熱沉淀法調剖提高原油采收率技術研究

劉薇薇，唐懷軼，孫彥春，劉振林，楊龍嘯

(1.中油冀東油田分公司，河北 唐山 063004；2.長江大學，湖北 荊州 434023)

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熱沉淀法調剖提高原油采收率技術研究

劉薇薇1，唐懷軼1，孫彥春1，劉振林1，楊龍嘯2

(1.中油冀東油田分公司，河北 唐山 063004；2.長江大學，湖北 荊州 434023)

為降低油藏高滲透層的滲透率，使二次采油或三次采油能夠有效提高原油采收率，提出熱沉淀法調剖提高采收率方法。通過熱沉淀法調剖理論研究，建立基于熱沉淀預測孔隙度減小比例模型，給出熱沉淀后巖心孔隙度的計算方法。選用硼酸鈉溶液作為調剖劑，進行熱沉淀和熱沉淀法調剖驅油物理模擬實驗。研究表明，熱沉淀對不同滲透率巖心孔隙的封堵效果均很明顯，經過10倍孔隙體積注入水沖刷后，滲透率減小比例保持在34.1%～57.9%。由此可知，熱沉淀法調剖驅油能顯著改善吸水剖面，提高原油采收率。

熱沉淀；調剖；孔隙度減小比例；滲透率減小比例；提高采收率

引 言

油藏非均質性嚴重是許多油田開發中波及效率低的主要原因。注水、蒸汽、二氧化碳或混相氣體等提高原油采收率的方法能夠有效地從油藏高滲透層中驅油，但經常會繞過低滲透層的原油。許多情況下，未波及區的含油量比波及區的含油量多[1-2]。前人已提出將注入流體從枯竭的高滲透油層轉移到含油的低滲透油層的多種方法，盡管這些方法具有良好的發展前景，但是仍然需要通過封堵高滲透層、調整吸水剖面來提高原油采收率[3-5]。

相比于其他調剖技術，熱沉淀法調剖技術具有極強的適應性。早在20世紀80年代，國外就提出了利用化學劑的熱沉淀降低油藏高滲透層滲透率從而提高原油采收率的方法。該方法中的化學劑在地層中更具穿透性，可以到達凝膠、聚合物或固體顆粒等無法到達的區域封堵孔隙，從而實現油藏深部調剖[6-12]。為此，總結了一套關于熱沉淀法調剖的理論和實驗研究方法，目的是研究與溶解度有關的熱沉淀法調剖降低油藏高滲透層的孔隙度和滲透率、提高原油采收率的應用潛力。

1 熱沉淀法調剖理論

熱沉淀法調剖是指將飽和(或接近飽和)有化學物質的熱水溶液注入油藏多孔介質中，溶液到達指定位置后，停止注入，利用熱量傳導到周圍地層來冷卻熱水溶液。當溫度降低后，溶液中過量的化學物質會發生沉淀，從而降低油藏高滲透層的滲透率，擴大注水波及體積，提高原油采收率[13-15]。所用化學物質要求在高溫下溶解度高，低溫下溶解度較低。一般通過注熱水或蒸汽預熱多孔介質，控制沉淀發生地點，封堵位置由地層預熱的程度來控制。

另外，可通過改變化學物質、溫度、注入化學物質的量以及段塞冷卻方式來控制滲透率減小比例。通常通過關井的方式(停止注入)來冷卻溶液，利用熱量傳導到周圍地層從而降低溶液溫度。

1.1 熱沉淀后巖心孔隙度減小比例

對于靠熱量傳導冷卻溶液這種情況，可利用溶解的化學物質平衡原理來計算孔隙度減小量。孔隙度減小比例可表示為：

(1)

式中：Δφ/φi為孔隙度減小比例；Vp為沉淀化學物質的體積，m3；Vt為沉淀前總孔隙體積，m3。

沉淀化學物質的體積可表示為：

(2)

式中：Mh和Ml分別為高、低溫條件下溶解的化學物質的質量，g；ρp為沉淀化學物質的密度，g/cm3。

溶解的化學物質的質量可通過測量得到，也可通過化學物質在不同溫度下的溶解度得到。

沉淀前總孔隙體積[13]可表示為：

(3)

