信息科技有限公司;HH-4數顯恒溫水浴鍋,榮華儀器制造有限公司;IKA RW20 digital數顯型置頂式機械攪拌器,德國IKA公司;MARSIII高溫高壓耐強酸流變儀,德國HAAKE公司;HAMZ-IV型壓裂液管路摩阻儀,江蘇華安科研儀器有限公司;Tensor 27傅里葉紅外光譜儀,德國Bruker公司;ZNND6六速黏度計,青島海通達專用儀器有限公司。

1.2 耐鹽稠化劑合成

1)在燒杯中加入適量蒸餾水,將一定比例的AM、AA、AMPS及C16MMAAB溶解在燒杯中,總單體質量分數為30%,用NaOH將溶液的pH調至中性,加入1%的尿素,0.01%異丙醇為鏈轉移劑,加入幾滴消泡劑。將配置好的溶液在磁力攪拌器上攪拌30 min,使之完全混合均勻,在5 ℃密封保溫。

2)向溶液通入N2除氧,加入適量偶氮類引發劑偶氮二異丁脒鹽酸鹽(V50),除氧30 min,加入引發劑(NH4)2S2O8-NaHSO3(摩爾比2∶1),直至溶液變黏稠狀停止通N2,密封絕熱反應6 h。膠塊用絞肉機進行造粒,之后移入80 ℃的烘箱中烘干,用粉碎機將塊狀試樣攪碎成粉末狀試樣,過100目篩備用。

3)將上述稠化劑粉末按照40%質量比分散到白油與分散劑(有機土與span80混合物,質量比為1.5∶1)的混合液中,攪拌均勻,得到乳白色分散型耐鹽稠化劑。

1.3 實驗方法

1)聚合物紅外光譜制樣方法:KBr壓片法。

2)耐鹽壓裂液配制。按照青海油田高礦化度地層水配制模擬地層水(成分如表1所示),在1 000 r/min條件下,分別將不同濃度的分散型耐鹽稠化劑快速加入到高礦化水中,然后加入驅油劑,攪拌均勻得到不同黏度的驅油壓裂液體系。

表1 青海油田高礦化度地層水成分

3)壓裂液性能評價方法。按照SY/T 5107—2005和SY/T 5107—2016《水基壓裂液性能評價方法》進行測定。

4)滲吸驅油實驗。稱取巖心質量,將巖心置于飽和裝置中,抽真空2 h,然后通入航空煤油,加壓飽和48 h,取出巖心稱重。在一定的參數下,利用低場核磁共振測量飽和后巖心的T2譜。在60 ℃水浴條件下,將巖心浸潤在配制好的重水基滲吸液中,間隔一定時間測量一次核磁T2圖譜,根據滲吸驅油情況,確定滲驅油平衡時間,采用譜面積法確定滲吸驅替出煤油體積。

2 結果與討論

2.1 耐鹽稠化劑分子結構

圖2 耐鹽聚合物紅外光譜

2.2 耐鹽稠化劑增黏性能

高礦化下溶劑極性增強,使得疏水單體與水之間的黏附量減小,進而使分子間締合作用增強,流體力學體積增大,溶液表觀黏度增加,通過引入疏水締合單體是一種提高聚合物的耐鹽能力的有效手段[16-19]。疏水締合單體引入會導致聚合物溶解性能降低,在保證溶解性能的前提下,引入0.3%的疏水單體,可以明顯改善高濃度聚合物增黏能力。實驗對比了弱疏水締合聚合物和常規聚合物的增黏性能,結果見圖3。

圖3 耐鹽稠化劑黏度與濃度的關系

如圖3所示,在分散型稠化劑用量(體積分數,下同)小于0.6%時,締合型和常規稠化劑增黏性能相當;當用量大于0.6%以后,締合型聚合物增黏能力明顯增強,說明在高濃度下聚合物分子鏈間疏水締合作用逐漸增強,形成空間締合網絡結構,進而改善增黏能力;當締合耐鹽稠化劑用量達到1%時,溶液黏度為75 mPa·s左右;當耐鹽稠化劑用量達到1.2%時,溶液黏度接近100 mPa·s,說明合成的耐鹽稠化劑在高礦度鹽水中具有良好的增黏性能,可滿足在線混配一體化壓裂液要求。

2.3 滲吸驅油劑用量

壓裂液破膠液滲吸驅油是目前頁巖油、致密油經濟有效開發的重要手段[20-21]。利用洗油功能的表面活性(陰非離子)和兩性表活劑(甜菜堿)按照4∶1質量比混合制備了復合型滲吸驅油劑,可實現超低界面張力,具有良好的滲吸驅油作用。圖4為不同濃度滲吸驅油劑在模擬地層水中的表界面張力。由圖4可見,耐鹽驅油劑體系具有良好表界面張力調節能力,可以根據現場需求,調整驅油使用濃度。

圖4 滲吸驅油劑表界面張力與體積分數的關系

在0.1%耐鹽稠化劑和0.2%滲吸驅油劑下進行滲吸驅油實驗,結果如圖5所示。由圖5可見,隨著滲吸驅油進行,壓裂液破膠液將小孔隙中飽和煤油滲吸置換出來,中孔隙中煤油有增加趨勢,32 h采收率為10%左右,說明滲吸驅油壓裂液體系具有良好的滲吸驅油效果。

圖5 滲吸驅油率與滲吸時間的關系

2.4 耐溫耐剪切性能

利用模擬地層水配制1%耐鹽稠化劑、0.2%驅油劑的壓裂液,在剪切速率為170 s-1下,考察90 ℃下壓裂液耐溫耐剪切性能,結果見圖6。

圖6 驅油壓裂液耐溫耐剪切曲線

從圖6可知,恒剪切90 min時,耐鹽壓裂液黏度仍保持在40 mPa·s以上,恒溫剪切黏度基本保持穩定,說明在超高礦化度下耐鹽驅油壓裂液具有良好的耐溫耐剪切性能。

2.5 懸砂能力

在1%耐鹽稠化劑用量下,利用20/40目石英砂,觀察了20%砂比下耐鹽壓裂液的靜態懸砂性能。20 min內耐鹽壓裂液中石英砂基本無沉降,40 min時量筒上液面出現少量分層現場,說明該壓裂液具有良好的攜砂能力。該耐鹽稠化劑為弱締合聚合物,分子之間通過締合作用形成可逆交聯三維網絡結構,增強壓裂液黏彈性,因此具有良好的靜態攜砂能力。

2.6 減阻性能

利用AMZ-IV型壓裂液管路摩阻儀,選用10 mm管徑,觀察不同流量下3種耐鹽稠化劑含量的壓裂液減阻性能。從圖7可以看出:隨著壓裂液黏度增大,減阻性能逐漸下降,0.1%耐鹽滑溜水減阻率可以達到75%,0.3%減阻率為65%,0.5%減阻率為60%;流量達到1 500 kg/h后減阻率趨于平穩。根據壓裂液工藝需求,可選擇黏度和減阻率滿足要求的壓裂液配方體系。