海上低滲透油田鉆井用高效防水鎖劑的制備及性能評價

宮紅亮

(中海油田服務股份有限公司油田生產事業部,天津 300450)

由于海上低滲透油田往往具有低孔、低滲及微裂縫發育等特點,在鉆井過程中隨著外來流體的進入極易引起較為嚴重的水鎖損害,具體表現為儲層段含水飽和度明顯增大、儲層滲透率顯著降低,對后續油井的投產造成嚴重影響[1-3]。研究[4-6]表明,海上低滲透油田在鉆井過程中會產生一定的固相顆粒運移堵塞損害,但其侵入深度往往較小,在鉆井過程中可以通過控制鉆井液中固相顆粒的粒徑、含量等降低其損害程度,并且后期還可以通過射孔或壓裂改造的方式來解除損害。但海上低滲透油田在鉆井過程中引起的水鎖損害卻不容易解除,并且水鎖損害造成的后果也更嚴重,對油井產能的影響較大[7-9]。因此,需要對海上低滲透油田鉆井過程中引起的水鎖損害進行有效預防,以提高鉆井效率。

在鉆井液中添加防水鎖劑是降低鉆井過程中水鎖損害程度的最常用措施之一,性能優良的防水鎖劑能夠通過降低儲層流體的表面/界面張力、改變巖石表面潤濕性等作用來預防水鎖損害,提高儲層流體的排液速度,使儲層中滯留的水相快速排出,降低儲層含水飽和度,以達到預防和解除水鎖損害的目的[10-14]。在此,作者以異丁烯酸甲酯、甲基丙烯酸和2-丙烯酸丁酯為主要原料,室內制備一種適合海上低滲透油田鉆井用的高效防水鎖劑FR-101,并對其綜合性能進行評價,以期為海上低滲透油田的高效開發提供一定的技術支持和借鑒。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

天然巖心、巖屑,取自海上低滲透油田儲層段。

異丁烯酸甲酯、甲基丙烯酸、2-丙烯酸丁酯,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;十二烷基苯磺酸鈉、過硫酸鉀、碳酸氫鈉、氫氧化鈉、丙酮、氯化鉀,分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

HH-2型數顯恒溫水浴鍋,杭州瑞誠儀器有限公司;ZA305AS型電子分析天平,上海贊維衡器有限公司;HWXL-9420A型電熱恒溫干燥箱,深圳澳德瑪電子科技有限公司;T15型表面張力儀,翁開爾(上海)國際貿易有限公司;JYW-P型接觸角測定儀,承德金和儀器制造有限公司;DQT-2型巖心驅替實驗裝置,海安石油科研儀器有限公司。

1.2 防水鎖劑FR-101的制備

稱取一定量的十二烷基苯磺酸鈉乳化劑于四口燒瓶中,加入蒸餾水,攪拌均勻;然后加入一定量的碳酸氫鈉,攪拌均勻;再按一定質量比加入異丁烯酸甲酯、甲基丙烯酸和2-丙烯酸丁酯,攪拌均勻;通入氮氣除氧30 min,并升溫至設定值,加入引發劑過硫酸鉀,反應一定時間,用氫氧化鈉調節溶液pH值至中性;將反應液倒入玻璃容器中,用蒸餾水浸泡一定時間以除去雜質,再用丙酮洗滌數次后置于恒溫干燥箱中烘干,即得防水鎖劑FR-101。

1.3 防水鎖劑FR-101的性能評價

1.3.1 表面活性

用蒸餾水配制不同質量濃度的防水鎖劑FR-101溶液,采用表面張力儀在室溫下測定其表面張力。

1.3.2 潤濕性能

將儲層天然巖心切割成尺寸一致的巖心薄片,用砂紙將端面打磨平整,然后將其分別浸泡于不同質量濃度的防水鎖劑FR-101溶液中,12 h后,取出巖心薄片,晾干,采用接觸角測定儀測定巖心薄片表面接觸角。

1.3.3 巖心自吸水能力

將儲層天然巖心洗油、烘干處理后,置于不同質量濃度的防水鎖劑FR-101溶液中,巖心上端露出液面3 cm左右,每隔一定時間稱量巖心,記錄巖心質量變化,并計算巖心自吸水量。

1.3.4 抑制性能

采用巖屑滾動回收率實驗評價防水鎖劑FR-101的抑制性能。稱取一定質量的6～10目巖屑,加入到不同質量濃度的防水鎖劑FR-101溶液中,使用老化罐在120 ℃下滾動老化16 h,冷卻后收集過40目篩網的巖屑,烘干后稱重,計算巖屑的滾動回收率。

1.3.5 儲層保護性能

在這個供應鏈平臺上，各個節點都將信息公開，讓信息透明，使得供應鏈各個節點都能得到所需的信息，讓信息交互更有效率，優化了信息共享的效果，實現共贏。

(1)將儲層天然巖心洗油、烘干后稱重,然后抽真空,用3%KCl溶液飽和;(2)將巖心裝入巖心驅替實驗裝置中,使用3%KCl溶液正向驅替測定巖心的初始滲透率;(3)向巖心中分別注入2倍體積不同質量濃度的高效防水鎖劑FR-101溶液,靜置12 h;(4)繼續使用3%KCl溶液正向驅替測定巖心的滲透率,并計算滲透率恢復值。

2 結果與討論

2.1 表面活性

測定了不同質量濃度防水鎖劑FR-101溶液的表面張力,結果如圖1所示。

由圖1可以看出,隨著防水鎖劑FR-101質量濃度的增加,溶液的表面張力先迅速下降后趨于穩定;當防水鎖劑FR-101質量濃度為1.2%時,溶液的表面張力降至23.8 mN·m-1;繼續增加防水鎖劑FR-101質量濃度,表面張力的降幅逐漸減小并趨于穩定。這是由于,當防水鎖劑FR-101質量濃度達到1.2%時,其在水溶液中所形成的膠束濃度已基本達到飽和,即達到了臨界膠束濃度值;繼續增加防水鎖劑FR-101質量濃度,溶液的表面張力變化不大。

