聚合物在高矿化度油藏岩石表面的吸附研究

2010-10-13编译汤思斯张卓西南石油大学研究生部

石油石化节能 2010年5期

关键词：黄原盐浓度岩心

编译:汤思斯张卓 (西南石油大学研究生部)

审校:舒政施雷庭 (油气藏地质与开发工程国家重点实验室·西南石油大学)

聚合物在高矿化度油藏岩石表面的吸附研究

编译:汤思斯张卓 (西南石油大学研究生部)

审校:舒政施雷庭 (油气藏地质与开发工程国家重点实验室·西南石油大学)

油井堵水或减少油井产水是石油工业中必须解决的问题。聚合物驱可降低油藏的水相渗透率,此外,由于聚合物在岩石表面吸附油藏的非均质性降低。研究了两种类型的聚合物—聚丙烯酰胺 (PAA)和聚糖 (黄原胶),评价了不同矿化度、剪切速率和浓度条件下两种聚合物溶液的黏度。首先将准备好的聚合物溶液注入到岩心,目的是通过计算阻力系数和残余阻力系数来评价聚合物在岩石表面的吸附。此外,进一步研究了聚合物溶液注入速率的影响,结果表明:黄原胶溶液有高的耐盐性 (20%),而PAA对盐非常敏感;还需要温度与之配伍,可直达60℃;也发现注入速率越小,聚合物在岩石表面的吸附量越大。因此,推荐黄原胶用于高矿化度、高温油藏堵水。

高矿化度油藏聚合物驱吸附阻力系数残余阻力系数

1 引言

近来统计显示常规原油的发现速度和消耗速度之比是1∶4,二者的差异很大,而且还可能继续增大,这导致了当前原油的产量超过了新增加的储量。以上因素和原油的价格上升,使得提高原油采收率方法变得越来越有吸引力。

众所周知,提高原油采收率 (EOR)的方法分为三大类:热采、化学驱和混相驱。这些方法都需要将流体注入到储层,使流体性质或者界面条件更有利于原油驱替。然而,选择EOR方法之前首先要获取油藏储量详细信息。

通常情况下,在前两个采油阶段 (一次和二次采油方法)采收率降低的主要原因是由于水和油之间的界面张力 (毛管力)、油的黏性 (黏滞力)和油藏岩石的非均质性的存在。

本文主要研究化学驱的一种——聚合物驱。聚合物驱可使可采储量最大化,特别是对许多衰竭或水驱油藏,这些机会依赖于经济条件和目前的油价。然而,选择的化学剂性质如下:在低浓度下有很好的溶解性;良好的注入性;长期稳定性:抗电解质、细菌、温度、氧化作用、p H值的改变;在岩石表面的吸附量低,特别是碳酸盐油藏;简单易行,价格低廉。

另外,聚合物还可以减小油藏的非均质性。因为一次和二次采油的采收率较差的主要地层因素是储层的非均质性,导致了油从高渗透层较快地被驱出,而使低渗透层中的油残留在地层中。非均质性导致的高产水率或者是裂缝导致底水锥进,这对于油田操作者来说是最重要的问题。

石油工业中主要采用两种方法来控制水的突破。第一种方法是机械封堵高渗透层,适用于层间不连通或垂向渗透率较低的油藏,另外,此方法也适用于拥有理想厚度可下必要的封隔器来封堵高产水层的油藏。第二种方法通过用水溶性聚合物控制水的产出,这种方法不但适用于层间相互连通的油藏,也适用于层间不连通的油藏。在不同油藏条件下,水溶性聚合物已经得到矿场测试和应用。

将聚合物注入到被水驱过的储层中,可能只会从该区域采出少量的原油。然而,由于聚合物溶液产生的流体转向作用,聚合物的影响是非常有利的。聚合物在储层的某些部位通过降低水相渗透率来逐渐建立流动阻力,流动阻力的增加将改变后续注入水进入到水驱未波及或波及很少的区域。在高水油比情况下进行的聚合物驱中,流体的转移将比分相流动或者是流度比影响更有意义。如果聚合物影响持续的时间很长,将带来最大的收益。这将优先考虑降低储层的水相渗透率,而不是直接提高聚合物溶液的黏度,因为渗透率降低能持续很长时间。

聚合物驱技术是在注入水中加入一种稠化剂(聚合物)来增加其黏度。尽管最终的残余油饱和度基本上没有受到影响,增加的聚合物将产生两种有利作用:减少达到最终残余油饱和度时的注水量;改善流度比以提高注入水的波及效率。已报道的聚合物驱项目的经济效益差异很大。成功的聚合物驱项目提高采收率范围在5%～15%的原始地质储量。许多未取得经济效益的项目失败的原因是在项目开始之前对油藏描述不够。聚合物溶液通过多孔介质应该考虑因其引起的滞留量、吸附、不可入孔隙体积和捕集。

