納米聚合物微球的封堵性及驅油性能

李 翔瞿 瑾鞠 野唐忠利王 碩戚佩瑤劉豐剛劉曉非*

(1.中海油田服務股份有限公司,天津 300450; 2.天津大學材料與工程學院,天津 300350; 3.天津大學化工學院,天津 300350)

我國低滲透油藏的儲量占全國油氣總儲量的一半及以上,超過了70%,許多新開發的油田都是以低滲透、特低滲透油藏為主。低滲透油藏的顯著特點是油層的滲透率低、孔喉較小、含水量高且單井產能低[1-3]。常用的開采低滲透油藏的方法是注水開發[4],通過向油層注水,提高油層壓力,提高油田開采效率。但隨著開采程度的增加,地層深部的壓力和含水量不斷上升,使得綜合采收率較低,地層中仍有大量原油未被啟動。為了提高采收率,納米聚合物微球作為新興的微尺度調驅材料,在各大油田得到廣泛應用[5-6]。

納米微球一般以AM(丙烯酰胺)為聚合單體,聚合方法為反相微乳液聚合[7-9]。制得的聚丙烯酰胺微球無毒、可溶于水,有一定的耐熱性能,而且微球的溶脹程度可控制,在實際油田應用中,聚丙烯酰胺微球價格較為便宜,現場操作簡單,作為油田深部調驅劑可大幅提高采收率[10-11]。聚合物微球的初始粒徑為納米級,溶于水中分散性好,粒徑隨著水化時間的延長可以增大至初始粒徑的3～5倍[12-13]。與此同時,納米聚合物微球乳液中含有表面活性劑,能有效降低水油兩相的界面張力,改善潤濕性,增大驅油效率。由以往研究可得,納米聚合物微球驅油機理主要是由于納微米微球初始粒徑較小,且具有優異的分散性能,易發生溶脹團聚現象。當微球調驅劑被注入地層,可以實現邊溶脹邊運移,微球團聚至一定程度時可通過架橋作用對孔隙孔道進行封堵,迫使液流轉向,使其進入低滲透油藏深部,有效擴大波及體積,實現深部調驅。因此研究微球的溶脹團聚性對更好地理解微球的驅油機理有著重大意義,也能為納米微球驅油提供指導性意義。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

試驗所用的聚丙烯酰胺微球乳液(微球粒徑分別為50和100 nm)為市售在中石油長慶油田、中海油渤海油田應用的微球乳液商品,采用模擬地層水,將市售的不同粒徑的微球商品按質量比配制成不同濃度的微球乳液。

實驗用模擬油采用煤油與原油按質量比5∶1配制。

1.2 分析測試儀器

微孔濾膜過濾器,天津津騰實驗設備有限公司;激光納米粒度儀,Nano ZS90型,英國馬爾文公司;接觸角測量儀,FCA2000A型,上海艾飛思精密儀器有限公司。

1.3 微通道實驗

取50和100 nm樣品配制質量分數為0.5%的調驅劑溶液,使用磁子攪拌40 min左右,觀察溶液的狀態,當溶液分散均勻即可進行實驗。實驗用微通道為T型結構,模擬油注入微通道,實驗溫度為70 ℃,在攪拌的條件下通入調驅劑溶液,調驅劑經由恒流泵從圖1中主通道左側進入,從支通道流出,實驗過程中觀察支路管道中模擬油排出情況。經標定,設置恒流泵的轉速為0.3 r·min-1,管道中流速為5 mL·h-1。對整個實驗過程進行錄像,整個實驗過程約為1 h。實驗結束后,選定微通道部分,計算圖像的灰度平均值。

圖1 T型管中初始充油圖Fig.1 Initial filling in T-tube

1.4 透過濾膜實驗

取50和100 nm微球樣品配制質量分數為0.1%的調驅劑溶液,使用磁子攪拌90 min左右,觀察溶液的狀態,當溶液分散均勻即可進行實驗。實驗用濾膜內徑為5 μm,觀察溶液透過濾膜的情況,分別測量并記錄其透過3層濾膜25 mL 溶液所需的時長。測試完畢后,使用磁子攪拌調驅劑溶液24 h,觀察溶液的狀態,當溶液分散均勻,觀察溶液透過濾膜的情況,分別測量并記錄其透過3層濾膜25 mL溶液所需的時長。

