JZ9-3油田注入井堵塞物组分分析及形成机理研究*

2022-09-15鲍彦锋郑凯亓高建崇唐晓旭薛宝庆

化学工程师 2022年8期

鲍彦锋，郑凯亓，高建崇，唐晓旭，薛宝庆

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300450；2.提高油气采收率教育部重点实验室（东北石油大学），黑龙江大庆 163318）

聚合物驱是提高原油采收率的重要技术之一，通过宏观封堵大孔道、增大波及体积来提高原油的采收率，在陆相和海上油田均起到了良好的稳油控水作用[1-5]。但聚合物驱过程中，虽然提高了采收率，但实施过程中由于聚合物与油藏配伍性不佳、聚合物熟化差等问题，也导致地层堵塞，注入困难等问题[7-12]。渤海油田在聚驱开发的稳步实施，也出现了注聚井堵塞严重、注入压力不断升高、注聚困难、产液下降及动液面降低等问题，严重影响了油田的正常生产[13-17]。

JZ9-3油田是渤海油田中的一个中型油田，于1988年在渤海辽东湾北部海域发现，该油田是一西北侧以大断层为边界的狭长状、北东向展布的半背斜构造，整个构造长1.7×104m，宽2.5×103m，最大圈闭面积36×107m2，构造幅度210m。油气藏类型属构造-岩性油藏。岩性以含砾砂岩、中-细砂岩为主；储集空间以粒间孔为主，孔隙度较高，主要分布在22%～36%之间，渗透率中等偏高，主要分布在0.01～5μm2，总体上具有中高孔渗的特征；非均质性为渗透率变异系数0.75，非均质性较强。主力油层段原油地下黏度10.0～26.0mPa·s，具有两高、三低、一中等的特点：密度高、胶质含量高，凝固点、含硫量、含蜡量低，黏度中等。自2007年开始，锦州9-3油田W平台开始注聚先导性矿场试验。2015年5月后，形成8注32采注采规模。目前，部分注入井注入量显著降低，常规的酸化解堵措施效果不佳，且有效周期较短，因此，急需针对JZ9-3油田的注入井堵塞物开展分析。本文利用化学分析、仪器检测等手段对JZ9-3油田的堵塞物的进行分析，并结合JZ9-3油田实际生产情况对堵塞物的形成机理进行了研究，为油田下一步开展解堵剂的研究部分奠定了基础。

1 实验部分

1.1 实验材料

JZ9-3油田注入井垢样外观见图1。

图1 注入井返出垢样Fig.1 Scale sample returned from injection well

实验用水为JZ9-3油田模拟注入水，水质分析见表1。

表1 溶剂水离子组成Tab.1 Ionic composition of solvent water

1.2 仪器设备

利用布氏黏度计、坩埚、蒸馏装置、恒温箱、超声波分散仪和X射线衍射（XRD）对无机物进行分析，确定各种无机物含量。

1.3 实验方法

1.3.1 复合堵塞物组分分离复合堵塞物分离主要包括：油、水、无机垢和聚合物的分离。

（1）原油含量测定首先，选择JZ9-3油田西区W4-2注水井井口返出物作为实验用垢样，取出100g置于广口瓶内。加入100mL有机溶剂（甲苯）后，60℃条件下加热24h，将垢样中有机原油组分溶解分离，若难以分离可以加入一定量的聚合物降解剂，若分离效果仍然不佳，可以同时采用超声波处理。

（2）水含量测定复合堵塞物中原油分离后，进行称重G1，然后置于105℃恒温箱中，恒温一段时间后直至质量不变为止，称量质量为G2，水组分的质量为G1-G2。

（3）无机垢含量测定坩埚的质量为G3，称取一定量的复合堵塞物置于坩埚中，然后置于150℃恒温箱中烘干，恒温一段时间后直至质量不变为止，然后，将烘干物置于550℃马弗炉中，恒温一段时间后直至质量不再变化，称量质量为G4，无机垢质量为G4-G3。

（4）聚合物含量测定

1.3.2 无机物组分分析利用X射线衍射（XRD）对无机物进行分析，确定各种无机物含量。

2 结果与讨论

2.1 复合堵塞物组分分离

（1）复合堵塞物原油质量分数采用先萃取后蒸馏的方法计算复合堵塞物中油的质量分数。为减少实验误差对实验结果的影响，实验分别称取3份50g垢样，分别加入100mL甲苯，密封，置于60℃恒温箱内，油水分离困难时加入100mL解聚剂，并利用超声波处理30min，油水彻底分层后，取出上层溶液，160℃蒸馏，得到复合堵塞物中油组分的含量分别为3.88%、4.12%和3.49%。最后取平均值3.83%，为油组分的质量分数。

（2）复合堵塞物水组分质量分数采用烘干法计算复合堵塞物中水的质量分数。为减少实验误差对实验结果的影响，将3份除油后的垢样置于110℃恒温箱内烘干24h后，得到水组分含量分别为85.62%、87.76%和89.92%。最后取平均值87.77%作为水组分的质量分数。