2 实验工作

要完成这个实验,需要准备如下的实验材料和仪器:聚合物、盐水、岩心、驱替实验装置和黏度仪。

2.1 聚合物溶液

聚合物溶液是在磁力搅拌器的作用下混合聚合物粉末和蒸馏水制得。溶液搅拌一天,然后加入从英国Winlab获取的质量分数为83%的NaCl和质量分数为17%的CaCl2。实验中使用浓度为20% (质量分数)的盐和两种不同类型的商业聚合物。黄原胶的平均相对分子质量是 5×106道尔顿, PAA的平均相对分子质量是0.9×106道尔顿。两种聚合物都是从德国 Sigma-Aldrich公司购得,纯度为99%。这些聚合物能够溶解在氯化钠、氯化镁和氯化钙的溶液中,通过降低注入流体的流度来提高原油采收率和控制水的产出。将取自意大利Carlo Erba、浓度为37%的杀虫剂 (甲醛)稀释到100×10-6后加入到各种溶液中,可以有效抑制细菌对聚合物的降解。甲醛能有效预防细菌的降解是因为氧气。使用甲醛的费用比使用其他化学剂 (如亚硫酸氢盐)的费用少,而且处理问题也很少,因此,常广泛应用于油田。甲醛还是有效的杀虫剂,它持续保护混合后暴露在空气中的聚合物溶液。用5μm过滤器除去溶液中的固体和微凝胶。

2.2 岩心

岩心是从砂岩露头上切下的,通过X射线测量岩心的矿物成分,其由质量分数为86.8%的石英、5.1%的长石、6.8%的黏土和1.3%其他矿物组成。岩心先清洗,然后在120℃烘箱里烘24 h。岩心长度范围为9.3～10 cm,直径范围为4.9～5.1 cm。之后,确定岩心的岩石物性参数。孔隙体积、孔隙度和岩石绝对渗透率值见表1。

2.3 黏度计

在不同的条件下溶液黏度是用标定过的美国生产的带有保温套的Brookfield DV-Ⅲ黏度计测定的。Brookfield DV-Ⅲ可以设定不同温度进行测量,剪切速率可以达到73.43 s-1,黏度值的精确度为±1%。

2.4 驱替装置

安装好实验所需的驱替装置,主要有流体储存容器、驱替泵、岩心夹持器和产出液收集装置。流体流过岩心的压差通过压力传感器测得。

表1 岩心物性数据

3 实验过程

然后岩心用不同浓度聚合物溶液进行驱替。所有的注入速率要维持在60 cm3/h,大约等于2.5 ft/d(1 ft=30.48 cm)的前缘推进速度,系统温度保持在25±1℃,直到岩心进出口压差稳定和产出液的黏度不变为止。阻力系数 (RF)是水的流度和聚合物溶液流度的比值,其计算公式如下:

文中研究了不同盐浓度条件下,矿化度对聚合物溶液性能的影响。在溶液准备好之后,在恒温25 ±1℃条件下,通过测定剪切速率从0.36～73.42 s-1的黏度来评价矿化度对聚合物溶液性能的影响。当确定了矿化度对聚合物溶液的影响之后,就可以开始实验了。驱替实验的过程是对每一个岩心做如下操作:将岩心放在带有橡胶套的岩心夹持器中,围压是通过手摇泵施加的 (液压油达到1 000 psi,1 psi=6.895 kPa);岩心通过真空泵抽真空,然后饱和具有合理矿化度的水;测定孔隙体积和计算孔隙度。在恒定注入速率下,记录岩心进出口压力降,并利用达西公式计算岩心的渗透率:

用盐水驱替岩心测定岩心两端的压差和产出液的黏度。残余阻力系数 (RRF)是注入聚合物溶液之前水的流度和注入聚合物之后水的流度之比,计算式如下:

4 结果与讨论

除了研究盐浓度对聚合物黏度的影响之外,共做了16组驱替实验。8组实验采用不同盐度的黄原胶溶液进行,6组实验采用不同盐度的PAA进行,剩下的两组实验分别用1 200 mg/L和 800 mg/L的黄原胶溶液在60℃ (140℉)条件下进行。另外还研究了注入速率的影响。

4.1 剪切速率和盐浓度对聚合物溶液黏度的影响

图1～图3主要描绘黄原胶溶液黏度实验结果。图1是用淡水配制的不同浓度黄原胶溶液的黏度随剪切速率的变化情况,由图看出:聚合物溶液浓度越高,其黏度越大;当剪切速率增加,溶液黏度降低。当剪切速率高于40 s-1时,浓度对黏度的影响较小,这就意味着增大剪切速率将极大减小聚合物浓度的影响。