式中：Vs為溶液體積，m3；Ss為溶液所占據的孔隙體積百分數(溶液飽和度)，%；Mw為高溫條件下溶液中水的質量，g；ρh為高溫條件下溶液的密度，g/cm3。

將式(2)、(3)代入式(1)，即得孔隙度減小比例：

(4)

1.2 熱沉淀后巖心孔隙度

熱沉淀實驗的難點是熱沉淀后巖心孔隙度的計算。計算熱沉淀后巖心孔隙度的難點是：當巖心被干燥后，在低溫條件下依然處于溶解狀態的化學物質也會發生沉淀，從而使計算結果出現偏差。為此，修正熱沉淀后的巖心孔隙度，以消除偏差。

熱沉淀后，干燥巖心會使先前溶解的化學物質變成固體沉淀。通過干燥巖心移除掉的水的質量可表示為：

Ww=Ws-Wdf

(5)

式中：Ww為干燥巖心移除掉的水的質量，g；Ws為干燥前巖心的質量，g；Wdf為干燥后巖心的質量，g。

干燥巖心過程中，沉淀的化學物質的質量可表示為：

Wpd=SWw

(6)

式中：Wpd為干燥巖心時沉淀的化學物質的質量，g；S為每百克水低溫條件下化學物質的溶解度，g/g。

巖心中，由熱沉淀和干燥巖心引起的沉淀總質量可表示為：

Wt=Wdf-Wdi

(7)

式中：Wt為沉淀總質量，g；Wdi為巖心初始干重，g。

沉淀總質量也可表示為：

Wt=Wpd-Wpt

(8)

式中：Wpt為熱沉淀引起的沉淀的化學物質的質量，g。

聯立式(7)、(8)，可得到：

Wpt=Wdf-Wdi-Wpd

(9)

熱沉淀引起沉淀的化學物質的體積可表示為：

Vp=Wpt/ρp

(10)

因此，熱沉淀后(干燥巖心前)巖心孔隙度可表示為：

φf=(φi·BV-Vp)/BV

(11)

式中：φf為熱沉淀后巖心孔隙度，%；φi為初始孔隙度，%；BV為巖心總體積，m3。

2 熱沉淀法調剖物理模擬實驗

2.1 熱沉淀法調剖化學物質的確定

在選擇用于熱沉淀法調剖的化學物質時，要求化學物質所具有的最重要的性能是其溶解度可隨溫度變化而發生變化，溶解度必須是溫度的函數。尤其要求化學物質具有高溫下溶解度高和低溫下溶解度低的特性。

為此，查閱國內外大量文獻，調查了大量化學劑的性能，同時要求化學劑符合健康、安全和環保的要求[15-16]。通過評估大量化學物質的物理化學性質，初步篩選出4種適合于熱沉淀法調剖的化學物質，分別為氧化硼、碳酸鉀、氯化鉀和硼酸鈉。對比了4種化學物質的溶解度隨溫度的變化趨勢(圖1)。

圖1 化學物質的溶解度變化曲線

從圖1可以明顯看出，氯化鉀和氧化硼完全不符合實驗條件；碳酸鉀在低溫和高溫條件下均具有較高的溶解度，高低溫下溶解度差值較小；硼酸鈉是一種溶解度明顯依賴于溫度的化學劑，受溫度影響較大，符合高溫下溶解度高和低溫下溶解度低的特性，適合作為熱沉淀法調剖化學劑。

2.2 不同滲透率巖心的熱沉淀實驗

實驗巖心選用人造填砂巖心模型，巖心直徑為2.5 cm，長度為30 cm。

實驗步驟：首先將巖心樣品抽真空飽和水，測定初始滲透率和孔隙度，然后將巖心放入恒溫箱內，將配置好的硼酸鈉飽和溶液在高溫條件下注入巖心樣品中，直至注入1.3～1.5倍孔隙體積飽和溶液為止，然后關閉恒溫箱，將巖心冷卻至油藏溫度，使巖心中的化學物質發生沉淀，最后測量熱沉淀后巖心的滲透率，計算巖心孔隙度和滲透率的變化情況。用1.2節介紹的方法計算熱沉淀后巖心的孔隙度(表1)。

