CO2驱封窜用新型复合凝胶体系筛选评价研究

徐 阳 (中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266555)

赵仁保,王 淼 (中国石油大学(北京)石油与天然气工程学院,北京102249)

刘印华,张新平 (中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266555)

在目前石油供不应求极有可能出现石油危机的情况下,石油的高效开发显得更加重要[1]。作为一项新技术,CO2驱油具有适用范围大、驱油成本低、提高采收率显著等优点,并且还能减少CO2这种温室气体向大气中的排放,对环境也十分有利。但是,在CO2气体驱油的过程中,受气体的滑脱效应、粘性指进以及油藏非均质性等因素的影响,很容易发生气窜。同时,由于重力超覆、油气粘度差较大、非均质地层毛管力叠加等问题加大了封堵气窜的难度。目前,防止CO2气窜的主要方法有水气交替、CO2泡沫、聚合物凝胶封堵等方法,而聚合物调堵剂主要包括聚丙烯酰胺类、黄孢胶类和预交联的体膨颗粒类等[2],其选择依据于地层的温度和矿化度。笔者主要针对一种硅酸钠-丙烯酰胺凝胶复合体系进行筛选评价,此体系国内外研究较少,具有一定的先进性。

1 配方的筛选及性能评价

1.1 机理分析

硅酸钠价格低廉,来源广泛,硅酸钠溶液与CO2气相接触反应得到硅酸钠水凝胶,胶体无弹性,易破碎,封堵气窜效果差。在一定的条件下,当在硅酸钠溶液中加入AM(丙烯酰胺单体)、交联剂N-N亚甲基双丙烯酰胺以及引发剂过硫酸钾后,AM发生聚合反应形成聚丙烯酰胺,具有一定的网状结构,这样就将强度不大的硅酸钠无机凝胶嵌套在网状结构中,形成了一种聚合物凝胶和无机凝胶的复合材料,大大加强了无机凝胶的强度。另外,由于硅酸钠凝胶的存在,增加了网络结构自身强度,生成的凝胶与岩石颗粒有一定的粘接力,从而明显提高了体系的封堵强度[3];相比于其他调堵剂,聚丙烯酰胺类堵剂具有耐温耐盐的特点[4];并且丙烯酰胺溶液可优先进入地层高渗透带和大孔道,具有一定的选择性;在压差较大的区域产生类似聚合物驱的驱油作用;配制简单,价格适中,施工方便,是堵气配方体系中非常理想的原料之一。

另外,前人通过试验研究发现AM用量为1%～3%时,生成流动性逐渐减小的可流动凝胶,AM质量分数大于4%时,生成高刚性不变形凝胶[5],这给低渗透裂缝欠发育油田的应用带来了一定的风险,而目前CO2驱却主要运用于低渗透油田的开发;同时由于近几年原油价格上涨带动化工原材料(尤其是有机原材料)价格大幅度上扬,油田施工成本大幅增加。综合这两方面考虑,必须降低配方体系中丙烯酰胺单体的浓度,丙烯酰胺单体浓度为1.5%～2%比较经济合理。

1.2 试验方法

常温条件下称取一定质量的AM加入到已配制好的质量分数为5%的100ml硅酸钠溶液中,再加入适量交联剂N-N亚甲基双丙烯酰胺及引发剂过硫酸钾,待完全溶解后注入高温高压反应釜中,加热至45℃并保持温度恒定,注入CO2至反应压力,关闭阀门,静态反应12h,形成胶体。利用流变仪对胶体进行蠕变回复试验和屈服应力测定试验以评价其变形能力和强度。利用环境扫描电镜对所成胶体的微观结构进行对比观察。

1.3 胶体性能评价

图1为不同CO2压力下体系在45℃恒温条件下反应后生成物的表观形象。从图1(a)可以看出,当CO2分压在1～6MPa范围内,反应后均形成了有固定形状的冻胶,通过肉眼观察、用手揉搓发现分压1MPa和2MPa所成胶体无弹性、易破碎;而分压4MPa和6MPa所成胶体具有一定的强度和变形能力。从图1(b)可见,当体系不加CO2时,反应后体系仍能够流动,但溶液明显增稠,出现 “拉丝”现象;这说明该配方体系在无CO2条件下,AM发生聚合反应,但生成物几乎无强度,不具备封堵气窜的能力。随着CO2分压的增加,所成胶体的强度和变形能力都有一定的提高。

图1 生成物表观形象图

屈服值是指破坏胶体结构所需施加的力,它是衡量胶体结构抵抗破坏能力的一个指标。屈服值越大,胶体结构越稳定。表1列出4种不同配方体系试验测定的屈服值。

由表1可以看出Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号配方体系生成胶体的屈服值较大,说明其结构稳定,并且随着AM浓度和反应压力的增大屈服值是逐渐变大的,但变化幅度较小。储能模量值的大小与凝胶的可变形性、变形后回复能力及维持整体性的能力有关,储能模量高的凝胶不易变形,变形后回复力强,抵抗冲击和局部破坏的能力强[6]。赵仁保等[7]通过对不同AM浓度和CO2分压力条件下所成胶体的蠕变回复试验和超声波振荡试验得出AM浓度越大,CO2压力越高,凝胶的柔量及储能模量越大,体系的弹性越好的结论。通过分析试验认为:①在含有CO2的水溶液中,CO2的存在提高了丙烯酰胺单体及其他分子的扩散能力,从而提高了丙烯酰胺单体、引发剂及交联剂分子的接触几率;②CO2的扩散及其溶解于水中形成弱酸的特性,有助于形成粒径分布相对集中的纳米级凝胶颗粒结构;丙烯酰胺单体聚合形成聚丙烯酰胺,其网状结构能够大大加强无机凝胶的强度,所以网状结构越明显,说明成胶效果越好。图2为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号配方体系的成胶微观结构图,通过对胶体微观结构分析,可以看出反应压力越高,网状结构越清晰,成胶强度越高;对于相同反应压力,AM浓度越高,网状结构越清晰,成胶强度越高。

