预交联颗粒调堵性能及粒径与孔隙匹配研究

李东旭, 侯吉瑞, 赵凤兰, 孙丽丽, 王爱华

(中国石油大学(北京),北京102249)

预交联颗粒调堵性能及粒径与孔隙匹配研究

李东旭, 侯吉瑞, 赵凤兰, 孙丽丽, 王爱华

(中国石油大学(北京),北京102249)

针对广泛应用于现场的预交联凝胶颗粒进行了注入性实验和调剖效果实验。结果表明,预交联凝胶颗粒很难注入模拟储层的填砂管内,一般是堆积在管线内或堆积在填砂管的前端形成滤饼,只有少量细小的颗粒进入填砂管内,然而进入填砂管内的预交联颗粒的运移距离不超过20 cm,难以形成深度调剖作用。从调剖实验中可以观察到预交联凝胶颗粒具有一定的选择性注入功能。调剖实施初期低渗透层的分流率略有增加,增加幅度不到2%,增加效果并不明显。经过较大PV倍数的水驱之后,由于高渗透层位容易被突破,低渗透层位分流率相比于调剖作业之前下降,因此预交联凝胶颗粒具有污染低渗透层的缺点。通过计算分析,目前选用的预交联凝胶颗粒直径相对于岩心孔喉都偏大,从理论上看,不具备进入填砂管深部的条件,现有的预交联凝胶颗粒很难满足深部调驱的要求。

预交联凝胶颗粒; 调剖堵水; 粒径; 孔隙尺寸

我国的很多油田已经进入到高含水生产期或特高含水期,油田生产井产水率已经达到了80%甚至是90%以上。油田注入水很多已经形成低效或无效循环,这样不仅降低了油田生产效率,而且减少了我国战略能源石油产量,影响了国家能源安全。为此,实施有效的堵水调剖作业是保证国家能源安全的重要措施。堵水调剖技术作为提高注水开发效率、实现油藏稳油控水的的重要措施,一直受到很高的关注[1-2]。预交联凝胶颗粒是近些年提出的一种新型耐高温、抗盐的堵水调剖作业用剂[3-4]。本文对预交联凝胶颗粒的注入性能和调剖性能进行了实验分析。

1 预交联凝胶颗粒运移特征研究

1.1 实验条件

该实验所用预交联凝胶颗粒由胜利油田提供,该种预交联凝胶颗粒由交联体系地面交联形成凝胶,然后经过造粒、烘干、粉碎、筛分等工艺过程制备。在本实验中使用3种预交联凝胶颗粒,粒径范围分别为:150～160目、120～130目以及100～110目。预交联凝胶颗粒在水中以分散的球状微粒存在。通过静态实验观察,其在高温、高矿化度条件下仍具有一定的体膨性。本实验模拟地层温度为80℃,模拟地层水矿化度为19 334 mg/L。

本实验采用1 m长填砂管作为注实验模型,填砂管沿程有4个测压点,入口有一测压点,一共5个测压点。在整个实验过程中通过记录和监测沿程压力分布,确定不同粒径的预交联颗粒,在不同渗透率条件下,预交联凝胶颗粒的运移特性及封堵特性。实验中主要仪器包括B20型双联恒温箱、H100型恒压恒速泵(流量精度≤0.3%)、A10型填砂管,以上设备均由江苏海安公司制备,压力测试装置采用昆仑海岸公司生产的精密压力传感器(精度为± 0.25%)。

1.2 预交联凝胶颗粒运移特征

在本实验中,实验模型上的4个测验点将模型平均分为5段,当该段的测压点压力升起时,则说明预交联凝胶颗粒运移到该段,并且对该段有一定的封堵效果。实验中使用的模型采用60目石英砂填充,渗透率等级为Ⅱ级。注入的预交联凝胶颗粒为150目,压力变化见图1。

Fig.1 Pressure record during inject pre-crosslinked gel particles into sand model图1 砂岩模型注入预交联凝胶颗粒压力变化

