渤海油田残留聚合物再利用新型调驱剂

姜维东,张 健,戴彩丽,杨 帅,魏子扬

(1.中国海洋石油有限公司 开发生产部,北京 100010; 2.海洋石油高效开发国家重点实验室,北京 100027; 3.中海油研究总院,北京 100027; 4.中国石油大学(华东),山东 青岛 266588)

渤海油田残留聚合物再利用新型调驱剂

姜维东1,2,张 健2,3,戴彩丽4,杨 帅4,魏子扬4

(1.中国海洋石油有限公司 开发生产部,北京 100010; 2.海洋石油高效开发国家重点实验室,北京 100027; 3.中海油研究总院,北京 100027; 4.中国石油大学(华东),山东 青岛 266588)

针对渤海油田聚合物驱后油井含水率上升快,地层残留大量聚合物随采出液无效采出的问题,通过实验,研制一种适合渤海油田的残留聚合物再利用新型调驱剂,利用地层残留的聚合物形成絮凝体封堵高渗透层,控制含水上升速度和扩大流体波及体积.结果表明:再利用调驱剂淀粉改性型阳离子聚合物ZRS与低质量浓度、低相对分子质量的残留聚合物,通过 “静电缔合”和“吸附架桥”作用形成空间网络结构,封堵优势通道,提高流动阻力;ZRS具有较好的注入性,剪切后黏度保留率可达90%以上,60 d后对岩心的封堵率保持为94%,实验采收率较聚合物驱后续水驱增加10.6%.

渤海油田;残留聚合物;新型调驱剂;淀粉改性型阳离子聚合物;絮状体系

0 引言

目前,渤海油田进行聚合物驱的矿场试验,已取得较明显增油降水效果[1-3].渤海油田具有高孔高渗、非均质强、储层结构疏松、易出砂和地层水矿化度高等特点.经过长期注聚开发,很多注聚受效油井现已出现含水率上升较快、产聚质量浓度较高的严重问题,随着油田进入中高含水开发阶段,油井过量产水严重影响油藏开发效果.同时,聚合物驱后约50%的注入聚合物以溶解、吸附和捕集3种方式残留在地层中[4-5].这些残留聚合物可被絮凝形成絮凝体,封堵高渗透层、改善吸液剖面,进一步提高聚合物驱后水驱采收率,达到深部调驱的目的,而且再利用调驱剂与地层中残留聚合物发生絮凝反应,可减小后期处理产出液中聚合物处理的影响.

近年来,聚合物驱后进一步提高采收率的方法研究主要是关于聚合物冻胶[6]、二元复合驱[7-9]、冻胶泡沫[10-11]、高质量浓度聚合物驱[12]和再利用调驱等方面,但只有再利用调驱技术能够充分利用地层优势通道中残留聚合物降低海上聚合物的大量产出.目前,地层残留聚合物再利用技术和应用主要集中在无机絮凝剂稳定化钠土和金属交联剂方面,但结合渤海稠油油田高效开发特点,稳定化钠土和金属交联剂不能满足技术需求.因此,笔者针对油田实际条件和聚合物性质[13],开展一种适用于渤海油田注聚区的残留聚合物再利用调驱剂实验,为渤海油田地层残留聚合物再利用调驱技术决策提供依据.

1 实验材料

(1)药剂.聚合物为法国SNF公司生产,质量分数为88%,相对分子质量为2 200×104,水解度为24.25%;再利用调驱剂为淀粉改性型阳离子聚合物ZRS,相对分子质量为200×104.

(2)油.将脱水原油和煤油以一定比例混合配制模拟油,黏度在57℃温度条件下为17 mPa·s.

(3)水.渤海某油田注入水(总矿化度为2 902.22 mg/L,其中Ca2++Mg2+,Na++K+,SO2-4,HCO-3,Cl-分别为30.61,950.89,43.62,924.45,845.52 mg/L).