1.5 粒度測量

稱取少量納米聚合物微球樣品與分散至白油中,配制成0.5%微球調驅劑溶液,用磁子攪拌器勻速攪拌30 min,觀察微球溶液的狀態,當溶液的狀態較為均勻時,在室溫條件下靜置保存1 d。使用激光粒度儀測量納米微球溶脹后的粒徑。

1.6 透射電鏡觀察

使用透射電鏡觀察調驅劑溶液中的微球溶脹與聚集形態。

1.7 表面張力實驗

取50和100 nm乳液配制質量分數為0.5%的調驅劑溶液,使用磁子攪拌40 min左右,并在烘箱內保溫2 h。利用界面張力儀測定微球乳液與干粉在空氣中的表面張力,重復3次,取平均值。

2 實驗結果與討論

2.1 微通道實驗結果

圖2和圖3分別是50以及100 nm微球水分散體系驅油過程記錄的實驗現象。

圖2 a)50 nm微球部分團聚物粒徑;b)50 nm微球最終驅油效果Fig.2 a)The partial aggregate particle size of 50 nm microspheres and b) final flooding effect of 50 nm microsphere

圖3 a)100 nm微球部分團聚物粒徑;b)100 nm微球最終驅油效果Fig.3 a)The partial aggregate particle size of 100 nm microspheres and b)final flooding effect of 100 nm microsphere

表1 乳液調驅劑驅油實驗結果對照表Table 1 Comparison of oil displacement experiment results of emulsion flooding agent

由圖2和圖3可得,50及100 nm乳液調驅劑在驅油實驗過程中均發生了微球的團聚,且團聚物粒徑達到了幾十微米。50與100 nm乳液調驅劑都有明顯的驅油效果。利用Photoshop軟件對未充油圖、驅油初始圖,以及50和100 nm最終驅油效果圖進行圖像處理。設置純黑為“0”,純白為“255”,得到圖像的灰度平均值,并對比50與100 nm微球的驅油效果。

由圖4～圖7,及表2可得,50 nm微球調驅劑的最終驅油效果圖的灰度平均值更高,這也證明了其驅油效果好于100 nm乳液調驅劑。

表2 各圖灰度平均值Table 2 Average gray value of each image

圖4 未充油圖灰度值Fig.4 Gray value of unfilled oil map

2.2 透過濾膜結果

圖5 初始充油圖灰度值Fig.5 Gray value of initial oil-filled map

圖6 50 nm微球最終驅油圖灰度值Fig.6 Gray value of 50 nm microsphere final flooding pattern

圖7 100 nm微球最終驅油圖灰度值Fig.7 Gray value of 100 nm microsphere final flooding pattern

由表3和表4實驗數據可得,50 nm微球溶液一開始能透過濾膜,后堵塞通道無法透過;而100 nm微球溶液透過通道的速率逐漸降低,這說明微球會發生溶脹。在使用相同內徑濾膜的情況下,在透過第1個25 mL的過程中,50 nm微球透過時間長于100 nm微球,且50 nm微球在第2個25 mL的過程中就已無法完全透過,而100 nm微球仍能透過,透過速率逐漸降低。2種微球都在實驗過程中發生了溶脹團聚現象,且50 nm微球相較于100 nm微球更易發生溶脹團聚現象。

表3 乳液調驅劑(現配)透過3層濾膜所需時間Table 3 The time required for the emulsion modifier (freshly prepared) to pass through the 3-layer filter film

表4 乳液調驅劑(攪拌24 h)透過3層濾膜所需時間Table 4 The time required for emulsion modifier (stirring for 24 h) to penetrate the 3-layer filter membrane

由實驗數據可得,50 nm微球溶液一開始能透過濾膜,后堵塞通道無法透過,但其透過濾膜的時間明顯較現配溶液降低;而100 nm微球溶液可順利透過3層濾膜,不發生堵塞。這說明雖然微球會溶脹,但在攪拌的條件下透過速率仍提高,證明透過速率與調驅劑的分散性密切相關。