从图1可见:①这种预交联凝胶颗粒没有达到理想的远距离运移的效果:在注入比较小PV时,除入口外所有测压点均未有明显的压力显示;当注入1.0PV时第一个测压点才有压力产生,说明注入的颗粒多数堆积在填砂管的前段,没能实现远距离运移,更不用说实现理想的深度调剖作用。②在注入过程中没有稳定压力,没有顺利注入的情况。

1.3 预交联凝胶颗粒封堵性能

堵水调剖剂评价指标有以下几种[5]:

(1)水相残余阻力系数(Frrw):指堵水前后水相渗透率的比值,计算式为

式中:Kwa指处理前的水相渗透率;Kwb指处理后的水相渗透率。

(2)堵水率(E):指堵剂降低岩心渗透率的程度,表达式为

(3)突破压力(Po):注水突破封堵段塞的临界压力。

使用不同目数预交联凝胶颗粒封堵不同填砂管的封堵指标见表1。

表1 封堵评价指标参数Table 1 The parameters of water shutoff

在表1中可以看到:(1)在相同注入介质中,注入相同目数的预交联凝胶颗粒,残余阻力系数,堵水率,突破压力等参数随着注入PV数的增加而增加。(2)在60目砂粒填制的砂砂管中注入100目预交联凝胶颗粒时,当注入0.3PV和0.6PV预交联凝胶颗粒时,颗粒大多堆积在注入端面和输送管线中,没能进入砂管中,因此残余阻力系数和堵水率相比于注入150目颗粒的情况较小。(3)在60目砂粒填制砂管中注入100目预交联凝胶颗粒时,残余阻力系数和堵水率在注入1PV时急剧上升。出现这种现象的主要原因是颗粒与孔喉不匹配,出现了颗粒不能顺利注入的情况。这时颗粒被挤碎注入进砂管中,封堵住了水流通道,为此才会出现残余阻力系数和堵水率急剧上升的情况。(4)在40目砂粒填制的砂管中注入120目预交联凝胶颗粒时,残余阻力系数和堵水率数值均较大。说明颗粒直径远高于孔喉直径,此时的注入已经属于挤压变形注入方式。预交联凝胶颗粒不再是以颗粒的形式存在,完全以胶态的形式存在于砂管中。

2 预交联凝胶颗粒调剖特性研究

2.1 调剖特性实验条件

此实验所用预交联凝胶颗粒编号分别为A1、A2,A1粒径范围在150～160目,A2粒径范围在100～110目。模拟地层温度为80℃,模拟地层水矿化度为19 334 mg/L。

所用注入介质为两层非均质岩心,上层岩心渗透率为800 mD,下层岩心渗透率为3 200 mD,渗透率级差为4倍级差,中间有不渗透隔层。模型采用同注分采模式,注入端在同一入口,采出端分为上下端面,用两量筒分别接采出液的体积,从而测量分流量。通过实验测得不同颗粒粒径下预交联体注入前后的分流量和水测渗透率的变化,评价预交联体的选择性封堵能力,确定预交联凝胶颗粒对层间非均质的调整能力。此实验注入模型为江苏海安公司制备的F10型非均值岩心夹持器,其他仪器设备同运移特征研究实验中所使用的装置。

2.2 调剖特性实验结果及讨论

预交联凝胶颗粒注入4倍级差模型调剖性能曲线见图2。调剖测试模型封堵评价指标参数见表2。

Fig.2 Pre-crosslinked gel particles into the four-fold distinction model of profile control performance curve图2 预交联凝胶颗粒注入4倍级差模型调剖性能曲线

表2 调剖测试模型封堵评价指标参数Table 2 The parameters of water shut off in the profile control model

从表2中可见,预交联凝胶颗粒的封堵效果较好,堵水率分别达到74.12%和94.74%,残余阻力系数分别达到3.86和19.00。从图2中可以看到,处理前后的低渗透层分流率没有明显地改善,低渗层分流量仍旧持续在很低的水平,调剖效果较差。在对以上两个模型注入多 PV模拟地层水后发现,低渗层几乎不出水,注入水几乎全部通过高渗透层。

