法国IFP选择性堵水技术

图 3 硬葡聚糖的相对黏度 、渗透率变化与剪切速率的关系( a) 及硬葡聚糖的稳定性( b)
黏度显著提高 ,吸附和滞留在地层内的聚合物也造成 流动阻力 ,因此起到堵水作用[9 ] 。此外 ,硬葡聚糖还具 有良好的热稳定性[12 ] 、耐盐性和抗剪切性 ,在水溶液 里加添加剂还可以进一步改善它的热稳定性 。由图 3b 可见 ,加入 1 %的甲醛之后 ,可以提高硬葡聚糖的热稳 定性 。硬葡聚糖是非离子聚合物 ,所以在层内壁的吸 附能力很大 ,可提高处理效果 。硬葡聚糖也可以通过 交联 ( IFP 建议以乳酸锆为交联剂) 形成凝胶 ,用于封 堵高渗透层和裂缝[11 ] 。
2 处理二 处理二以硬葡聚糖为聚合物 。硬葡聚糖或称为小 核菌胶 ( scleroglucan) , 是一种高分子量 、杆形的聚合 物 。杆形的聚合物都具有假塑性特性 ,图 3a 即为硬葡 聚糖水溶液的相对黏度与剪切速率的关系 。相对黏度 是溶液与溶剂 (水) 的黏度之比[9 ,10 ] 。在低剪切速率区 (牛顿流动区) ,水溶液黏度不随剪切速率变化而变 ,呈 现牛顿流体的流动行为 。一般来讲 ,溶液浓度越低 ,牛 顿流动区越宽 。在经过一个过渡区后 ,水溶液黏度随 剪切速率增加而降低 ,水溶液表现出假塑性 ,该区为假 塑性流动区 。 硬葡聚糖水溶液具有假塑性 ,由于以很大流量注 入井内时黏度很低 ,而恢复正常生产 、剪切速率很低时
使用 RPM 时要注意以下问题 :在一个层内 ,由于 被孔道吸附的聚合物带有结合水 ,使孔道的水饱和度 升高 ,会引起油的相对渗透率降低的不良后果[7 ] 。因 此 RPM 堵水处理技术一般适用于高含油饱和度区的 油井 。此外 ,用 RPM 堵水会使水和油相对渗透率降 低 ,导致生产指数降低 ,所以需要增加生产压差来避免 采油量降低 。从 RPM 选择性堵水机理可以推断 : ①垂 向非均质性是有益的因素 。 ②多层 、无层间窜流的油 藏适用 RPM 堵水技术 。 ③水锥进的井不是理想的候 选井 。 ④好的地层压力保持情况 (如活跃含水区 、气顶 等) 有积极作用 。
3 处理三 与处理一类似 ,处理三也以聚丙烯酰胺的膨胀为 基础 ,不同处是其水溶液是非离子的聚丙烯酰胺 (也可 以用所有能水解的丙烯酰胺小组的共聚物[8 ]) ,聚合物 被地层吸附后 ,通过碱化反应来完成水解作用 。IFP 建议使用有机交联剂 (乙二醛) ,在高温条件下可以用 乳酸锆来交联共聚物 。 与处理一相比 ,处理三有以下优点 : ①非离子的聚 合物注入时黏度比较低 ; ②非离子的聚合物也具有很 大的吸附能力 ; ③非离子的聚合物能耐高矿化度 ; ④通 过控制碱性反应 ,可以调整聚合物的水解程度 。处理 三的缺点是由于天然水解反应 ,适用的温度范围小 ,最 高可耐温度为 70 ℃。
石 油 勘 探 与 开 发 2000 年 10 月 PETROL EUM EXPLORA TION AND DEV ELOPMEN T Vol. 27 No. 5 9 3
法国 IFP 选择性堵水技术
Coste J ean - Paul (1) Zaitoun A (2) 白宝君(1)
RPM 选择性堵水机理
水溶性聚合物凝胶通过被地层吸附而使渗透率不 均衡降低 ,从而使水相渗透率降低幅度大于油相和气 相渗透率降低幅度 。Seright 收集了许多关于不同凝胶 对水和油相对渗透率影响的数据[3 ] ,他分析了注入不 同凝胶后水的终点渗透率降低与油的终点渗透率的关 系 ,发现除一个数据以外 ,其它数据都证明了渗透率不 均衡降低的这种特性 。
IFP 处理灰岩储集层地下储气库储气井的实例有 Saint2clair sur Epte 储气库的 VN21 井 。该储气库地层 温度为 36 ℃,地层水矿化度为 14 000mg/ L ,储集层由 低渗透率 (0. 01μm2) 泥粒灰岩和高渗透率 (0. 7μm2) 粒 状灰岩构成 ,平均厚 28m ,有裂缝 。碳酸盐岩岩心实验 研究结果表明 ,聚丙烯酰胺被孔道表面吸附 ,而处理三 适应 VN21 井高矿化度地层水条件 ,通过吸附层膨胀 来减少含水率 ,所以用该技术进行处理 。根据数值模 拟研究和室内研究的结果 ,优选注入量为 250m3 ,平均 浓度为 0. 2 % ,化学溶液由河水 、杀菌剂 、聚合物和膨胀 剂组成 。由于杀菌剂与膨胀剂不配伍 ,致使聚合物过 早交联 (这是造成地层损害的主要原因) 。但可以低速 连续注入不加膨胀剂的堵水剂 。堵水后该井注气速度 从 15 000m3/ h 降到 10 000 m3/ h 。