表1 不同配方体系的屈服值测定结果

图2 体系成胶微观结构图

2 堵剂封堵性岩心试验研究

AM浓度的增加有助于提高其网状结构的强度,同时CO2浓度的增加有助于提高硅酸钠水凝胶-低浓度AM聚合体系的粘弹性。根据以上理论,通过对不同配方体系所成胶体的流变性及微观结构的分析,筛选出Ⅱ号、Ⅲ号以及Ⅳ号配方体系,利用上述配方体系进行岩心封堵性试验研究。

图 3 试验装置图

2.1 试验方法

1)试验试剂及仪器 AM(丙烯酰胺单体),N-N亚甲基双丙烯酰胺,过硫酸钾 (分析纯,国药集团化学试剂有限公司),CO2(纯度99.99%),硅酸钠 (质量分数40%,模数2.8～3.2,工业级),岩心夹持器 (TY-2C型, 25mm×50～150mm,工作压力20MPa)1台,400ml中间容器2个,1000ml中间容器2个,压力传感器 (量程35MPa,3.5MPa,外接便携式电脑作为终端),20ml平流泵1台,手动增压泵1台,电子秤1台,真空泵1台,泡沫流量计,管线若干,阀门若干。试验装置如图3所示。

2)试验方法 配制质量分数为5%的硅酸钠溶液,称取一定质量的AM、N-N亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸钾,加入到100ml硅酸钠溶液中,搅拌至完全溶解;准备岩心,测量其直径、长度、质量;抽真空,饱和水,称其湿重;连接试验装置 (管线、中间容器、传感器)如图3所示;水测渗透率;注入堵剂1PV;注入CO2气体直到入口压力升到4MPa或6MPa;关闭岩心夹持器两端,保持反应温度45℃,反应12h;测渗透率;计算封堵率,从而评价体系的封堵特性。

2.2 试验结果分析

由于该试验所用岩心较短 (平均长度约为8.716cm),要求封堵率达到99%以上才可能满足需要。岩心试验所得结果如表2所示,1、2号岩心封堵率分别为93.42%和92.52%,3、4号岩心封堵率为94.72%和94.53%,而5～7号岩心的封堵率均已达到99%以上。可见,浓度和压力对成胶效果都有影响,压力越高,浓度越大,封堵率就越大,封堵效果就越好。相比于压力,AM浓度对成胶效果的影响更为明显。

表2 岩心试验封堵率结果

3 胶体的抗冲刷性分析研究

为了进一步研究筛选的配方体系所成胶体的性质,利用6号和7号岩心所得数据分析其抗冲刷性,并利用1号岩心进行对比性研究,结果见图4。从图4中可以看出,6号和7号岩心 (注入Ⅳ号配方体系)的封堵率随时间变化幅度较小,考虑到自制岩心长度较短、组成岩心颗粒的运移等问题,认为这种封堵率的下降是可以接受的。反观1号岩心 (注入Ⅱ号配方体系),封堵率下降到60%以下,说明胶体的抗冲刷性较差。同样,通过图5可以直观地看出,1号岩心 (左)驱替末端有白色胶体出现,而6号岩心 (右)末端无同样现象出现,说明Ⅱ号配方体系所成胶体在驱替过程中被冲刷出岩心,抗冲刷性较差,Ⅳ号配方体系所成胶体抗冲刷性较强。

图4 岩心封堵率与冲刷时间关系图

图5 1号岩心与6号岩心抗冲刷性比例

4 结 论

1)该配方体系在无CO2条件下,AM发生聚合反应,但生成物几乎无强度,不具备封堵气窜的能力。随着CO2分压的增加,所成胶体的强度和变形能力都有一定的提高。

2)随着AM浓度和反应压力的增大,屈服值是逐渐变大的,但变化幅度较小。

3)AM浓度越高,CO2压力越高,网状结构越清晰,成胶强度越高。

4)浓度和压力对成胶效果都有影响,压力越高,浓度越大,封堵率就越大,封堵效果就越好。相比于压力,AM浓度对成胶效果的影响更为明显。

5)初步筛选出AM浓度2%,反应压力为6MPa的配方体系。该体系具有一定的强度和变形能力,微观网状结构清晰,岩心试验封堵率达到99%以上,并具有一定的抗冲刷性,可以考虑进行现场试验研究。

[1]周清春.专家建议加大对二氧化碳驱油技术投入 [N].科技日报,2006-5-1(001).

[2]刘伟,伊向艺.聚合物冻胶+泡沫复合防窜体系在CO2气驱中的研究 [J].钻采工艺,2008,31(4):115～117.

[3]赵仁保,侯永利,刘翔,等.淀粉接枝/硅酸钠复合凝胶体系的制备及封堵性能评价 [J].精细化工,2009,26(1):95～97.

[4]白宝君,江如意,刘翔鹗.聚合物冻胶堵水调剖机理研究[A].刘翔鹗.97油田堵水技术论文集[C].北京:石油工业出版社,1998.

[5]王健,董汉平.地下聚合交联成胶的耐酸耐高温凝胶堵剂[J].油田化学,2004,21(4):313～315.

[6]梁兵,代华,张熙,等.高强度复合凝胶选堵剂CY-298结构与性能研究 [J].油田化学,2001,18(1):27～31.

[7]赵仁保.CO2对硅酸钠-丙烯酰胺溶液聚合行为及产物性质的影响 [J].高等学校化学学报,2009,30(3):596～600.