新型低成本缓膨型凝胶颗粒的研究与应用

2014-06-27王勇,姚斌,陆小兵等

石油天然气学报 2014年11期

新型低成本缓膨型凝胶颗粒的研究与应用

王勇,姚斌,陆小兵,申晓莉 (中石油长庆油田分公司油气工艺研究院低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西西安710018)

为了确保注水井在升压空间较小的前提下顺利进行调剖施工,并降低调剖施工生产成本,延长措施有效期,研发了一种新型低成本缓膨型凝胶颗粒。室内试验表明,该凝胶颗粒的吸水膨胀倍数明显大于常规凝胶颗粒,其膨胀倍数为常规凝胶颗粒的近3～5倍,在高矿化度条件下更加明显;能满足不同矿化度下的膨胀、抗老化和强度要求;在得到相同数量的膨胀凝胶前提下,材料成本约为常规凝胶颗粒的50%。对9口井进行现场试验,对应油井见效率达到62%,日增原油24.45t,累计增油2238t,累计降水3213m3,取得了较好的增油降水效果,能满足升压空间较小的注水井调剖施工要求。

缓膨型凝胶颗粒;高强度;升压空间;深部调剖

油田在进行注水开发时,由于储层的非均质性,其渗透率差异较大,注入水主要进入连通的孔道、裂缝和高渗透性层带,使注入水驱油的波及系数降低,采出液含水不断提高,降低了采油效率和最终的采收率,造成油井水淹,以致于丧失生产能力。为发挥中、低渗透层的作用,提高注水波及系数,需对注水井的注入剖面不均质性进行调整。油田常用方法为化学调剖,其中凝胶颗粒是调剖中常用的堵剂。长庆油田在进行调剖施工时,由于地层物性较差,低孔、低渗,且地层较深,水井的注水压力较高,调剖的升压空间有限,从而导致施工困难。主要体现在3个方面：①如泵入压力过高,则易导致注水井调剖后注不进;②如泵入压力较低,则可能使堵剂无法注入地层,或者注入后堵剂无法进入地层深部,从而使得调剖有效期较短;③由于油水井间裂缝、微裂缝比较发育,在生产中油井水淹方向性较强,水线推进速度很快,进行调剖时堵剂停不住,堵不牢,也使得油井很难见效或有效期较短。为解决以上问题,研发了一种具有延缓膨胀特征的凝胶颗粒,该颗粒能进入到地层深部再完全膨胀,具有较强的吸水性能,能很好地封堵裂缝和大孔道,达到深部调剖的目的。

1 室内试验

缓膨强吸水凝胶颗粒主要是在常规凝胶颗粒的网络中引入高分子网络,通过网络之间的互穿来对其吸水速率起到一定的限制作用,同时在生产体系中引入起泡剂来增加网状结构之间的间隙,从而达到强吸水的功能[1]。研究所用的凝胶颗粒以丙烯酰胺单体为主,引入丙烯酸和抗盐性交联单体2-丙烯酰胺和2-甲基丙磺酸两种高分子,进而形成高分子网络;另外还包括交联剂甲叉基双丙烯酰胺,引发剂过硫酸铵,p H值调节剂氢氧化钠,增强剂钠基膨润土,吸水增强剂等。其中丙烯酰胺、丙烯酸以及抗盐性交联剂中都具有双键,在引发剂的参与下能够发生聚合反应,反应合成一种高密度网状结构的凝胶颗粒。为进一步验证该颗粒的性能,从5个方面对其性能进行了室内评价。

1.1 吸水膨胀性能评价

凝胶颗粒的膨胀性能包括其吸水膨胀倍数和膨胀时间等[2]。实验中将常规凝胶颗粒和缓膨型强吸水凝胶颗粒在清水和地层水中的吸水膨胀性能进行了测试,其结果如图1所示,缓膨强吸水凝胶颗粒的吸水膨胀倍数明显大于常规凝胶颗粒,其膨胀倍数为常规凝胶颗粒的3倍,缓膨强吸水凝胶颗粒的吸水时间明显变长,特别在高矿化度条件下地层水中,其优势更加明显。

