自潔縫防砂篩管對注聚采油粘度影響研究

孫孟瑩,鄧金根,桂云,李華洋,馮永存

(1.中國石油大學(北京) 石油工程學院,北京 100000;2.中國石油川慶鉆探工程有限公司 川西鉆探公司,四川 成都 610051)

油田聚合物驅油技術中[1-5],攪拌、地面泵送、孔隙剪切、拉伸力等機械行為會引發聚合物鏈的結構破壞[6-12]。為了提高聚合物溶液在作業時的粘度保留率,學者們研究了出砂地層機械篩管完井中對聚合物溶液的損害性[13-16],為注聚井優選防砂篩管類型提供重要參考。

本文利用小型便捷可視實驗裝置[17],提出一種操作簡單、重復性強及成本低的實驗方法,選擇三類典型的機械防砂篩管縫形(即V形縫、梯形縫和繞流縫),考察注聚驅中管縫設計、泵注速度、液體濃度對聚合物粘度的影響。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

聚合物J-PAM(分子量為1 800×104);V形縫、梯形縫和繞流縫三種機械防砂篩管(V型縫篩管單元與梯型縫篩管單元均為“前窄后寬”以減少地層砂堵塞篩管的可能性,但兩者分別以縱向縫和橫向縫進行排列,結構上存在差異。繞流篩縫結構在油氣開采過程中能夠減少流體對篩管的徑向沖蝕作用)。

小型可視化防砂模擬裝置,自制;SNB-RH數字式粘度計。

1.2 實驗方法

實驗操作步驟如下:

①線切割防砂篩管,得到實驗用微型模擬單元,分別安裝3種類型篩管;②用自來水配制J-PAM溶液,濃度分別為0.1%,0.15%,0.2%,并靜置一段時間;③測試J-PAM溶液粘度穩定時間;④將溶液添加至可視化防砂模擬裝置的儲液罐中,安裝篩管單元,分別以流量為75,100,125,150,175,200 mL/min 恒流泵注J-PAM溶液通過篩管單元,所對應的泵速分別為0.25,0.33,0.41,0.50,0.58,0.66 mm/s;⑤在篩管單元前后進行取液,約5 mL),采用粘度計(轉子型號SP21,轉速50 r/min測試其粘度μ1,(聚合物溶液流經篩管前的粘度)、μ2(聚合物溶液流經篩管后的粘度);⑥由出液口流出的聚合物溶液靜置10 min,測試其粘度μ3(mPa·s)。用以表示聚合物溶液流經篩管后粘度恢復狀態,從而計算最終粘度損失率;⑦計算聚合物溶液流經篩管后的初始粘度損失率D1,靜置10 min后粘度損失率D2。

D1=(μ1-μ2)/μ1

(1)

D2=(μ1-μ3)/μ1

(2)

2 結果與討論

2.1 聚合物溶液粘度穩定時間

聚合物溶液由于其結構的特殊性,其粘度會隨著時間發生改變[18],在油田現場配制聚合物過程中,通常籠統估計靜置聚合物溶液時間,本實驗為了保證聚合物溶液經過篩管粘度測試數值的可靠性,并節省時間成本,設計實驗并測定J-PAM溶液粘度的穩定時間,結果見圖1。

圖1 不同濃度J-PAM溶液粘度隨時間的變化Fig.1 Variation of viscosity with time for different concentrations of J-PAM solution

由圖1可知,不同濃度聚合物溶液在初配時粘度較高,在20 min時間內快速降低,之后隨著時間的增加,逐漸趨于穩定。靜置1 h后至2 h時間內,聚合物溶液粘度幾乎不發生改變。所以,J-PAM聚丙烯酰胺溶液粘度穩定時間為1 h。

2.2 泵注速度對J-PAM溶液粘度的影響

在油田現場注聚驅施工過程中,泵注速度不同,篩管對聚合物溶液的沖擊和剪切作用不同,會對粘度產生不同的影響[19]。所以,實驗考察聚合物粘度受泵注速度影響規律,為研究和施工提供重要的理論參考。實驗設置泵注參數和實際聚合物驅排量換算見表1。

表1 實驗泵注速度和實際聚合物驅排量參數Table 1 Experimental pumping rate and actual polymer drive discharge parameters

2.2.1 V形縫防砂篩管 質量分數為0.1%的實驗流體經過V形縫防砂篩管前后的粘度變化見圖2。

圖2 不同泵速下J-PAM溶液經過V形縫防砂篩管的粘度損失率Fig.2 Viscosity loss rate of J-PAM solution passing through V-slit sand control screen at different pump speeds

由圖2可知,J-PAM溶液流經V形縫篩管后,粘度會產生瞬時的降低,經過一段時間后,粘度逐漸恢復。隨著泵注速度的增加,V形縫對溶液粘度的影響逐漸降低。流體流速越大,經過篩管時高分子聚合物分子間的拖曳時間越短,粘度恢復速率越快,從而最終的粘度損失率越低。當泵注流量為0.66 mm/s,粘度損失率僅為0.5%。因此,V型縫防砂篩管對聚合物驅溶液的剪切作用較弱,幾乎不會產生機械捕捉增加粘度損失率。