以上现象的产生主要是由于预交联凝胶颗粒的直径没能很好的与驱替岩心的孔喉配伍,导致预交联凝胶颗粒被挤压进入岩心中,因此预交联凝胶颗粒本应具有的选择性进入高渗透层的特性没能很好的体现。高渗透层和低渗透层同时被挤进预交联凝胶颗粒后,在进行后续水驱时,高渗透层相比于低渗透层较早地被后续水驱突破,而低渗层仍旧被预交联凝胶颗粒堵塞。因此在进行较高PV数后续水驱时,高渗透层流量比例越来愈大,低渗透层位流量越来越少,低渗透层位仍没有被启动。

3 预交联凝胶颗粒与岩心孔喉直径配伍计算

在进行调剖性能实验时出现了封堵效果较好,而调剖效果较差的结果。出现这种现象的主要原因就是预交联凝胶颗粒与岩心的孔喉直径没有配伍,既预交联凝胶颗粒的直径远大于岩心的孔喉半径。在这种情况下,预交联凝胶颗粒没有选择性的进入到高渗透层,而是同时被注入进高、低渗透层位,造成整体的渗透率下降。进行后续水驱时,高渗透层位先于低渗透层位突破,因此调剖的效果较弱,在进行大PV数水驱时,造成相反的结果,即低渗透层位的分流率没有上升,反而下降。

3.1 渗透率与孔喉半径计算方法

根据泊稷叶方程[6],通过毛管束的流量 q(cm3/ s):

应用达西公式也可以计算出流量为:

其中:

由方程(3)、(4)和(5)解出:

其中,r为孔喉半径,K为渗透率,φ为孔隙度。根据朱怀江等[7]研究成果,在常见的渗透率范围(800～1 600 mD)内,天然岩心孔喉半径中值为5.48～8.17μm、孔隙半径中值为37.17～40.18μm ;石英砂胶结岩心孔喉半径中值为3.71～5.48μm、孔隙半径中值为52.48～57.21μm。其测量结果显示:试验测得岩心孔喉半径数值与孔喉半径计算公式所得结果虽略有不同,但相差不大,仅有几个微米的差距。其研究结果显示大多数多孔介质孔喉半径中值的范围为4～16μm。

3.2 预交联凝胶颗粒直径的确定

根据“三分之一架桥”或“三分之二架桥”理论,一般要求颗粒型堵剂直径为地层的平均孔隙直径的1/3～2/3较为合适。由以上公式可以得到,不同渗透率对应可以注入的预交联凝胶颗粒直径如表3所示。

表3 渗透率与预交联凝胶颗粒直径对应关系Table 3 The corresponding relationship of permeability and pre-crosslinked gel particle diameter

由表3可知,如果欲调剖地层渗透率级差为4倍级差,渗透率分别为400 mD和3 200 mD,那么需要的膨胀吸水后预交联凝胶颗粒的大小为微米级。虽然现在生产的预交联凝胶颗粒直径可以接近微米级,遇水后的膨胀倍数在30～200倍[8],膨胀后的预交联颗粒大小很难达到微米数量级。将预交联凝胶颗粒注入数量级相差十倍或者百倍的孔喉中,很难顺利注入,通常都为压碎后挤入。这样的预交联凝胶颗粒在进行调剖作业时是不具选择性注入的,通常出现整体封堵。由于预交联凝胶颗粒的直径和孔喉直径的关系,颗粒在运移和封堵时是不会出现“三分之一架桥”现象的。通常在注入预交联凝胶颗粒过程中,由于颗粒直径与孔喉直径的不匹配,还会出现预交联凝胶颗粒没有在注入过程全部进入实验岩心中,而是在注入端面形成堆积,如图3所示。这种注入端面的堆积如果形成在非目的层位,则调剖效果非但没有体现,还会损害其他非层位。为此,在进行预交联凝胶颗粒调剖作业时,实施高低渗透层位笼统注入是不可取的,应采用分层注入的方式进行操作。否则,非但不会达到预期的效果,还有可能起到相反的作用。

