海上低渗透油田钻井用高效防水锁剂的制备及性能评价

宫红亮

(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部,天津 300450)

由于海上低渗透油田往往具有低孔、低渗及微裂缝发育等特点,在钻井过程中随着外来流体的进入极易引起较为严重的水锁损害,具体表现为储层段含水饱和度明显增大、储层渗透率显著降低,对后续油井的投产造成严重影响[1-3]。研究[4-6]表明,海上低渗透油田在钻井过程中会产生一定的固相颗粒运移堵塞损害,但其侵入深度往往较小,在钻井过程中可以通过控制钻井液中固相颗粒的粒径、含量等降低其损害程度,并且后期还可以通过射孔或压裂改造的方式来解除损害。但海上低渗透油田在钻井过程中引起的水锁损害却不容易解除,并且水锁损害造成的后果也更严重,对油井产能的影响较大[7-9]。因此,需要对海上低渗透油田钻井过程中引起的水锁损害进行有效预防,以提高钻井效率。

在钻井液中添加防水锁剂是降低钻井过程中水锁损害程度的最常用措施之一,性能优良的防水锁剂能够通过降低储层流体的表面/界面张力、改变岩石表面润湿性等作用来预防水锁损害,提高储层流体的排液速度,使储层中滞留的水相快速排出,降低储层含水饱和度,以达到预防和解除水锁损害的目的[10-14]。在此,作者以异丁烯酸甲酯、甲基丙烯酸和2-丙烯酸丁酯为主要原料,室内制备一种适合海上低渗透油田钻井用的高效防水锁剂FR-101,并对其综合性能进行评价,以期为海上低渗透油田的高效开发提供一定的技术支持和借鉴。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

天然岩心、岩屑,取自海上低渗透油田储层段。

异丁烯酸甲酯、甲基丙烯酸、2-丙烯酸丁酯,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;十二烷基苯磺酸钠、过硫酸钾、碳酸氢钠、氢氧化钠、丙酮、氯化钾,分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

HH-2型数显恒温水浴锅,杭州瑞诚仪器有限公司;ZA305AS型电子分析天平,上海赞维衡器有限公司;HWXL-9420A型电热恒温干燥箱,深圳澳德玛电子科技有限公司;T15型表面张力仪,翁开尔(上海)国际贸易有限公司;JYW-P型接触角测定仪,承德金和仪器制造有限公司;DQT-2型岩心驱替实验装置,海安石油科研仪器有限公司。

1.2 防水锁剂FR-101的制备

称取一定量的十二烷基苯磺酸钠乳化剂于四口烧瓶中,加入蒸馏水,搅拌均匀;然后加入一定量的碳酸氢钠,搅拌均匀;再按一定质量比加入异丁烯酸甲酯、甲基丙烯酸和2-丙烯酸丁酯,搅拌均匀;通入氮气除氧30 min,并升温至设定值,加入引发剂过硫酸钾,反应一定时间,用氢氧化钠调节溶液pH值至中性;将反应液倒入玻璃容器中,用蒸馏水浸泡一定时间以除去杂质,再用丙酮洗涤数次后置于恒温干燥箱中烘干,即得防水锁剂FR-101。

1.3 防水锁剂FR-101的性能评价

1.3.1 表面活性

用蒸馏水配制不同质量浓度的防水锁剂FR-101溶液,采用表面张力仪在室温下测定其表面张力。

1.3.2 润湿性能

将储层天然岩心切割成尺寸一致的岩心薄片,用砂纸将端面打磨平整,然后将其分别浸泡于不同质量浓度的防水锁剂FR-101溶液中,12 h后,取出岩心薄片,晾干,采用接触角测定仪测定岩心薄片表面接触角。

1.3.3 岩心自吸水能力

将储层天然岩心洗油、烘干处理后,置于不同质量浓度的防水锁剂FR-101溶液中,岩心上端露出液面3 cm左右,每隔一定时间称量岩心,记录岩心质量变化,并计算岩心自吸水量。

1.3.4 抑制性能

采用岩屑滚动回收率实验评价防水锁剂FR-101的抑制性能。称取一定质量的6～10目岩屑,加入到不同质量浓度的防水锁剂FR-101溶液中,使用老化罐在120 ℃下滚动老化16 h,冷却后收集过40目筛网的岩屑,烘干后称重,计算岩屑的滚动回收率。

1.3.5 储层保护性能

在这个供应链平台上，各个节点都将信息公开，让信息透明，使得供应链各个节点都能得到所需的信息，让信息交互更有效率，优化了信息共享的效果，实现共赢。

(1)将储层天然岩心洗油、烘干后称重,然后抽真空,用3%KCl溶液饱和;(2)将岩心装入岩心驱替实验装置中,使用3%KCl溶液正向驱替测定岩心的初始渗透率;(3)向岩心中分别注入2倍体积不同质量浓度的高效防水锁剂FR-101溶液,静置12 h;(4)继续使用3%KCl溶液正向驱替测定岩心的渗透率,并计算渗透率恢复值。

2 结果与讨论

2.1 表面活性

测定了不同质量浓度防水锁剂FR-101溶液的表面张力,结果如图1所示。

由图1可以看出,随着防水锁剂FR-101质量浓度的增加,溶液的表面张力先迅速下降后趋于稳定;当防水锁剂FR-101质量浓度为1.2%时,溶液的表面张力降至23.8 mN·m-1;继续增加防水锁剂FR-101质量浓度,表面张力的降幅逐渐减小并趋于稳定。这是由于,当防水锁剂FR-101质量浓度达到1.2%时,其在水溶液中所形成的胶束浓度已基本达到饱和,即达到了临界胶束浓度值;继续增加防水锁剂FR-101质量浓度,溶液的表面张力变化不大。

