戴彩丽,纪文娟,姜汉桥,赵福麟,姬承伟,秦 涛

(1.中国石油大学石油工程学院,北京 102249;2.中国石油大学重质油国家重点实验室,山东青岛 266555; 3.新疆油田公司陆梁油田作业区,新疆克拉玛依 834000;4.中原油田分公司采油工程技术研究院,河南濮阳 457001)

用于稠油蒸汽吞吐井深部封窜的热触变体系的性能试验

戴彩丽1,2,纪文娟2,姜汉桥1,赵福麟2,姬承伟3,秦 涛4

(1.中国石油大学石油工程学院,北京 102249;2.中国石油大学重质油国家重点实验室,山东青岛 266555; 3.新疆油田公司陆梁油田作业区,新疆克拉玛依 834000;4.中原油田分公司采油工程技术研究院,河南濮阳 457001)

针对常用封窜剂难以解决稠油蒸汽吞吐井深部封窜问题,考察封窜剂热触变体系的封堵性能。热触变体系是由热触变聚合物配制而成的,其聚合物亲水主链中含有疏水片段或疏水侧基。研究表明:热触变体系在特定温度下,从溶液转变为高强度冻胶,降温后体系自动恢复流动性,整个过程是可逆的,可多次重复;热触变体系具有热触变温度和热触变冻胶强度可调,注入性、耐温性、稳定性好和封堵率高等优点,特别适合于吞吐井蒸汽封窜的深部处理。

油井;热触变体系;蒸汽吞吐;深部封窜;冻胶

对于层间渗透率差异大的稠油蒸汽吞吐井,高渗透层为强吸汽层,低渗透层为弱吸汽层甚至不吸汽层,井间的高渗透层在大压差作用下易形成蒸汽窜流通道,导致汽窜[1]。随着蒸汽吞吐轮次的增加,油藏纵向上动用程度不均衡性增大,吸汽剖面不均和汽窜愈发严重。近年来国内外常用超细水泥、粉煤灰、树脂等材料[2-3]封堵稠油井蒸汽窜,但封窜剂主要作用于近井地带[4]。笔者考察用热触变体系进行稠油深部封窜。

1 热触变体系及其深部封窜的原理

热触变体系是由热触变聚合物配制而成的,该体系超过特定温度后失去流动性形成冻胶。热触变聚合物的亲水主链中含有疏水片段或疏水侧基,其水溶液在室温下为低黏的流动性溶液;高温下,由于热触变聚合物链节中的疏水片段相互缔合,形成物理交联产生网络结构(如图 1所示),使体系从溶液转变为高强度冻胶;降温后体系自动恢复流动性,整个过程是可逆过程,特别适合于蒸汽封窜[5-6]。

图 1 加热后疏水片段相互缔合示意图Fig.1 Hydrophobic groups associ ation after heati ng

蒸汽吞吐过程一般分为 3个阶段:(1)注汽。此阶段将高温蒸汽快速注入油层中。(2)焖井。在注汽完成后立即关井,便于蒸汽携带的热量在油层中有效交换,从而加热油层。(3)采油[7]。注汽之前,将热触变体系注入地层,它会优先进入大孔道,由于其良好的注入性,体系能进入到地层深部;注汽时,当遇到窜流的高温蒸汽,热触变体系变为高强度冻胶,导致渗流场发生改变,使注汽井的吸汽剖面更均匀,窜流的蒸汽得到有效控制,蒸汽将转向进入含油饱和度高的中低渗透层,提高波及体积和充分利用热能,改善蒸汽的开发效果;注汽后开井生产时温度降低,热触变体系从冻胶态恢复流动性,它只阻止蒸汽窜流,不影响原油在地层的流动,可以实现智能、可逆的深部封窜。

2 试 验

2.1 主要试验药品及仪器

试验药品:热触变聚合物(相对分子质量 2.6× 104),氯化钠 (分析纯),尿素 (分析纯)等。

试验仪器:Fungilab Visco Basic+型旋转黏度计、电子分析天平(精度分别为 0.001 g,0.0001 g), JJ-1型搅拌器,LB-30平流泵,循环水真空泵,精密压力表,恒温水浴,恒温干燥箱,填砂管,量筒,容量瓶。

2.2 试验方法

(1)热触变温度的测定。热触变体系由溶液转变为冻胶的温度称为热触变温度,采用试管倒置法测定[8]。将配制好的热触变体系约 10 mL加入试管静置除泡后置于恒温水浴中,放置约 15 min取出试管,若倒置后液体不再流动,则定义此时的温度为该样品的热触变温度。若液体流动,则迅速将水浴温度升高1℃,待恒温后放入样品重复上述步骤,直到找到热触变温度为止。

(2)冻胶强度的测定。采用突破真空度法测定热触变体系所形成的冻胶强度,方法见文献[9]。

(3)注入性的测定。采用多孔渗流测压装置来评价热触变体系的注入性,装置如图 2所示。其中多孔测压填砂管直径 2.8 cm,长 45 cm,其上装有 2个测压口,用精密压力表测定每个测压口的压力,判断热触变体系进入填砂管的距离。

