纳米微球运移封堵性能影响因素研究
2021-03-04刘丰钢李晓伟刘光普李建晔杨会峰韩文彬
刘丰钢,李晓伟,刘光普,李建晔,杨会峰,韩文彬
(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部,天津 300459)
国内对纳米微球在多孔介质中的运移和封堵机理研究较少,文献中指出颗粒的尺寸和封堵效果虽有一定关系,但尺寸小于喉道尺寸仍可以产生良好的封堵效果,但仅提及喉道的捕集作用,未指出产生捕集效果的机理和原因[1-3]。其次,微球体系调剖产生效果的机理是表层吸附和架桥作用双重影响的结果,但是并未对此进行深入探讨。实际上,胶体颗粒在多孔介质中产生封堵效果是由于4 个原因:粒径尺寸、表面沉积、桥架和水动力学滞留,四个原因综合使颗粒体系在多孔介质中具有封堵效果[4-5]。因此,本文针对纳米微球运移封堵性能的影响因素展开了重点研究。
1 纳米微球运移封堵性能机理
1.1 纳米微球组成结构
聚丙烯酰胺水溶性高分子是油田目前应用范围最广,开展相关研究最多的三次采油化学助剂。它属于线性高分子的范畴,依靠黏度作用于整个渗水通道。由于它聚合较为容易、聚合物分子量高,因此目前开发应用的纳米微球均是以聚丙烯酰胺为高分子主体,辅以一定的水解离子单体、耐温抗盐组分以及交联剂,通过现代化学合成方法聚合而成,从而使得线性的高分子成为网状体型纳米微球[6],如图1 所示。
1.2 纳米微球作用机理
如图2 所示,纳米微球在地层水矿化度和温度的作用下,会发生水化膨胀,在透射电镜的观察下,纳米微球会形成明显的两层结构,外层为水化膨胀层,内层密度较大为未水化膨胀层。随着纳米微球在地层水矿化度和温度的长时间作用下,外面的水化膨胀层逐渐扩大,而中间的未水化层则逐渐减少,体积发生膨胀。
图1 纳米微球组成结构示意图
图2 纳米微球水化膨胀示意图
胶体颗粒在多孔介质中产生封堵效果是由于四个原因:粒径尺寸、表面沉积、桥架和水动力学滞留,四个原因综合使颗粒体系在多孔介质中具有封堵效果。多孔介质中运移颗粒通过孔喉时,主要表现为3 方面作用:(1)在高渗透区,大的纳米微球能对大通道实行封堵,逼迫水流转向,波及中低渗透区,扩大驱油面积;(2)在中、低渗透层具有吸附堵塞喉道的作用;(3)被剪切破碎的纳米微球可阻塞更小的喉道。
2 纳米微球运移封堵性能影响因素研究
2.1 研究目的
考察在不同渗透率条件下,纳米微球分散体系在70 ℃油藏条件下的传播及运移性能,筛选出最佳的复合乳液球使用参数。同时研究该纳米微球体系不同注入速度、段塞大小的运移封堵性质,分析不同影响因素对其运移封堵性质的影响。
2.2 研究方法
借助室内物理模拟实验,研究不同影响因素对纳米微球封堵性能的影响规律。
实验步骤:
1)选取满足渗透率要求的一定粒径的砂粒,以保证每次填制的砂管渗透率相对稳定。采用150目(106 μm)沙粒填制的砂管(渗透率稳定在1 500~2 500 mD)。
2)将砂管填制好后,抽真空。
3)饱和地层水,精确计量饱和水的体积,即岩心的孔隙体积。
4)按图3 图示连接好设备,设定实验温度为地层温度70 ℃,升温之后,水测渗透率,得到渗透率值K。
图3 实验流程图
5)以设定的不用注入速度的流量注入设计段塞大小的已水化一定天数的调驱剂。
6)后续进行水驱测突破压力梯度和堵后渗透率,计算封堵率,残余阻力系数等。