2.3 粒度測量實驗結果

根據圖8和圖9所示,在溶脹1 d后,50及100 nm微球的粒徑都在1 μm左右,粒徑比溶脹之前增大。

圖8 微球初始粒徑圖Fig.8 Initial particle size of microspheres

圖9 微球溶脹 1 d 后粒徑圖Fig.9 Particle size after swelling of microspheres for 1 d

2.4 透射電鏡觀察實驗結果

由圖10和圖11透射電鏡分析發現,微球的膨脹團聚不單單是因為微球之間的黏連,也觀察到了微球和乳化劑、油滴之間的纏結現象。

圖10 微球乳液透射圖Fig.10 Transmission electron microscope image of microsphere emulsion

圖11 微球調驅劑溶液透射圖Fig.11 Transmission electron micrograph of microsphere control and flooding agent solution

由微通道和濾膜實驗可得,50及100 nm微球都有效果,由灰度測量值得出,50 nm微球驅油效果更好。2種微球都易發生溶脹團聚,團聚物的粒徑達到了幾十微米,其中50 nm微球更易團聚。已知粒度儀無法準確測量單個微球的粒徑,在粒度測量實驗中,50和100 nm微球溶脹1 d后,測得的粒徑結果達到了微米級別,結合微球實驗結果,這證明了微球不僅會溶脹,微球與微球之間也會發生團聚現象。最后通過透射電鏡分析結果可知,不僅是微球之間會發生黏連,微球和乳化劑、油滴之間也會發生纏結現象。

地層喉道分布情況較為復雜,除了內徑較大的大通道,也存在許多微小通道。納米聚合物微球的初始粒徑較小,能夠順利進入內徑較小的喉道,且在運移的過程中吸水膨脹,封堵或是吸附在巖石表面封堵喉道,迫使液流轉變流動方向,進入低滲帶,使得含油飽和度較高的儲層中的油被啟動。以上實驗均很好地證明了50和100 nm微球具有良好的膨脹團聚性能,這也是微球的封堵性能較好的原因,從而使它們具有較好的驅油效果。

2.5 表面張力實驗

在調驅劑溶液驅油機理研究中,表面張力的降低一直是重要理論之一。表面張力越小,油相的流動阻力越小,油水混合物其就越容易運移到儲層孔隙中。

由表5可得,50和100 nm微球乳液在空氣中的表面張力明顯降低,而干粉調驅劑降低表面張力的能力較差。已知微球乳液中含有的大量表面活性劑,表面活性劑驅油技術作為化學驅油技術的一種,其作用主要是降低油水混合物的表面張力,改善溶液對巖石表面的潤濕性。表面活性劑溶入油藏中的油水混合物后會吸附在混合物的油水界面上并形成乳狀液體,加速油相變形、移動、乳化。以此改變殘余油和剩余油在油藏孔隙中的運動特征,減少能量損失,使油水混合物在油藏孔喉中更好的聚集并且運移,提高其運移效率,達到提高原油采收率的目的。

表5 微球乳液與干粉在空氣中的表面張力對比(nm)Table 5 Comparison of surface tension between microsphere emulsion and dry powder in air(nm)

3 結論

1)50和100 nm微球都有較好的溶脹團聚性能,溶脹1 d后,粒徑達到微米級別。而微球的團聚不僅僅是微球之間的黏連,也觀察到了微球和乳化劑、油滴之間的纏結現象,這使得團聚物的粒徑達到了微米級別。

2)納米微球的溶脹團聚行為使其擁有了較好的封堵性,能有效地擴大波及效率,提高驅油效率。50 nm微球最終驅油圖灰度平均值為55.62,100 nm微球最終驅油圖灰度平均值為16.94,50 nm微球的驅油效果好于100 nm微球。

3)微球乳液在空氣中的表面張力明顯降低,而干粉調驅劑的表面張力降低較小。微球乳液中含有的大量表面活性劑是使其驅油效果較好的原因。