1.2 抗温抗盐性能评价

取质量分数为1%的0.1～0.3mm的干缓膨强吸水凝胶颗粒,膨胀时间12h,考虑到长庆油田的油层实际地层温度,试验时温度设为50、60℃。其在不同矿化度下的膨胀性能如表1所示,随着盐度的增加,吸水膨胀倍数下降,其主要原因是凝胶颗粒在吸水膨胀后聚合物分子链段上存在大量可离解基团,生成高分子负离子和大量阳离子,形成稳定的电场;当引入阳离子时,由于阳离子对负电荷的屏蔽作用,导致高聚合物分子之间的作用力减弱,体系的弹性自由能降低,故吸水能力降低。但在50、60℃的温度范围,温度对其影响相对较小,因此对于不同深度的地层,凝胶颗粒都能满足要求。

图1 凝胶颗粒的吸水膨胀性能

表1 不同矿化度下凝胶颗粒的膨胀倍数

1.3 强度性能评价

采用流变仪测试常规凝胶颗粒和缓膨型凝胶颗粒吸水前后的弹性模量大小,从而判断凝胶强度[3]。常规凝胶颗粒和缓膨强吸水凝胶颗粒在吸水前后的测试结果如表2所示,缓膨强吸水凝胶颗粒的弹性模量无论是在吸水前还是吸水后都比常规凝胶颗粒的要小,但是相差不大,且从强度上来看具有较高的强度。

表2 凝胶颗粒弹性模量测试

1.4 老化性能评价

为了测试凝胶的老化性能,将凝胶颗粒分别放在清水和地层水中进行吸水,并将配制好的溶液放入老化罐,在60℃烘箱中进行老化试验[4]。测试结果如图2所示,凝胶颗粒首先吸水膨胀,吸水倍数逐渐增加,而后缓慢下降,但其吸水膨胀倍数下降幅度较小;且经过100d后仍能有效,故满足现场应用要求。

图2 凝胶颗粒老化试验结果

1.5 保水性能评价

凝胶颗粒充分吸水后形成凝胶,其保水性能主要是指形成的凝胶保持不脱水的能力。凝胶脱水主要有2种方式：一种是受力脱水,如受到压力或离心力;另一种是加热蒸发脱水[5]。

试验采用加热蒸发脱水方式。分别称取常规凝胶颗粒和缓膨强吸水凝胶颗粒各100g,放入封闭的烧杯清水中,充分膨胀,置于60℃电热恒温箱中,依次按不同的时间取出,称取凝胶的质量,结果如表3所示,两种凝胶颗粒的保水率都大于90%,保水性能较好;常规凝胶颗粒的保水性能要略好于缓膨强吸水凝胶颗粒,其主要原因是缓膨强吸水凝胶吸水量比较大,初始时含水较多。

表3 凝胶颗粒保水性能评价结果

2 经济性评价

以每吨完全吸水凝胶颗粒的总成本来比较常规凝胶颗粒和缓膨型凝胶颗粒的成本。以1t水生产两种产品的成本情况如表4所示。考虑常规凝胶产品的吸水膨胀倍数为6,缓膨强吸水凝胶颗粒的吸水膨胀倍数为16。其膨胀之后的颗粒总量及成本如表5所示,得到相同数量的膨胀后凝胶,缓膨强吸水凝胶体系的材料成本要远低于常规凝胶体系。

表4 凝胶颗粒材料成本分析

表5 凝胶成本分析表

3 现场试验效果

为验证新型缓膨型凝胶颗粒的具体效果,对其进行了9口井的现场调剖试验。试验时将常规调剖体系 “凝胶颗粒+无机凝胶+弱凝胶”调整为 “缓膨强吸水凝胶颗粒+无机凝胶+弱凝胶”调剖体系,在施工中凝胶颗粒和无机凝胶采用两轮次注入方式。

3.1 吸水能力变化

吸水能力和启动压力是评价注水井注水情况的基本参数。通过对9口井的吸水指数和启动压力进行对比(表6)可知,视吸水指数由调剖前的182.64m3/(d·MPa)下降到115.37m3/(d·MPa),启动压力由13.58MPa上升到15.97MPa,说明堵剂有效地封堵了高渗透层,降低了高渗透层的吸水能力,注水井的吸水状况得到改善。

表6 试验井调剖前后视吸水指数和启动压力情况统计表

3.2 增油降水效果

9口试验井周围对应油井58口,其中36口见到了效果,如表7所示,油井见效率达到62%,日产液由238.54m3下降到213.45m3,日产油由41.74t增加到61.86t,日增原油20.12t,累计增油达到2679.9t,累计降水4978m3,取得了很好的增油降水的效果,证明了所研发的新型堵剂体系对低渗透油藏是适应的。