裂缝型油藏油溶颗粒堵剂研制及性能评价*

2023-07-27朱立国刘长龙孟科全陈维余张艳辉

化学工程师 2023年7期

朱立国，刘长龙，孟科全，陈维余，张艳辉

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452；2.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300452）

裂缝型油藏具有双重介质特征，不同裂缝之间，裂缝与基质之间渗透率存在较大差异，导致该类油藏存在极大的非均质性[1-5]。在油田开发过程中，地层水或注入水会沿大裂缝突破至井筒，导致油井含水快速上升，进而抑制了中小裂缝产能的发挥。因此，裂缝型油藏堵水实质上是裂缝系统的调整[6，7]。目前，冻胶、水泥、树脂、体膨颗粒等常规堵剂已应用于现场[8-12]，但这些常规堵剂由于选择性差，在封堵裂缝油藏时，要么封堵强度过小，起不到抑制水窜作用；要么封堵强度过大，油水同堵，储层污染严重，导致措施后产能不足，无法满足裂缝型油藏选择性堵水需求[13-15]，因此，本文研发出一种具有油水选择性封堵的高强度油溶颗粒堵剂，以解决上述问题。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

油溶性酚醛树脂（软化点100℃山东豪耀新材料有限公司）；膨润土（200 目上海凯茵化工有限公司）；十二烷基苯磺酸钠（含量≥90% 天津金汇太亚化学试剂有限公司）；密度调节剂（密度0.2~0.3g·cm-3中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司）；实验用水（目标油田地层水，总矿化度3795mg·L-1，锦州25-1 南油田）；航空煤油（3 号航空煤油江阴金古特化工有限公司）；岩心（规格Φ38mm×100mm，渗透率100×10-2μm2，海安发达石油仪器科技有限公司）；铝条（宽度5mm，厚度0.2mm，海安发达石油仪器科技有限公司）。

UFE500 型恒温烘箱（德国Memmert 公司）；RS6000 型流变仪（美国Thermofisher Scientific 公司）；Mastersizer3000 型激光粒度仪（英国马尔文仪器有限公司）；EVO10 型蔡司电子显微镜（北京仪光科技有限公司）；STA200 型热重分析仪（梅特勒托利多科技（中国）有限公司）；HARKE-SPCA-X3 型接触角测试仪（北京哈科试验仪器厂）；SHJ-35 型双螺杆挤出机（南京聚力化工机械有限公司）；JC-FW200 型多功能高速粉碎机（青岛聚创环保集团有限公司）；封堵试验仪（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司）；岩心夹持器（海安发达石油仪器科技有限公司）。

1.2 油溶颗粒堵剂的制备

打开双螺杆挤出机，将挤出机主体温度升至180℃，然后按照油溶颗粒堵剂配方，将油溶性酚醛树脂、膨润土、十二烷基苯磺酸钠、密度调节剂按照85∶6∶1∶8 的比例进行混合后，加入双螺杆挤出机，在双螺杆的剪切、摩擦和挤出作用下，形成均一的多功能有机复合材料，最后采用多功能高速粉碎机，将大颗粒油溶颗粒堵剂进一步加工为微米级粉末，通过筛网进行分选，制备出不同粒径范围的油溶型颗粒堵剂。

1.3 特征分析

1.3.1 微观结构分析将油溶颗粒堵剂分散在水中，然后将样品滴于铜片上，干燥后将载有样品的铜片粘在样品座上的导电胶带上，采用电子显微镜观察样品的微观结构。

1.3.2 热重分析称取质量为10mg 的试样，置于氧化铝坩埚中，设定热重分析仪升温速率为10℃·min-1，升温测试范围为25～800℃，采用氮气氛，超纯N2通入速率为50mL·min-1，进行油溶型颗粒堵剂的热重分析。

1.3.3 接触角测试采用接触角测量仪测定油水与油溶颗粒堵剂材料表面的接触角，具体步骤如下：将油溶颗粒堵剂材料进行加热软化后涂敷在载玻片表面，将载玻片置于接触角测量仪载物台上，按仪器操作步骤，分别滴1D 地层水、煤油，依次观察并记录油溶颗粒堵剂与地层水、煤油的接触角，评价其油、水润湿性。

1.3.4 油水分散/溶解性能测试分别称取烘干后的油溶颗粒堵剂1g，依次加入100mL 地层水和100mL 煤油中，摇匀后，观察并记录油溶颗粒堵剂在水和油中的分散/溶解状态，并置于90℃烘箱中放置72h，采用定量滤纸分别对样品进行过滤，烘干、称量滤纸上的残留物，计算油溶颗粒堵剂在地层水和煤油中的溶解率。