表1 熱沉淀后巖心孔隙度和滲透率變化

從表1可以看出，熱沉淀對于不同滲透率巖心孔隙的封堵效果都很明顯，孔隙度減小比例為10.3%～31.4%，而相應的初始滲透率減小比例為46.1%～68.7%，經過大量注入水(10倍孔隙體積水)沖刷后，最終滲透率減小比例仍然保持在34.1%～57.9%。在低滲透率巖心(巖心3)中，因為孔隙較小，所以在孔隙中只要有化學物質發生沉淀，初始滲透率就會大幅度降低；在中滲透率巖心(巖心1和2)中，孔隙尺寸大于最小無機鹽晶體顆粒，晶粒之間的縫隙成為主要的滲流通道，滲透率減小比例相對不高；在相對較高滲透率巖心(巖心4、5、6)中，孔隙尺寸遠遠大于最小無機鹽晶體顆粒，巖心的最終滲透率由晶粒之間的縫隙決定，但由于初始滲透率較高，因此，滲透率減小比例相對較高。由于硼酸鈉在水中的溶解量比較大，因此，在10倍孔隙體積注入水沖刷后的滲透率減小比例仍然較高。由此可知，熱沉淀法在降低地層高滲透層的孔隙度和滲透率方面具有可觀的潛力。

另外，繪制滲透率減小比例與孔隙度減小比例的關系曲線(圖2)。從圖2中可以看出，隨著孔隙度減小比例的增大，滲透率減小比例隨之增大，兩者成正比關系。

圖2 滲透率減小比例與孔隙度減小比例關系曲線

2.3 熱沉淀法調剖驅油實驗

實驗巖心選用人造填砂巖心模型，長度為60 cm，直徑為3 cm，人造砂粒徑為50～220目，滲透率為1 000×10-3～10 000×10-3μm2，滲透率可通過不同目數石英砂比例的改變進行調節。實驗用油取自南堡油田某區塊的地面脫氣原油，50℃時黏度為7.5 mPa·s。

開展水驅后熱沉淀法調剖條件下的三管驅油效率實驗，其中，低滲管滲透率為1 030×10-3μm2，中滲管滲透率為4 590×10-3μm2，高滲管滲透率為9 600×10-3μm2(表2)。

表2 熱沉淀法調剖驅油實驗結果

從表2可以看出，2組實驗中熱沉淀法調剖提高原油采收率的幅度分別為10.1%和9.3%，總采收率分別達到64.4%和65.2%。由此可見，水驅后，注入熱的硼酸鈉溶液，硼酸鈉會在高滲透層發生沉淀封堵孔隙，降低高滲透層滲透率，使注入水發生轉向，從而達到調剖、提高原油采收率的目的。另外，相比于凝膠調剖劑，熱沉淀法調剖所用的調剖劑(硼酸鈉水溶液)的注入黏度低，注入壓力與注水壓力接近，能夠實現油藏深部調剖，尤其適用于水驅(特別是三次采油后)油層非均質性被強化后且溫度適中的油藏。

3 結 論

(1) 建立預測熱沉淀后巖心孔隙度減小比例模型，給出計算熱沉淀后巖心孔隙度的計算方法。

(2) 硼酸鈉的溶解度受溫度影響較大，符合高溫下溶解度高和低溫下溶解度低的特性，適合作為熱沉淀法調剖化學劑。

(3) 熱沉淀實驗結果表明，熱沉淀對于不同滲透率巖心孔隙的封堵效果都很明顯，孔隙度和滲透率減小比例分別為10.3%～31.4%和46.1%～68.7%；經過10倍孔隙體積注入水沖刷后，滲透率減小比例仍然保持在34.1%～57.9%。

(4) 熱沉淀法調剖能顯著改善吸水剖面，提高原油采收率；熱沉淀調剖劑硼酸鈉水溶液的注入黏度低，能夠實現油藏深部調剖。

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編輯 姜 嶺

20150310；改回日期：20150410

國家科技重大專項“渤海灣盆地黃驊坳陷灘海開發技術示范工程”(2011ZX05050)

劉薇薇(1983-)，女，工程師，2006年畢業于大慶石油學院通信工程專業，2013年畢業于東北石油大學石油與天然氣工程專業，獲博士學位，現從事油氣藏開發動態研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.027

TE357.46

A

1006-6535(2015)03-0107-04