2.2 潤濕性能

測定了使用不同質量濃度的防水鎖劑FR-101溶液浸泡后巖心薄片表面的接觸角,結果如圖2所示。

圖2 不同質量濃度防水鎖劑FR-101溶液浸泡后巖心薄片表面的接觸角

由圖2可以看出,未經防水鎖劑FR-101浸泡處理的巖心薄片表面的接觸角為28.6°,為親水性,而經浸泡處理后,接觸角隨防水鎖劑FR-101質量濃度的增加逐漸增大;當FR-101質量濃度為1.2%時,接觸角增至97.5°,巖心薄片表面的潤濕性逐漸轉變為中性潤濕。這是由于,當防水鎖劑FR-101分子結構中的親水基團逐漸被吸附到親水巖石的表面后,其分子結構中的疏水基團朝向溶液一端,在巖石表面形成了一層比較穩定的吸附膜,改變了其表面潤濕性,使其表面處于中心潤濕狀態,能夠有效降低毛細管阻力,提高液相流體在儲層中的流動效率,有效防止水鎖損害現象的發生。

2.3 巖心自吸水能力

測定了天然巖心在不同質量濃度防水鎖劑FR-101溶液中的自吸水量,結果如圖3所示。

圖3 天然巖心在不同質量濃度防水鎖劑FR-101溶液中的自吸水量

由圖3可以看出,目標區塊儲層段巖心在蒸餾水中的自吸水量較高,當吸水時間為5 h時,巖心自吸水量達到0.875 g;而巖心在不同質量濃度的防水鎖劑FR-101溶液中的自吸水量則明顯降低,并且隨著防水鎖劑FR-101質量濃度的增加,自吸水量逐漸降低;當防水鎖劑FR-101質量濃度為1.2%時,巖心5 h的自吸水量僅為0.081 g,比在蒸餾水中的自吸水量降低了90%以上。這是由于,防水鎖劑FR-101具有良好的表面活性和潤濕性能,能在巖心孔隙表面形成一層穩定的疏水膜,阻止溶液中的水分子進入巖心孔隙內部,進而有效降低巖心的自吸水量。

2.4 抑制性能

圖4 防水鎖劑FR-101質量濃度對巖屑滾動回收率的影響

由圖4可以看出,目標區塊儲層段巖屑在蒸餾水中的滾動回收率僅為49.2%,說明該區塊儲層段巖屑容易吸水膨脹、水化分散。而隨著溶液中防水鎖劑FR-101質量濃度的增加,巖屑的滾動回收率先迅速升高后趨于穩定,當防水鎖劑FR-101質量濃度為1.2%時,巖屑的滾動回收率達到95%以上;繼續增加防水鎖劑FR-101質量濃度,巖屑的滾動回收率變化不大。這是由于,防水鎖劑FR-101的分子鏈較長,能夠對巖屑中的粘土礦物起到良好的包被作用,從而抑制水分子進入粘土顆粒內部,阻止其水化分散。說明研制的防水鎖劑FR-101具有良好的抑制性能,能夠有效穩定井壁,確保鉆井作業安全進行。

2.5 儲層保護性能(表1)

表1 儲層保護性能評價結果

由表1可以看出,使用蒸餾水驅替的天然巖心滲透率恢復值僅47.89%,說明巖心經過蒸餾水驅替后出現了粘土吸水膨脹和水化分散現象,堵塞了巖心孔隙,并且巖心中滯留了較多的水分,造成比較明顯的水鎖損害,導致巖心滲透率恢復值較低。而使用不同質量濃度的防水鎖劑FR-101溶液驅替的天然巖心滲透率恢復值均明顯高于蒸餾水,并且隨著防水鎖劑FR-101質量濃度的增加,巖心滲透率恢復值逐漸升高。當使用質量濃度為1.2%的防水鎖劑FR-101溶液驅替后,巖心的滲透率恢復值達到90%以上,說明防水鎖劑FR-101起到了良好的儲層保護作用。這是由于,防水鎖劑FR-101能夠通過良好的潤濕性能和抑制性能阻止巖心中粘土礦物吸水,避免粘土水化分散堵塞孔隙,從而降低其對巖心基質滲透率的損害程度,提高滲透率恢復值。

3 結論

(1)室內以異丁烯酸甲酯、甲基丙烯酸和2-丙烯酸丁酯為主要原料,以十二烷基苯磺酸鈉為乳化劑,以過硫酸鉀為引發劑,制備了一種適合海上低滲透油田鉆井用的高效防水鎖劑FR-101。

(2)防水鎖劑FR-101具有良好的表面活性和潤濕性能,當防水鎖劑FR-101質量濃度為1.2%時,溶液的表面張力降至23.8 mN·m-1,巖心薄片表面的接觸角由28.6°增至97.5°。

(3)防水鎖劑FR-101能有效降低天然巖心的自吸水量,抑制儲層巖屑的水化分散,當防水鎖劑FR-101質量濃度為1.2%時,巖心5 h的自吸水量比在蒸餾水中降低了90%以上,儲層巖屑的滾動回收率達到95%以上。

(4)防水鎖劑FR-101還具有良好的儲層保護性能,儲層天然巖心使用質量濃度為1.2%的防水鎖劑FR-101溶液驅替后,巖心的滲透率恢復值達到90%以上,適用于海上低滲透油田鉆井作業。