1.3.5 油水选择性封堵性能实验

（1）将常规岩芯从中间劈开，加入0.2mm 厚度的铝条，形成0.2mm 高度的裂缝劈裂岩芯，并安装在岩芯夹持器中；

（2）按图1 将岩芯夹持器接入物模试验装置（出口端有滤网）；

图1 物模试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of physical model test device

（3）取出裂缝岩芯，分别注入饱和地层水、煤油，待压力平稳时停止注入，记录此过程的注入速度、注入压力；

（4）分别采用地层水、煤油配置1%浓度的油溶颗粒堵剂200mL，分别形成油溶颗粒堵剂水分散体系、油溶颗粒堵剂油分散体系；

（5）对步骤（3）饱和地层水的裂缝岩芯，注入5倍裂缝体积的油溶颗粒堵剂水分散体系，对步骤（3）饱和煤油的裂缝岩芯，注入5 倍裂缝体积的油溶颗粒堵剂油分散体系；

（6）将裂缝岩芯置于90℃的烘箱中，放置72h，进行老化；

（7）分别采用地层水、煤油继续对饱和地层水岩芯和饱和煤油岩芯进行反向驱替，记录此过程的注入速度、注入压力；

（8）对比注堵剂前后注入压力变化，明确堵剂对油水选择性封堵的性能。

2 结果与讨论

2.1 油溶颗粒堵剂的制备

以油溶性酚醛树脂为主剂，辅以膨润土、十二烷基苯磺酸钠、密度调节剂，按照一定比例混炼后，通过剪切、分选，得到目标尺寸的油溶颗粒堵剂。

2.2 特征表征

2.2.1 微观结构将制备好的油溶颗粒堵剂置于电子显微镜下观察，结果见图2。

图2 油溶颗粒堵剂微观结构Fig.2 Microstructure of oil-soluble particle plugging agent

由图2 可见，颗粒微观结构存在明显的三维网络状结构，各组份交联均匀，有利于其在高温条件下充分发挥本体材料的黏弹性，并且油溶颗粒堵剂与常规的冻胶颗粒型调堵剂在微观结构方面有很强的相似性，均是以有机主链搭建的三维结构为主，高温黏弹性能较好。

2.2.2 接触角测试采用接触角测试仪对油溶颗粒堵剂进行了接触角测试，结果见图3。

图3 油溶颗粒堵剂与油水相的接触角Fig.3 Contact angle between oil-soluble particle plugging agent and oil or water phase

由图3 可见，油溶颗粒堵剂与地层水之间接触角为96.2°，根据润湿性判别标准，油溶颗粒堵剂为油湿表面；进一步测定煤油与油溶颗粒堵剂表面之间接触角为9.8°，说明表面强亲油。油溶颗粒堵剂表面的润湿性与其结构有密切关系，油溶颗粒堵剂主材料为油溶酚醛树脂，主体结构是有机碳长链结构，与地层原油的碳链结构具有一定的相似性。

2.2.3 热重分析油溶颗粒堵剂热重分析结果见图4。

图4 油溶颗粒堵剂DSC-TG 曲线Fig.4 DSC-TG of oil-soluble particle plugging agent

由图4 可见，油溶颗粒堵剂具有很好的耐温能力，其结构分解温度开始于298℃，结束于387℃，说明其热解聚反应主要发生在298～387℃之间。同时，还可以发现，332℃处还有一个明显的放热峰，说明持续的高温能够破坏油溶颗粒堵剂的分子结构。结合DSC-TG 热重分析结果，说明该堵剂整体耐温性好，能够满足绝大部分油藏堵水技术需要。

2.2.4 油水分散/溶解性能油溶颗粒堵剂按照1%浓度分别加入地层水和煤油中，摇匀后观察在地层水、煤油中的状态，结果见图5。

图5 油溶颗粒堵剂在地层水/煤油中的状态Fig.5 State in the water or kerosene of oil-soluble particle plugging agent

由图5 可见，油溶颗粒堵剂在地层水中呈乳白色，分散均匀，这与组分中含有表面活性分散剂以及密度与水接近相关。72h 后油溶颗粒相互黏连，形成肉眼可见的大颗粒；在煤油中呈淡黄色，外观均一，看不见颗粒，72h 后状态基本保持不变，这是由于堵剂主要成分为油溶性酚醛树脂，能够在煤油中溶解。为进一步证实上述结果，将48h 后的地层水中颗粒和煤油中颗粒进行过滤，对残留物进行烘干，称重，计算油溶颗粒在地层水和煤油中的溶解率，实验结果见表2。