Fig.3 The pre-crosslinked gel particle in front of model图3 注入端堆积的预交联凝胶颗粒

根据实验的结果和结论认识到颗粒堵水调剖的前景是十分广阔的,但是对应用的颗粒要求比较严格,理想的颗粒应该具有以下几个性质:①膨胀后的颗粒大小应该还处在微米量级,这样的颗粒才能够顺利注入并且能够到达油藏深部,从而完成油藏深部液流转向作用。②颗粒应该具有较好的弹性,这样才可以实现变形通过孔喉的效果。③颗粒本身能够很好的抗剪切,即具有一定的强度,抗击在运移过程中的剪切作用。④生产成本较低,能够在大多数油田得到推广和应用。这种理想的颗粒如果能够投产的话,会成为我国油田堵水调剖作业又一新兴力量。

4 结论和建议

1)使用的预交联凝胶颗粒远距离运移没能实现,不具有深度调剖作用。

2)从水相残余阻力系数、堵水率、突破压力等参数分析,使用的预交联凝胶颗粒的封堵效果较好。

3)在进行调剖性能实验时,使用的预交联凝胶颗粒对整体的调剖作用微弱,后续水驱初期对分流率影响不大,大PV水驱后显示对低渗透储层有损害作用。

4)计算所得出的结果显示,预交联凝胶颗粒的大小一般与岩心的孔喉难以顺利匹配,多数情况注入不顺利,笼统注入时几乎没有选择性,对非目的层位有一定的伤害。

5)现有的预交联凝胶颗粒,要实现选择性注入或深度调剖的效果,还需进行很大的改进。

[1]韩学强.国外高含水油田堵水、调剖、封堵大孔道配套技术及应用[M].北京:石油工业出版社,1994.

[2]Smith JE.Performance of 18 polymers in aluminium cit ratecolloidal dispersion gels[J].SPE:28989,1995.

[3]郭艳,李树斌,吕帅,等.预交联颗粒调剖剂的合成与性能评价[J].精细石油化工进展,2007,8(10):5-8.

[4]周亚贤,侯天江,郭建华.耐温抗盐预交联颗粒调剖剂的研制与性能评价[J].精细石油化工进展,2004,5(12):22-24.

[5]田士章,王永志,严万洪.堵水调剖剂堵水机理与性能评价[J].辽宁化工,2007,36(1):46-47.

[6]洪世铎.油藏物理基础[M].北京:石油工业出版社,1985.

[7]朱怀江,刘强,沈平平,等.聚合物分子尺寸与油藏孔喉的配伍性[J].石油勘探与开发,2006,33(5):609-613.

[8]熊春明,唐孝芬.国内外堵水调剖技术最新进展及发展趋势[J].石油勘探与开发,2007,34(1):83-84.

(Ed.:YYL,Z)

Research on Profile Control and Water Shut-off Performance of Pre-Crosslinked Gel Particles and Matching Relationship Between Particle and Pore Size

LI Dong-xu,HOU Ji-rui,ZHAO Feng-lan,SUN Li-li,WANG Ai-hua
(China University ofPetroleum(Beijing),Beijing102249,P.R.China)

26October2009;revised14March2010;accepted22March2010

Experiments on injectivity and profile control performance of pre-crosslinked gel particles widely used in oilfields were done.The results show that the injectivity of pre-crosslinked gel particle is poor.Most of particles pile up in the front of sand pack,and the migration distance of pre-crosslinked gel particles is less than 20 cm,which lead to the formation of filter cake and the poor effects of depth profile control.The injection of pre-crosslinked gel particle is selectivity.In the early stage of profile control,the diversion rate of low permeability layer increases slightly,and the effect is less than 2%.After longterm waterflooding,due to the easily breakthrough in higher permeability layers,the diversion rate of low permeability layer declines in comparison that before the operation.It is indicated that pre-crosslinked gel particles will harm low permeability layers.It is calculated and analyzed that the diameters of current pre-crosslinked gel particles are bigger than pore size.Theoretically,current pre-crosslinked gel particles are difficult to be applied in depth profile control.

Pre-crosslinked gel particle;Profile control and water shut-off;Particles diameter;Pore size

.Tel.:+86-10-89732018;fax:+86-10-89734612;e-mail:ldx4881@163.com

TE39

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.007

2009-10-26

李东旭(1983-),男,黑龙江青冈县,在读硕士。

国家“十五”攻关项目(2003BA613-07-05)。

1006-396X(2010)02-0025-04