海上中低滲油藏多功能納米增注體系性能評價及應用

李勝勝 馮青 宮汝祥 李嘯南 鄭玉飛 柏溢

中海油服油田生產研究院

海上中低滲油氣資源豐富,但油藏地層孔喉尺寸小,孔隙度低,注水壓力高,能量補充困難,采收率難以提升。為了解決實際生產中注水壓力高的問題,一般采用酸化常規解堵措施,但簡單的酸化作業也不能從根本上解決注水井堵塞的問題,并且隨著酸化作業的增多,酸化有效期逐漸變短。納米材料具有納米阻垢、潤濕反轉、防止顆粒運移、高效降壓等多重功能,所以有望解決現有問題,實現增注[1-7]。

納米增注技術是針對中低滲油藏注入壓力高、地層壓力衰竭快、采出程度低等問題而提出的一種降低注入壓力的新技術。前人對納米顆粒增注機理進行了研究,認為納米顆粒不僅能將吸附在儲層孔隙表面的水膜趕走,改變巖石的潤濕性,有效地擴大儲層孔徑,還能大幅度地降低注入流體在孔隙中的流動阻力。因此,納米顆粒在提高采收率方面的主要作用是降低注入壓力與平衡注水井間的差異[8-14]。有機納米顆?？梢愿纳谱⑷肓黧w與原油的流度比,從而提高重油的采收率,多應用于重油油藏。本研究選用無機納米聚硅材料,此類材料一般具有強憎水、親油與強吸附能力,可以達到很好的降壓增注效果。通過添加納米聚硅可以有效地擴大儲層孔隙半徑,減小注入水在儲層孔隙中的流動阻力[15-20]。

通過室內實驗探討了納米溶液對巖石潤濕性的影響,分析了納米溶液對有機垢與無機垢的影響,從流速、浸泡時間、注入PV數3個方面研究了納米溶液對滲透率的影響。該研究為海上中低滲油藏注水開發提供了一套有效的解決方案。

1 實驗方法

1.1 實驗原料與試劑

納米溶液(實驗材料:疏水性納米SiO2、納米乳化劑、納米分散助劑、納米活化劑,其中疏水性納米SiO2采用的是溶膠凝膠法,納米溶液采用的是振蕩培養法)、超純水、人造巖心、方解石、CaCO3、瀝青稠油、石英砂、液蠟、柴油、原油、煤油、蘇丹Ⅲ。

1.2 實驗儀器與設備

實驗儀器與設備見表1。

表1 實驗儀器及設備名稱型號生產廠家恒流泵HLB-1040東臺市燕山儀表總廠優普超純水制造系統UPH-T10T四川優普超純科技有限公司電子天平JM-B 20002諸暨市超澤衡器設備有限公司超聲攪拌儀SYU-30-900鄭州生元儀器有限公司光學接觸角測量儀DSA100HP克呂氏科學儀器有限公司電子顯微鏡SEM3100國儀量子(合肥)技術有限公司

1.3 實驗方法

1.3.1納米溶液制備方法

(1) 溶膠凝膠法:向主反應器三口燒瓶中加入一定量的去離子水,再向三口燒瓶中加入氨水或NaOH,調節pH值至11后,開啟水浴加熱,使三口燒瓶內溶液溫度保持在60 ℃;再將一定量的硅源化合物,通過分液漏斗逐滴加入到三口燒瓶中,磁力攪拌器保持攪拌,轉速為30 r/min,使硅源化合物水解反應6 h后,得到反應產物為白色納米SiO2凝膠,即為疏水性納米SiO2。

(2) 振蕩培養法:將制得的疏水性納米SiO2溶于1 000 mL去離子水中,然后分裝到25 mL錐形瓶,封口,在高壓滅菌鍋滅菌20 min,在培養搖床振蕩培養(37 ℃、200 r/min)5天,得到納米溶液。