图1 在淡水中不同浓度的黄原胶溶液的黏度

图2 在10%盐度下不同浓度的黄原胶溶液的黏度

图2是用质量分数为10%的盐水配制的聚合物溶液黏度随剪切速率的变化情况,其趋势与图1一致,但黏度降低了。例如,当剪切速率为14.7 s-1时,浓度为1 200 mg/L聚合物溶液黏度从40 mPa·s(淡水中)降低到24 mPa·s(10%盐水中)。此外,用质量分数为15%和20%盐水配制的聚合物溶液的黏度随剪切速率的变化趋势,淡水和10%盐水的趋势相同。

图3是浓度为800 mg/L和1 200 mg/L聚合物溶液的黏度随盐浓度的变化情况,可以看出:当盐度浓度低于临界值时,黏度随着盐浓度的增加而降低;当盐浓度高于临界值时,黏度随着盐浓度的增加而升高。这个临界最小值取决于聚合物溶液的浓度。

图3 盐浓度对剪切速率为14.7 s-1的黄原胶溶液黏度的影响

图4是PAA溶液的实验结果。文中没有测定用淡水配制的PAA溶液的黏度,因为它超出了实验仪器的量程。图4是用5%盐水配制的PAA溶液的黏度随剪切速率的变化情况,另外用10%盐水配制的趋势与之一致。蒸馏水是两种聚合物的良溶剂。但由于盐的加入,中和了聚合物分子的电性,从而导致聚合物分子链伸展的力降低。因此,随着盐浓度增加,聚合物分子链收缩,从而降低了溶液的黏度。为了得到合理的聚合物黏度,将显著增加聚合物溶液的浓度,这就意味着PAA对盐浓度是非常敏感的。另外,随着盐浓度的升高,聚合物溶液黏度急剧降低。

图4 在5%盐度下不同浓度的聚丙烯酰胺溶液的黏度

4.2 聚合物溶液在岩石表面的吸附

为了研究聚合物在储层岩石表面的吸附,测定了RF和RRF。黄原胶溶液的测量结果见表2。在渗透率不变的条件下,聚合物溶液的浓度越高,其RF和RRF越高。盐浓度升高,RF和RRF降低,这是由于电解质的作用使得聚合物分子链收缩引起的。然而,这种减小对黄原胶不明显。这就意味着在高矿化度条件下,黄原胶在岩石表面产生吸附量大,这将有利于生产井控水。

PAA的测量结果见表3。在渗透率不变的条件下,RF与RRF的变化趋势与黄原胶一致,只是其值比黄原胶低。通过对测试的两种聚合物在岩石表面的吸附的对比发现:黄原胶溶液在高矿化度井调剖时具有更好的性能。

表2 黄原胶溶液驱替岩心时,RF和RRF的对比

表3 PAA驱替岩心时,RF和RRF的对比

4.2.1 注入速率的影响

从前面的实验可以很明显地看出剪切速率对聚合物溶液有影响。剪切速率的应用是通过注入速率来展现的。随着注入速率的增大,阻力系数变小,其中PAA变化更大。为了得到更高的阻力系数,建议在低的注入速率下注入聚合物。提高注入速率将降低阻力系数和聚合物吸附量,渗透率下降也非常小。这种性质取决于聚合物的类型和相对分子质量。

4.2.2 岩石渗透率的影响

采用不同的渗透率测定阻力系数和残余阻力系数。从表1、2、3可以看出,渗透率越高,其阻力系数和残余阻力系数越高。这意味着岩石的渗透率越高,聚合物在岩石表面的吸附量也越大。因此,能更好地降低岩石的渗透率。

4.2.3 温度的影响

为了研究温度对所选择的聚合物溶液的影响,在52℃条件下,测定了浓度分别为800 mg/L和1 200 mg/L的黄原胶溶液的黏度。温度通过降低溶液的黏度影响聚合物的稳定性。在剪切速率为

14.7 s-1,温度分别为25℃和52℃的条件下,两种溶液的黏度对比结果见图5。浓度为1 200 mg/L黄原胶溶液的黏度从25℃时的30 mPa·s降低到52℃时的21.3 mPa·s,而浓度为800 mg/L黄原胶溶液的黏度从25℃时的15.5 mPa·s降低到52℃时的9.25 mPa·s。

为了确定温度对聚合物在岩石表面吸附的影响,在60℃条件下,用质量分数为20%的盐水配制浓度分别为800 mg/L和1 200 mg/L黄原胶溶液对7号和8号岩心进行实验。阻力系数和残余阻力系数随注入的孔隙体积变化见图6。在这个实验中,当聚合物溶液的注入量达到6 PV时,阻力系数达到最大;而当温度为25℃时,聚合物溶液的注入量达到4.5 PV时,聚合物的阻力系数达到最大。这意味着曲线最高的阻力系数向前转移了。但是温度升高,阻力系数和残余阻力系数的值变化不大。