(4)岩心.人造柱状岩心(φ2.5 cm×10.0 cm),气测渗透率为1 500×10-3μm2,孔隙度为28%～30%.人造三层非均质岩心(φ4.5 cm×φ4.5 cm×30.0 cm),高渗透层气测渗透率为2 250×10-3μm2,中渗透层气测渗透率为1 500×10-3μm2,低渗透层气测渗透率为750×10-3μm2,岩心非均质变异因数为0.68,各层厚度均为1.5 cm.

2 配方优选

配制质量浓度为5 g/L聚合物母液和质量分数为3%的改性淀粉型阳离子聚合物ZRS母液,稀释后预剪切.加入适量NaOH使聚合物溶液水解,得到实验用聚合物溶液(32.75%～33.5%,特性黏数范围为1 118.50～1 289.35 cm3/g).将不同质量分数的ZRS溶液分别加入到不同质量浓度的聚合物溶液中,观察絮凝反应并记录不同体系絮凝沉淀.同时,将混合液离心处理(2 000 r/min,10 min),测定离心后上层液黏度,结果见表1.

表1 絮凝实验结果Table 1 The results of flocculation experiment

由表1可知,聚合物质量浓度越高,形成的絮状沉淀强度越大,界面越清晰;相同聚合物质量浓度条件下,随着ZRS质量分数增大,沉淀出现松散浑浊现象,絮凝沉淀与溶液界面不明显.离心后黏度测定可知,随着ZRS质量分数增加,调驱剂黏度逐渐降低,直至接近模拟水的黏度.因此,ZRS溶液与地层中残留聚合物存在一个完全反应时的阴阳离子最佳质量比,即地层中残留聚合物质量浓度为200～1 200 mg/L、ZRS体积为聚合物体积的1/2时,两者完全反应所需阴阳离子质量比为1∶20,ZRS质量分数为0.8%～2.4%.综合考虑成本因素,ZRS质量分数优选为0.8%～2.0%.

3 絮凝体微观形貌

聚合物驱后,阴离子聚合物在岩石表面的吸附量大小不同,因此,在岩心孔喉中,阴离子聚合物的电荷密度不同.把阳离子聚合物作为一种絮凝剂,吸附在岩石颗粒物表面有“环”、“尾”、“卧”3种形态,具有高电荷密度的高分子絮凝剂的吸附趋向于平的“卧”型,而具有低电荷密度的高分子絮凝剂的吸附是“环”和“尾”型[14].

3.1 在溶液中

聚合物质量浓度为1 g/L和ZRS质量分数为1.2%再利用调驱剂反应结果见图1.反应后絮凝体的微观结构见图2.

由图2可知,阴阳离子聚合物混合后,形成的絮凝体在盐水溶液中能形成致密的网络结构,多呈现“片状”、“云朵状”和“粒状”,直径为0.5～50.0μm.

为了更清晰观测絮凝体的微观结构,将图2(a)局部放大到35 000倍得图2(b).由图2(b)可知,在溶液中阳离子聚合物和阴离子聚合物形成的絮凝体的强度很大,呈现不规则的线性结构,同时多层絮凝交叉叠加.这表明ZRS在水中很容易解离,形成含有阳离子基团的聚合物溶液,阳离子基团主要是通过“吸附-中和”作用,与砂岩表面吸附的聚合物和孔隙中溶解的聚合物表面阴离子基团结合在一起,形成较为致密的絮凝沉淀.由于阴、阳离子聚合物可参与反应的基团很多,一个阳离子聚合物可与多个阴离子聚合物反应,一个阴离子聚合物也可与多个阳离子聚合物反应,因此形成体积大和强度高的絮状沉淀.在图2(b)中,“片状”的絮凝体中间存在“空洞”,同时,絮凝体呈现较紧密、较光滑的结构形态,与单纯的阴、阳离子聚合物溶液的相貌不同.因此,这些具有网络结构的絮凝体是2种聚合物溶液混合后产生的,较高的致密程度和骨架强度产生较强封堵作用.