7)更换设计参数进行重复实验。
2.3 不同影响因素分析
1)不同浓度对纳米微球分散体系运移封堵性的影响
从封堵率来看,0.2%和0.4%的纳米微球分散体高,从残余阻力系数来看,0.2%和0.4%的纳米微球分散体系的残余阻力系数相近,说明堵剂的浓度的提高并未大幅影响封堵效果,考虑经济因素,0.2%的纳米微球分散体系为最优堵剂。
不同浓度的纳米微球分散体系的室内试验参数表见表1。
表1 不同浓度的纳米微球分散体系的室内试验参数表
2)不同注入速度对纳米微球分散体系运移封堵性的影响
纳米微球按照不同流速注入后封堵结果见表2。
①封堵强度与注入速度有很大关系,并且随着注入速度的增加,纳米微球形成封堵的能力变弱。
②由沿程压力变化趋势可以看出,当流速很小时,纳米微球在管内运移形成封堵距离比大流速形成封堵的距离远。和小流速注入相比,高速率注入虽然可以快速地将纳米微球向砂管内运移,但是由于流速过快,在砂管内部仍很难形成有效封堵,故总压力梯度显示较小值。
③由沿程压力可以看出,小流速注入时,形成的封堵时的整体效果,是一种“段塞”式封堵。由固相侵入理论可以知道,由于流速小,增加了微球颗粒和砂砾之间的作用时间,降低孔隙导流能力。当微粒因聚团、表面沉积等原因形成大粒径介质,流入孔喉中形成一个桥塞时就形成了孔喉桥堵。当微粒大于孔喉时也会形成桥堵。桥堵一旦形成,将会大大降孔喉渗透率。在大孔喉处微球体系“团簇”依附在孔喉边缘时,会捕集其他微球“团簇”,当数量达到一定程度时会形成对高渗透层的整体封堵效果。此外,微球还可以形成表面沉积,此时微球主要沉积附着在颗粒/孔隙的表面。这一过程取决于包括孔隙水动力学、颗粒与孔隙表面的静电压差、孔隙表面结构等这些物理参数和化学参数。仅在这一阶段造成的封堵非常小,但结合桥架封堵,形成一定程度的封堵贡献。
3)不同段塞大小对纳米微球分散体系运移封堵性的影响
突破压力是评价凝胶体系性质的重要参数,它反映凝胶强度的大小,代表凝胶的封堵强度,且与凝胶的黏度、附着力有关。
突破压力梯度=突破压力/岩心长度(kPa/cm)。
残余阻力系数RRF 定义为胶体系注入前的水测渗透率与注入后的水测渗透率的比值,该值反映了胶体系降低多孔介质渗透率的能力。通常,RRF越大,采收率越高。通过残余阻力系数的测定说明调剖体系对岩心具有封堵性,其封堵性能的强弱由封堵率来评价。本文采用式(1)进行计算:
式中:K1和K2—分别为堵前和堵后的水测渗透率。
如表5 所示,随着纳米微球体系注入量的增加,封堵后水测渗透率逐渐降低,表明纳米微球体系有很好的封堵性能。
表5 注入参数与纳米微球体系的运移、封堵规律效果表
由于突破压力逐渐增大,致使残余阻力系数增加,封堵率增加,体系具有降低孔喉渗透率的能力。当注入量从0.2 PV 增加到0.4 PV 时,封堵率由84%增加到93%,封堵效果明显上升,说明注入量对体系的封堵能力有很大影响。
3 结论
1)综合考虑微球运移能力和核壳球存运移能力两方面因素,优选出了纳米微球分散体系最佳浓度和核壳微球分散体系为最优堵剂浓度。
2)在一定低注入速度范围内,微球的封堵能力基本稳定。随着注入速度的增加,超过某一临界注入速度,两种微球的封堵能力均变弱。
3)过低的注入量对油藏的封堵效果有限,要保障微球注入量的合适和足够。在经济可靠的前提下,保障注入量的稳定和充足,才能使得封堵效果好。