2.2 润湿性能

测定了使用不同质量浓度的防水锁剂FR-101溶液浸泡后岩心薄片表面的接触角,结果如图2所示。

图2 不同质量浓度防水锁剂FR-101溶液浸泡后岩心薄片表面的接触角

由图2可以看出,未经防水锁剂FR-101浸泡处理的岩心薄片表面的接触角为28.6°,为亲水性,而经浸泡处理后,接触角随防水锁剂FR-101质量浓度的增加逐渐增大;当FR-101质量浓度为1.2%时,接触角增至97.5°,岩心薄片表面的润湿性逐渐转变为中性润湿。这是由于,当防水锁剂FR-101分子结构中的亲水基团逐渐被吸附到亲水岩石的表面后,其分子结构中的疏水基团朝向溶液一端,在岩石表面形成了一层比较稳定的吸附膜,改变了其表面润湿性,使其表面处于中心润湿状态,能够有效降低毛细管阻力,提高液相流体在储层中的流动效率,有效防止水锁损害现象的发生。

2.3 岩心自吸水能力

测定了天然岩心在不同质量浓度防水锁剂FR-101溶液中的自吸水量,结果如图3所示。

图3 天然岩心在不同质量浓度防水锁剂FR-101溶液中的自吸水量

由图3可以看出,目标区块储层段岩心在蒸馏水中的自吸水量较高,当吸水时间为5 h时,岩心自吸水量达到0.875 g;而岩心在不同质量浓度的防水锁剂FR-101溶液中的自吸水量则明显降低,并且随着防水锁剂FR-101质量浓度的增加,自吸水量逐渐降低;当防水锁剂FR-101质量浓度为1.2%时,岩心5 h的自吸水量仅为0.081 g,比在蒸馏水中的自吸水量降低了90%以上。这是由于,防水锁剂FR-101具有良好的表面活性和润湿性能,能在岩心孔隙表面形成一层稳定的疏水膜,阻止溶液中的水分子进入岩心孔隙内部,进而有效降低岩心的自吸水量。

2.4 抑制性能

图4 防水锁剂FR-101质量浓度对岩屑滚动回收率的影响

由图4可以看出,目标区块储层段岩屑在蒸馏水中的滚动回收率仅为49.2%,说明该区块储层段岩屑容易吸水膨胀、水化分散。而随着溶液中防水锁剂FR-101质量浓度的增加,岩屑的滚动回收率先迅速升高后趋于稳定,当防水锁剂FR-101质量浓度为1.2%时,岩屑的滚动回收率达到95%以上;继续增加防水锁剂FR-101质量浓度,岩屑的滚动回收率变化不大。这是由于,防水锁剂FR-101的分子链较长,能够对岩屑中的粘土矿物起到良好的包被作用,从而抑制水分子进入粘土颗粒内部,阻止其水化分散。说明研制的防水锁剂FR-101具有良好的抑制性能,能够有效稳定井壁,确保钻井作业安全进行。

2.5 储层保护性能(表1)

表1 储层保护性能评价结果

由表1可以看出,使用蒸馏水驱替的天然岩心渗透率恢复值仅47.89%,说明岩心经过蒸馏水驱替后出现了粘土吸水膨胀和水化分散现象,堵塞了岩心孔隙,并且岩心中滞留了较多的水分,造成比较明显的水锁损害,导致岩心渗透率恢复值较低。而使用不同质量浓度的防水锁剂FR-101溶液驱替的天然岩心渗透率恢复值均明显高于蒸馏水,并且随着防水锁剂FR-101质量浓度的增加,岩心渗透率恢复值逐渐升高。当使用质量浓度为1.2%的防水锁剂FR-101溶液驱替后,岩心的渗透率恢复值达到90%以上,说明防水锁剂FR-101起到了良好的储层保护作用。这是由于,防水锁剂FR-101能够通过良好的润湿性能和抑制性能阻止岩心中粘土矿物吸水,避免粘土水化分散堵塞孔隙,从而降低其对岩心基质渗透率的损害程度,提高渗透率恢复值。

3 结论

(1)室内以异丁烯酸甲酯、甲基丙烯酸和2-丙烯酸丁酯为主要原料,以十二烷基苯磺酸钠为乳化剂,以过硫酸钾为引发剂,制备了一种适合海上低渗透油田钻井用的高效防水锁剂FR-101。

(2)防水锁剂FR-101具有良好的表面活性和润湿性能,当防水锁剂FR-101质量浓度为1.2%时,溶液的表面张力降至23.8 mN·m-1,岩心薄片表面的接触角由28.6°增至97.5°。

(3)防水锁剂FR-101能有效降低天然岩心的自吸水量,抑制储层岩屑的水化分散,当防水锁剂FR-101质量浓度为1.2%时,岩心5 h的自吸水量比在蒸馏水中降低了90%以上,储层岩屑的滚动回收率达到95%以上。

(4)防水锁剂FR-101还具有良好的储层保护性能,储层天然岩心使用质量浓度为1.2%的防水锁剂FR-101溶液驱替后,岩心的渗透率恢复值达到90%以上,适用于海上低渗透油田钻井作业。