图1 阴阳离子聚合物溶液和絮凝体Fig.1 Cationic and anionic polymer solution and formed flocculating substance

图2 絮凝体在溶液中的微观结构Fig.2 Micro morphology of flocculating in solution

3.2 在孔隙介质中

在渗透率为1.0μm2的岩心中注入0.5 PV(PV为注入孔隙体积倍数)的聚合物溶液加0.5 PV的ZRS溶液,将岩心迅速取出置于装有液氮的保温杯中,冷冻24 h.再将岩心放在冷冻干燥剂中抽真空冻干超过24 h.将岩心夹断,取岩心中间部分的岩样,固定喷金,置于扫描电子显微镜下观测.

阴离子聚合物在孔隙介质中的微观结构见图3,注入阳离子聚合物后形成的絮凝体微观结构见图4,放大后的网状结构见图5.

由图3(a)和图3(b)可知,阴离子聚合物在岩心中有较大的滞留量,质量浓度较高,聚合物多以成片附着在岩石表面,基本看不到网络结构,同时将倍数放大至2 000倍;由图3(b)可知,岩石表面吸附大量的阴离子聚合物,表面带负电,为后续注入阳离子聚合物溶液相遇后发生絮凝作用提供条件.

图3 阴离子聚合物在孔隙介质中的微观结构Fig.3 Micro morphology of anionic polymer in porous media

图4 絮凝体在孔隙介质中的微观结构Fig.4 Micro morphology of flocculating in porous media

由图4(a)可知,带相反电性的阳离子聚合物与阴离子聚合物在孔隙中或者岩心表面相遇后,在电荷密度比较大的区域(图4(a)红色区)发生强烈的“电性—中和”作用.这是由于岩心颗粒表面的电荷密度大的区域,阴离子聚合物分子聚集在一起,呈“圆球”或者“椭球”状,阳离子聚合物分子以“卧”型方式发生吸附和电性中和.同时,在电荷密度比较小的区域(图4(b)红色区)发生“静电缔合”和“吸附架桥”作用,阳离子聚合物分子在岩心中的吸附大多是“环”和“尾”型,这种作用使每个阳离子聚合物分子可以与多个阴离子聚合物分子或者“带负电”的岩心颗粒结合,而一些“带负电”颗粒可以同时与不同的阳离子聚合物分子结合,形成架桥作用,呈现空间立体网状结构.

为了更清楚观察絮凝体的微观结构,将图4(b)红色圆圈区放大,得到图片(见图5).由图5可知,在絮凝过程中,阳离子聚合物分子在岩心中的吸附大多是“环”和“尾”型,这种作用使每个阳离子聚合物分子可以与多个阴离子聚合物分子或者“带负电”的岩心颗粒结合,而一些“带负电”的岩石颗粒可以同时与不同的阳离子聚合物分子结合,形成架桥作用,从而在孔隙介质中絮凝体呈现比较规则的网状结构,并且其网络致密、规模大、连续,骨架的强度比较高,从而封堵大孔道.

图5 絮凝体在孔隙介质中的微观结构(300倍)Fig.5 Micro morphology of flocculating in porous media(300 multiple)

4 性能评价

4.1 抗剪切能力

在室温下,配制质量分数为3%ZRS母液,分别稀释成质量分数为0.8%、1.0%、1.5%、2.0%的溶液配方,用Warning搅拌器剪切,测其黏度变化,结果见表2.由表2可知,4种质量分数的再利用调驱剂溶液的黏度有不同程度降低,但黏度保留率在93%以上,ZRS溶液有较好的抗剪切性.

表2 剪切作用对再利用调驱剂溶液黏度的影响Table 2 The effect of shearing action on viscosity of residual polymer recycling oil-displacement agent

4.2 注入性能

采用多孔测压渗流装置测定ZRS的注入性能,装置见图6,其中测压填砂管为φ2.5 cm×100 cm,渗透率为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(地层水)+0.50 PV(1.0%ZRS),记录各测压口的压力随着注入孔隙体积倍数的变化关系,结果见图7.由图7可知,注入ZRS溶液后,注入压力逐渐增加,当注入0.50 PV时,压力最大为0.095 MPa,说明ZRS溶液注入后与地层残留聚合物发生絮凝反应,但能够保证良好的注入能力.