2.2.2 梯形縫防砂篩管 質量分數為0.1%的實驗流體經過梯形縫防砂篩管前后的粘度變化結果見圖3。

圖3 不同注入速度下J-PAM溶液經過梯形縫防砂篩管前后的粘度損失率Fig.3 Viscosity loss rate of J-PAM solution before and after passing through the trapezoidal slit sand control screen at different injection speeds

由圖3可知,泵注速度增大,J-PAM溶液流經梯型縫繞絲篩管后,粘度損失率降低。當泵注流量為0.66 mm/s時,梯型縫繞絲篩管對聚合物粘度損失率為11.2%,遠大于V型縫篩管。這是由于泵注速度增加時,橫向縫的梯型縫繞絲篩管比縱向縫的V型縫篩管對聚合物溶液的捕捉和剪切作用更強,加劇了高分子聚合物的破壞。

2.2.3 繞流縫防砂篩管 質量分數為0.1%的實驗流體泵速設置及經過繞流縫防砂篩管前后的粘度變化結果見圖4。

圖4 不同注入速度下J-PAM溶液經過繞流縫防砂篩管前后的粘度損失率Fig.4 Viscosity loss rate of J-PAM solution before and after passing through the sand control screen with different injection speeds

由圖4可知,隨著液流速度的增加,溶液經過繞流縫的粘度損失率逐漸降低,粘度損失率在0.33 mm/s 后較為平穩,說明泵速對該類型篩管的影響較小。

綜合分析,聚合物作為假塑性流體,本身具有一定的剪切敏感性[20],隨著注入速度的增大,聚合物交聯結構在篩縫處產生的機械捕捉增大,宏觀表現為溶液粘度大幅度降低,但經過一段時間后,聚合物溶液粘度有所上升,這是由于篩管對聚合物的作用未達到剪切降解的強度,所以在流經篩管一段時間后粘度上升,但仍會使一部分聚合物分子鏈斷裂,使通過篩管后的溶液粘度整體呈下降趨勢。

2.3 聚合物溶液濃度對流經自清防砂篩管粘度的影響

考察注入速度為0.66 mm/s條件下,不同濃度J-PAM溶液經過各防砂篩管后的粘度損失率,結果見圖5。

圖5 不同濃度J-PAM溶液經過防砂篩管的最終粘度損失率Fig.5 Final viscosity loss rate of different concentrations of J-PAM solution through the sand control screen

由圖5可知,V型縫防砂篩管對J-PAM溶液的粘度的影響小于其他兩種類型篩管。隨著溶液濃度的增加,粘度損失率逐漸下降。這是由于實驗溶液中溶質含量增加,聚合物分子間接觸面積增大且緊密,增加了交聯結構的穩定性,但整體變化幅度較小。因此,濃度因素對經篩管阻切后的溶液粘度影響較小。

3 結論

(1)注聚驅油中防砂篩管會對聚合物的粘度產生一定的破壞,實驗研究J-PAM溶液經過V型縫、梯形縫和繞流縫防砂篩管后的粘度損失率,確定了聚合物溶液配制粘度穩定時間,并考察了篩縫類型與泵注速度、溶液濃度之間的關系。提出一種新型測試聚合物流經防砂篩管前后粘度變化的實驗方法和步驟,具有操作簡單、適用范圍廣、可測試各類防砂篩管對聚合物溶液粘度影響的特點,具有較高的實際應用價值。

(2)J-PAM聚丙烯酰胺溶液隨著靜置時間的增加,粘度逐漸恢復平穩,平穩時間為1 h。

(3)當J-PAM溶液質量濃度為0.1%～0.2%時,注入速度為0.66 mm/s,溶液流經V型縫篩管后的粘度損失率為0.3%～0.5%,流經梯型縫篩管粘度損失率為9.7%～11.2%,流經繞流縫篩管的粘度損失率為12.6%～14.4%,V型縫自清篩管結構對聚合物粘度的影響最小。

(4)泵注速度對聚合物粘度的影響大于濃度對其的影響。隨著液體流速的增加,粘度損失率逐漸下降。但隨著聚合物溶液濃度的增加,相同條件下,粘度損失率波動范圍較小。

(5)聚合物作為假塑性流體,具有一定的剪切敏感性,隨著泵注速度的增大,聚合物交聯結構在篩縫處產生的沖擊流速增大,宏觀表現為溶液粘度降低。由于對聚合物的影響未達到剪切降解的強度,所以在流經篩管一段時間后,粘度有所上升。但仍會使一部分聚合物分子鏈斷裂,使粘性整體呈下降趨勢。

(6)實驗得出聚合物溶液流經篩管后,其粘性耗損是不可避免的。但防砂篩管對聚合物溶液粘度的整體影響較小,并非注聚粘度損失的主要影響因素。通過選擇合適的防砂篩管,可以盡可能的降低其粘度損失。