图 2 多孔测压装置流程Fig.2 M ulti-point pressure testing diagram

3 试验结果分析

3.1 黏温性

用旋转黏度计在 6.8 s-1的剪切速率下,将质量分数为 3%的热触变体系在 30～85℃内进行 3次升温和降温过程的黏度测定,其黏度是在温度达到指定数值 20 min后测定的,结果见图 3,4。

图 3 成冻前黏度随温度的变化Fig.3 Relationship between polymer viscosity and temperature before gelation

从图 3,4可以看出:在热触变温度以下,体系黏度随温度的升高而降低,且呈直线关系;体系继续加热,黏度急剧增大,形成冻胶;冷却时,冻胶消失恢复原始溶液状态,这种溶液 -冻胶的转变是一种可逆过程,可多次重复。这是由于:在室温下,水分子由于氢键作用在疏水基团周围形成有序结构,成为溶液状态;当温度升高时,分子运动加剧,分子水化作用减弱而链间水被逐渐逐出,这种有序结构逐渐被破坏,反映出水溶液相对黏度随温度升高而下降;当去水化作用足够充分时,出现大分子聚集体,黏度急剧增大,最终导致形成冻胶。

图 4 升温降温过程的黏温曲线Fig.4 Viscosity-temperature curve i n process of temperature increase and decrease

由图 4还可以看出,在相同温度下,同一次升温过程和降温过程的黏度值是不重合的。这是由于热触变体系的黏度是结构黏度,升温时,热触变体系形成结构,结构黏度增加,但需要一定时间;降温时,热触变体系结构破坏,结构黏度减小,但冷却时结构破坏也需要一定的时间,因此有明显的滞后效应[10]。每一次的升温降温曲线也不重合,这是因为溶液转变为冻胶是一种依时性动力学现象,加热、冷却速率和剪切速率对曲线形状都有影响。

3.2 热触变温度

采用试管倒置法得到了热触变温度随热触变聚合物质量分数的变化曲线,结果见图 5。

由图 5可知,热触变温度随热触变聚合物质量分数的增加而下降,且二者呈线性关系。这是由于随着体系中聚合物浓度升高,单位体积内疏水基团数量增加,分子链的交叠和缠绕增强,聚合物分子间相互作用增强,使水分子与聚合物分子之间的结合作用减弱,从而破坏这种作用所需的热量减少,造成疏水缔合作用在较低温度下发生。

将不同质量分数的盐(NaCl)、尿素分别加入到质量分数为 3%的热触变体系中,采用试管倒置法测定热触变温度,考察盐 (NaCl)、尿素对热触变温度的影响,结果见图 6,7。

从图 6可以看出,NaCl的加入能显著降低热触变温度,且热触变温度随NaCl的质量分数呈线性降低。这是由于盐类(NaCl)是强电解质,具有强亲水性,其与聚合物分子对水分子的竞争作用使得水与聚合物分子的作用减弱[11],降低了热触变温度。当NaCl的质量分数为 15%时,热触变温度为 30℃。

由图7可知,随着尿素质量分数的增加,热触变温度升高。原因是,向热触变体系中加入尿素,由于氢键作用,在聚合物分子链上引入了亲水基[12],随着尿素质量分数的增加,引入的亲水基数量也增加,从而使溶液溶解度增大,热触变温度升高。因此,可以根据油藏条件,选择不同的添加剂调节热触变温度。

3.3 冻胶强度

采用突破真空度法测定不同质量分数的热触变体系所形成冻胶的强度,结果见图 8。

由图 8可知,随着热触变聚合物质量分数的增加,热触变冻胶强度增大。这是由于热触变聚合物质量分数增大,疏水基团数量增加,使单位体积的物理交联点增加,因而冻胶的强度也增大。

图 8 不同质量分数热触变体系的冻胶强度Fig.8 Gelation strength of thermal thixotropic system at differentmass fraction

3.4 注入性

填砂管水测渗透率为 3.3μm2。测定时,以 1 mL/min的注入速度连续注入质量分数为 3%的热触变体系,记录图 2中 a,b,c点的压力变化 (d点压力为大气压),考察注入的孔隙体积 (Vp)倍数与压力的关系。结果见表 1。由表 1可见,随着堵剂注入量增加,a,b,c点的压力都是缓慢增大直至压力平稳,说明热触变体系具有良好的注入性能,能够进入地层深部,进行蒸汽深部封窜。

表 1 注入不同孔隙体积倍数时的压力变化Table 1 Pressure history with different i m jection porous volume

3.5 耐温性及稳定性

将质量分数为 3%的热触变体系封存在安瓿瓶,然后放在高温罐中做高温试验,观察在高温下经历不同时间样品的外观 (以稳定冻胶、少量脱水冻胶、大量脱水冻胶等描述表征),结果见表 2。