图6 多孔测压渗流装置Fig.6 The porous manometry seepage device

图7 不同流体注入孔隙体积倍数时测压点的注入压力变化曲线Fig.7 The relationship between manometry point pressure and injection fluid pore volume ratio

4.3 封堵能力

根据残余阻力因数FRR和封堵率E,评价ZRS与地层残留聚合物相互作用对地层封堵能力,结果见表3.由表3可知,单独注入ZRS溶液,地层残余阻力因数和封堵率较小,说明封堵性能较差;当注入聚合物溶液后,再注入ZRS溶液,地层残余阻力因数和封堵率逐渐增大,并且随着聚合物质量浓度增加,残余阻力因数和封堵率最终可达35.54%和97.18%,封堵性能较好.

4.4 热稳定性

在57℃温度下,800 mg/L聚合物+1%ZRS体系放置60 d,考察封堵率随时间的变化关系,结果见图8.由图8可知,填砂管岩心注入再利用调驱剂ZRS后放置60 d后的封堵率在94%左右,因此有很好的长期热稳定性能.

4.5 驱油实验

实验步骤:(1)取岩心1号,抽真空饱和水,记录孔隙体积、岩心饱和油,并在地层条件下老化72 h;(2)水驱至产出液中含水率达到70%;(3)注入0.30 PV聚合物溶液;(4)水驱至产出液中含水率达到95%,计算采收率E1;(5)取岩心2号,重复步骤(1)～(4);(6)过顶替0.05 PV的水段塞,注入0.30 PV的再利用调驱剂溶液;(7)转注水,水驱至产出液中含水率达到95%,计算采收率E2.聚合物驱和再利用剂驱采收率、含水率和注入压力与注入孔隙体积倍数的变化实验结果分别见图9和图10.

表3 再利用调驱剂质量浓度对封堵能力的影响Table 3 The effect of mass concentration of ZRSon sealing ability

由图9和图10可知,1号岩心注入聚合物后转注水驱后,含水率上升较快,当含水率达到95%时,采收率约为50.93%;2号岩心聚合物驱后注入再利用调驱剂ZRS,当含水率达到95%时,采收率达到61.53%,比聚合物驱时采收率增加10.60%.再利用调驱剂与聚合物通过絮凝作用产生絮凝沉淀,控制聚合物驱产生的高渗通道,对后续注入水起到液流转向作用,启动中低渗透层的原油,同时地层残留聚合物得到有效再利用,采收率增加.

图8 封堵率随时间变化曲线Fig.8 The plugging degree changed with time

图9 聚合物驱采收率、含水率和注入压力与注入孔隙体积倍数的变化曲线Fig.9 The degree of reservoir recovery and water-cut changed with injection pore volume of polymer flooding

图10 再利用调驱剂驱采收率、含水率和注入压力与注入孔隙体积倍数的变化曲线Fig.10 The degree of reservoir recovery and water cut changed with injection pore volume of recycling agent flooding

5 结论

(1)优选有机再利用调驱剂——淀粉改性型阳离子聚合物ZRS,能与低质量浓度、低相对分子质量、高水解度的残留聚合物形成体积大、强度高的絮状体,优选最佳注入质量分数为0.8%～2.0%.

(2)阴、阳离子聚合物通过“电性—中和”和“吸附架桥”形成絮凝体,ZRS的注入性较好,剪切后黏度保留率可达93%,岩心流动实验残余阻力因数可达35.54,60 d后对地层岩心的封堵率保持为94%,封堵性能较好.

(3)聚合物驱后注入再利用调驱剂ZRS后,含水率达到95%时,采收率达到61.53%,采收率较聚合物驱后续水驱增加10.60%,可起到较好的残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;编辑:关开澄

国家科技重大专项(2011ZX05024-004-06)

姜维东(1980-),男,博士,主要从事海上油田采油工艺技术方面的研究.