1.3.2潤濕性分析

(1) 將巖石薄片在無氣泡冒出時放到載物臺上,用針管吸入純凈水,滴定到巖石表面,測量潤濕角。

(2) 將吸附后的巖樣切片用水沖刷30 min,在55 ℃下烘干后,用電鏡掃描處理前后的巖心薄片。

1.3.3解堵效果分析

(1) 有機垢解堵效果分析。稱取5 g含瀝青質(質量分數為10%)稠油的油砂于玻璃瓶中,加入納米溶液體系(納米溶液質量分數分別為50%、33%、25%、20%和17%)5 mL;放入60 ℃水浴中,輕微晃動,每隔1 h觀察稠油洗脫情況,通過前后的質量變化,計算洗脫率。

取10 mL不同質量分數(分別為50%、33%、25%、20%、17%)的納米溶液體系和10 mL柴油、液蠟、原油分別混合,在渦旋儀上以相同的頻率渦旋2 min,放置,每隔1 h計算相應的乳化指數(乳化指數=乳狀液高度/總液柱高度)。

(2) 無機垢解堵效果分析。溶蝕率測定:將礦物用清水反復沖洗,沉降,倒去上層濁液再沖洗。納米溶液對巖屑的溶蝕率測定參照SY/T 5886-2018《酸化工作液性能評價方法》進行。

1.3.4改善儲層滲透率效果分析

通過巖心驅替方法,結合巖心尺寸數據與每個時間段的壓力數據,計算不同巖心的滲透率。

2 結果與討論

2.1 納米溶液對巖石潤濕性的影響

圖1所示為納米溶液對巖石潤濕性的影響結果。從圖1可看出,使用納米溶液處理后巖心的潤濕角有了明顯的變化。經納米溶液處理后,中、低滲巖心潤濕角與初始值相比,均提升了20°左右,大大增加了巖心的疏水性。注入PV數越高,巖心潤濕角提高的幅度越大。

圖2所示為吸附前后巖石切片的掃描電鏡圖片。從圖2可知:巖石中存在一定量的石英、黏土等強親水的礦物,因此潤濕性為強親水。這種巖石表面能小,當水滴滴在上面時,易被礦物與黏土吸附,很快潤濕,很難形成接觸角;用納米溶液處理后,巖石中黏土礦物表面被疏水性納米顆粒覆蓋,因為覆蓋的納米顆粒表面為疏水性,其表面能增加,當水滴滴在上面時,通過能量最小化及在重力作用下呈球形,巖石表面潤濕性轉變為疏水,可以降低水分子流動阻力。

2.2 納米溶液對有機垢與無機垢的影響

2.2.1納米溶液對有機垢的影響

2.2.1.1 對瀝青的剝離效果

圖3所示為不同質量分數的納米溶液對瀝青質油砂的清洗效果。從圖3可知:對于瀝青質沉積,納米溶液能有效地將瀝青質從石英砂表面洗脫下來;與對照樣相比較,加入納米溶液后,石英砂表面瀝青質被洗脫,露出白色石英砂;納米溶液質量分數為33%時,洗脫率達到92.3%;隨著納米溶液質量分數的增大,洗脫率也逐漸增大。

2.2.1.2 模擬油乳化

圖4所示為納米溶液與模擬油的乳化指數。從圖4(a)可看出:當V(柴油)∶V(納米溶液)=1∶1時,所有反應時間(圖中從深藍色曲線到淺藍色曲線,納米溶液體積分數分別為50%、33%、25%、20%、17%)下的柴油乳化指數最低;隨著體積分數降低,乳化指數升高,但經過30～60 min后,趨于穩定。隨著納米粒子在油水界面的吸附,體積分數降低,提高了乳液的穩定性,同時促進了界面張力的降低。當納米溶液體積分數達33%之后,乳化指數變化不大。在現場施工中,納米體積分數為33%時,乳化效果最佳。

2.2.2納米溶液對無機垢的作用影響

圖5所示為納米溶液對無機垢的溶蝕情況。從圖5可看出:當納米溶液的質量分數分別為50%和33%時,對無機垢的溶蝕率達43%左右,表現出較好的溶蝕效果;隨著質量分數的降低,溶蝕率下降;當質量分數為17%時,對無機垢的溶蝕率為16%。這說明納米溶液對礦物具有良好的溶蝕作用,可以實現抑垢、防垢,減少對砂巖酸化的二次傷害。