表 2 冻胶的稳定性能Table 2 Stability performance of gel

由表 2可知,热触变体系具有较高的耐温性能(200℃),随着温度的升高,冻胶发生脱水所需要时间缩短,其稳定性能降低。这是由于温度升高至热触变温度附近时,由于疏水作用导致分子堆积,形成物理交联的网络结构。此时,疏水作用与氢键作用保持动态平衡状态,正是由于氢键作用才使得冻胶中保持大量的水分,而不会由于疏水作用导致相分离。温度进一步升高或高温下时间增长时,网络结构由于疏水作用过强而浓缩,出现相分离现象。

由于热触变体系与窜流的高温蒸汽接触时间很短(远小于 2 h),所形成的冻胶不会出现脱水现象,所以热触变体系可用至 200℃高温,是理想的高温窜流蒸汽的封窜剂。

3.6 封堵性

3.6.1 单管物理模拟

图 9 水驱渗透率和压力与注入流体孔隙体积倍数的关系Fig.9 Relationship between fluid i njection volume and permeability/pressure of water flooding

30℃下测定填砂管(长 45 cm,直径 2.8 cm)渗透率为 3.559μm2,注入 1Vp、质量分数为 3%的热触变体系。将填砂管置于 90℃恒温水浴 2 h后,水驱测其该温度下的渗透率为 0.0566μm2,水驱压力0.22 MPa。由此可知,90℃下封堵率为 98.41%。然后将填砂管置于 30℃下 24 h,水驱测其压力变化,结果见图 9。由图 9可知,温度降低后,水驱压力先增大后降低:水突破前,水驱压力增大;突破后,水驱压力逐渐降低,直至平稳。降温后的水驱压力远小于 90℃下的水驱压力 (0.22 MPa),说明温度降低后,冻胶又变为溶液,溶液 -冻胶相互转变的过程是可逆的,注蒸汽时能有效封窜,生产时能自动解除封堵。

3.6.2 双管物理模拟

将 2支不同渗透率的填砂管 (长 20 cm,直径2.5 cm)并联模拟非均质地层,在双管模型组中注入 1Vp、质量分数为 3%的热触变体系,90℃恒温 2 h后测渗透率,即可算得 90℃下的封堵率,所得结果见表 3。由表 3中可知,热触变体系具有选择性封堵的性能,可大大降低高渗透层的渗透率,使流体在低渗透地层流动,增大了波及系数。

表 3 双管封堵数据Table 3 Plugging properties of gel in double sandpack

4 结 论

(1)室温下,热触变体系为低黏的流动性溶液,升高到热触变温度后,体系从溶液转变为高强度冻胶,降温后体系自动恢复流动性,此过程具有可逆性,可多次重复。

(2)随溶液质量分数的增大,热触变温度降低,冻胶强度增大;盐、尿素等调节剂的加入,可以调节热触变温度的范围为 30～100℃。因此,可以根据油藏条件选择不同热触变温度和冻胶强度的配方。

(3)热触变体系具有良好的注入性、稳定性和耐高温性,能进入地层深部,进行蒸汽深部封窜。

(4)热触变体系加热时可形成冻胶并封堵填砂管,降温后,冻胶变为溶液自动解除封堵;热触变体系具有选择性封堵性能,可大大降低高渗透层的渗透率。

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(编辑 刘为清)

Performance experi ment on thermal thixotropic system for deep channeling plugging in steam huff and puff wells

DA ICai-li1,2,J IWen-juan2,J IANG Han-qiao1,ZHAO Fu-lin2,J ICheng-wei3,Q IN Tao4
(1.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Beijing102249,China; 2.State Key Laboratory of Heavy O il Processing in China University of Petroleum,Q ingdao266555,China; 3.Luliang O il Production Plant,Xinjiang O ilfield Com pany,Karamay834000,China; 4.O il Production Technology Research Institute of Zhongyuan O ilfield,Puyang457001,China)

The application of anti-channeling agents could not effectively solve the problem of deep channeling in stream huff and puff heavy oilwells.The performance of thermal thixotropic system was investigated.The ther mal thixotropic system was prepared by using thermal thixotropic polymer,and the polymer hydrophilic principal chain includes hydrophobic side group. The results show that the system can change from solution into high-strength gel system at thermal thixotropic temperature,and resume mobility after cooling.Thewhole process is reversible and can be repeated formany ti mes.The system has good behaviors of adjustable ther mal thixotropic temperature and gel strength,good injection performance,temperature tolerance,stability and high-plugging efficiency,which is particularly suitable for deep channeling plugging in steam huff and puffwells.

oilwells;ther mal thixotropic system;steam huff and puff;deep channeling plugging;gel

TE 39

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.04.033

1673-5005(2010)04-0167-05

2010-05-13

中国博士后基金项目(20090460481);山东省“泰山学者”建设工程项目;中国石油大学(华东)研究生创新基金项目(S10-05)

戴彩丽(1971-),女(汉族),山东威海人,教授,博士,硕士生导师,从事油田化学教学和科研工作。