称取一定量的玉米秸秆淀粉、聚乙烯醇，量取适量蒸馏水于烧杯中混合，加入一定量甘油搅拌均匀并将其放入60℃水浴锅中，用电动搅拌器高速搅拌15min，升温至75℃搅拌15min，将水浴锅设置为90℃继续搅拌60min后停止，使用蒸馏水定容200mL并用玻璃棒进行快速搅拌，静置脱气10min，称取150g的膜液倒至20×20cm的玻璃平板中，于50℃电热鼓风干燥箱烘干12h后取出，待薄膜冷却后揭下并储存于室温下。试验重复3次得到试验结果。

（3）无机垢质量分数采用高温灼烧法计算复合堵塞物中无机垢的质量分数。将3份除油除水的垢样置于550℃马弗炉中灼烧4h以上，直至质量不再变化为止，得到无机垢的质量分数分别为7.75%、5.63%和3.54%。取平均值为5.64%。

（4）聚合物质量分数根据上述实验过程分别测出复合垢样中油、水和无机垢的质量分数，采用排除法，用总的50g复合垢样质量分别减去油、水和无机垢的质量，最终计算得到聚合物的质量分数分别为2.75%、2.49%和3.05%，取平均值为2.76%。

堵塞物分离后各组分质量分数见图2。

图2 堵塞物各组分质量分数Fig.2 Mass fraction of each component of blockage

2.2 复合堵塞物组分分离效果

分别称取100g垢样加入4个广口瓶内，记为A、B、C和D，A加入20mL解聚剂溶液，B加入100mL有机溶剂溶液，C加入20mL解聚剂溶液和100mL有机溶剂溶液，D加入20mL解聚剂溶液和100mL有机溶剂溶液并用超声波分散仪分散30min。分离效果见表2。

表2 分离效果Tab.2 Separation effect

由表2可以看出，4种加药方式垢样分离效果排序为D＞C＞B＞A。相比于单独加入有机溶剂或超分子解聚剂，同时加入有机溶剂和超分子解聚剂的垢样分离效果更好，并且物理超声波震动能够加快垢样的分离。

2.3 无机垢组分分析及形成机理研究

2.3.1 无机垢组分分析称取3份50g垢样，烘干后，分别将其置于马弗炉内，550℃焙烧4h以上至质量不变，将剩余无机组分取出，采用X射线衍射仪（XRD）对3个样品分别进行测试，XRD测试曲线见图3。无机垢样中各无机物质量分数见图4。

图3 XRD测试曲线Fig.3 XRD test curve

图4 各无机物质量分数Fig.4 Mass fraction of inorganic substances

2.3.2 无机垢形成机理研究2020年7月JZ9-3个井水中分析结果见表3。

由表3可以看出，水中Ca2+、Mg2+含量较高，并含有C和HC，溶液呈弱碱性。当油层温度和压力等条件改变，导致水中离子平衡发生改变，溶液中成垢组分达到过饱和状态析出，产生沉淀即形成CaCO3和MgCO3等沉淀。另外，注入水与地层水化学组分不相容也会产生沉淀。还有注入水压力波动时，也容易导致地层出砂（SiO2），管柱腐蚀产生Fe2O3。

表3 溶剂水离子组成（mg·L-1）Tab.3 Ionic composition of solvent water（mg·L-1）

2.4 有机堵塞物组分分析及形成机理研究

2.4.1 有机堵塞物组分分析返排物由原油、聚合物、水和无机垢组成，其中聚合物含量2.67%，原油含量3.83%。原油中烷烃、芳香烃、胶质和沥青质等4组分含量见表4。

表4 原油组分分析结果Tab.4 Analysis results of crude oil components

由表4可以看出，原油组分以烷烃为主，含量达到70.25%，其次是芳香性11.90%，胶质和沥青质含量为8.45%和9.40%。原油黏度不高，说明JZ9-3油田原油属于中黏原油，原油对地层堵塞作用较弱，堵塞物以聚合物溶液为主，聚合物滞留是引起堵塞的主要原因。

2.4.2 有机堵塞物形成机理分析有机堵塞物中的原油主要是注入水压力波动从地层中回流到井底的部分原油。通过分析发现，采出原油中的胶质沥青质含量平均为20.1%。有机堵塞物中的原油中的胶质沥青质含量略低于此值，说明地层中可能存在胶质沥青质滞留的风险。

有机堵塞物中的聚合物，主要是在注聚过程中形成的。垢样中90%以上为聚合物溶液通过布氏黏度计测试垢样的黏度，达到4.0×104mPa·s以上，5000mg·L-1的聚合物溶液的黏度为531.2mPa·s，说明聚合物浓度非常高。分析原因是平台空间小，聚合物尚未熟化好就注入到井中，导致聚合物溶液难以通过筛管，随着时间的推移，聚合物逐渐熟化，然后通过筛管后，此时的聚合物浓度会很高。高浓度聚合物分子聚集体尺寸较大，与地层的配伍性较差，难以进入到油藏内部，只能在岩心端面滞留，因此，形成了高浓度有机堵塞物。