2.3 納米溶液對儲層滲透率的影響

2.3.1驅替流速對儲層滲透率的影響

圖6所示為不同流速的納米溶液與水對巖心滲透率的影響。由圖6可以看出:巖心經不同流速的水處理后,滲透率基本不變;經納米溶液處理后,滲透率有明顯的增加,且流速越高,滲透率提高得越多。但存在一個臨界流速,超過臨界流速后,滲透率降低。這說明納米溶液能有效地增加巖心滲透率,對于中滲和低滲巖心,納米溶液均能有效改善其滲透率。

2.3.2浸泡時間對儲層滲透率的影響

圖7所示為浸泡時間對儲層滲透率的影響情況。從圖7可看出,在最開始的一段時間內,巖心滲透率隨著浸泡時間的增加而快速升高,之后滲透率降低。

2.3.3注入PV數對儲層滲透率的影響

圖8所示為注入不同PV數的納米溶液對巖心滲透率的影響。從圖8可知,巖心滲透率隨著注入納米溶液PV數的增加而先增大,直至臨界值后,開始降低。其原因是,隨著注入PV數的增加,注入的納米溶液也增加,疏水膜快速形成,滲透率也快速升高;但注入PV數增加到最佳PV數之后,注入的納米溶液進入微孔道沉積,堵塞孔隙,使得滲透率下降?，F場可通過測地層吸水指數,動態調整注入納米溶液PV數。

2.3.4納米溶液增注效果

圖9所示為納米溶液在巖心模擬增注過程中的壓力變化情況。從圖9可知,納米溶液在質量分數為10%、注入量為0.3 PV、注入流速為1.1 mL/min、浸泡1 h的條件下,可使人造巖心平均滲透率提高32.6%,平均注入壓力下降35.9%。在實驗條件下,該體系能起到很好的增注效果。

3 現場應用

海上油田B井為一口注水井,2015年11月開始投注,初始配注量為450 m3/d。B井初期注入壓力低,儲層吸水指數高,隨著注入時間的延長,儲層孔隙喉道水潤濕強度增強,儲層黏土礦物水化膨脹嚴重,注水量達不到配注量,2018年上半年注入壓力上升至15 MPa。

2020年8月對B井進行納米增注作業,措施后注入壓力下降46.7%,注水量提升至8倍,措施后視吸水指數為措施前的8.5倍,有效期是常規酸化的4倍以上,有效期為18個月(見圖10和表2)。

表2 措施前后注入情況對比井號措施類型措施前措施后注入量/(m3·d-1)注入壓力/MPa視吸水指數/(m3·(d·MPa)-1)注入量/(m3·d-1)注入壓力/MPa視吸水指數/(m3·(d·MPa)-1)有效期/月B納米增注31151.7261814.518相似井C常規酸化25132.52714244

4 結論與建議

(1) 通過振蕩培養法與溶膠凝膠法,制備了納米溶液,該體系具備潤濕反轉、除垢、改善滲透率等性能。

(2) 經納米溶液處理后的巖心由親水性變為疏水性,平均巖心潤濕角提高20°左右;納米溶液有助于剝離后的有機垢分散,洗脫率可達92.3%,避免剝離后有機垢的二次沉淀堵塞,能有效溶蝕礦物,溶蝕率達43%,能很好地解除無機垢堵塞。

(3) 巖心經過納米溶液驅替后,在不超過臨界條件下,滲透率隨流速、浸泡時間和注入PV數增加而升高,使人造巖心平均滲透率提高32.6%,平均注入壓力下降35.9%,可有效地改善滲流阻力。

(4) 納米增注技術在現場試驗取得了良好的效果,可顯著提高注水井吸水能力。措施后注入壓力下降了46.7%,注入量增加了8倍,吸水指數提高了8.5倍,有效期是常規酸化的4倍以上,表明該技術在中、低滲透油田增產增注方面應用前景十分廣闊。