2 水平井 :Pel ican Lake 油田和 SouthWinter 油田 ( 加拿大西部)
(1) Pelican Lake 油田 采用处理三 ,用完全一样的注入方法 , 对 Pelican Lake 油田的 4 口水平井进行了现场试验 (见表 1) ,只 有 11215A 井效果较好 (见图 4) 。
但对 RPM 堵水剂选择性堵水机理的认识还很有 争议 ,目前主要有两种观点 。第一种观点认为机理的
基础是“流体分割性”:在多孔介质中 ,水和油通过不同 的流线 (渗流孔道) 流动 ,注入凝胶时大部分凝胶进了 水的流线 ,因此降低了高的水相对渗透率[4 ] 。第二种 观点认为 ,渗透率不均衡降低的原因是“孔壁效应”:凝 胶被孔道壁吸附 ,成了一个凝胶膜 (一些科学家认为聚 合物/ 凝胶膜几乎是硬的[5 ] ,另一些认为膜层可能在油 流过喉道时被挤变形了[6 ]) ,通过润湿效应 、空间效应 及润滑作用 ,改变了两相流特点 。
IFP 处理技术
三种 IFP 选择性堵水处理方法所适用的特殊地层 条件见图 1a 。
1 处理一 处理一是在高盐浓度下注入水解的聚丙烯酰胺 , 适 用于温度低于60 ℃、地层水矿化度低于5000 mg/ L
图 1 IFP 堵水技术使用范围( a) 和处理一示意图( b)
94 石油勘探与开发·油田开发 Vol. 27 No. 5
相对 渗 透 率 改 善 剂 RPM ( Relative Permeability Modifiers) 由高分子水溶性聚合物或弱凝胶组成 ,是有 效并可笼统注入的系列堵水剂 。高分子水溶性聚合物 和弱凝胶有利于降低水的相对渗透率 ,减少层内矛盾 , 对油或气体的相对渗透率影响很小[1 ,2 ] 。20 世纪 80 年代 , 法国石油研究院 ( Instit ut Fran ais du Pét role , IFP) 开始研究相对渗透率改善剂堵水技术 ,进行了化 学剂研究 、物理模拟 、数值模拟 、处理设计及现场试验 , 研究出适用于三种特殊地层条件的 IFP 选择性堵水处 理方法 ,先后进行了 100 多口井的现场施工[2 ] 。
图 2 矿化度和剪切速率对聚合物膨胀的影响( a) 及处理一对油和水的相对渗透率的影响( b)
处理一适用于温度 60 ℃以下地层 ,原因是温度高 于 60 ℃时会发生聚合物的天然水解反应 ,导致聚合物 沉积 。要求地层水盐浓度低于 5000mg/ L 有两个原 因 :第一 ,盐浓度大于 5～10g/ L 时 ,黏度不变化 ;第二 , 高的盐浓度使聚合物分子体积缩小 ,因而吸附层的厚 度也缩小 ,会降低处理效果 。
(1) 中国石油天然气集团公司石油勘探开发科学研究院 (2) Institut Fran ais du Pétrole (法国石油研究院)
引 言
在油田注水开发过程中 ,含水增加是正常的 。但 由于油藏的非均质性和水流线的不规则性 ,很多情况 下出现不正常高含水 ,同时未波及的含油区很大 。
应用聚合物和凝胶堵水效果良好 ,其作用是通过 对处理范围的封堵 ,调整不同地层的渗透率差异 ,提高 水驱波及效率 。注入凝胶的目的是希望它进入高渗透 层降低其渗透率 ,但不希望损害低渗透油层 。然而因 为操作问题 ,如出水层位不明确 、许多油田的套管状况 变差或是完井技术不适合 (如砾石充填完井 、割缝管完 井等) ,无法放置机械封隔器 ,许多情况下只有采用笼 统注入这一方法进行堵水作业 。
处理三方法
PAM + KOH
PAM + 乙二醛
注入量 ( m3)
60～110
400
在 9. 5s - 1下溶液黏度
50
含水率 ( %)
处理前 85～90
处理后 50～70
15 处理前 处理后
95
80
有效期
2a
2monபைடு நூலகம் h
图 4 Pelican Lake 油田 11215A 井生产情况
11215A 井堵水后含水率迅速从 85 %降到 50 % ,产 油量上升 ,有效期为 2a 。其余 3 口井的处理效果不如 11215A 井 , 可能是因为井的结构不同 。11215B 井和 14210A &B 井的最低排泄孔离井口远 ,堵水剂只有通 过油层才能到达水淹层 ,因而使油层遭到损害 。
的地层 。常用的聚丙烯酰胺含 20 % ～30 %的丙烯酸 基 ,分子量为 107 ,其聚合物分子半径 ,在 8g/ L 盐浓度 的水里为 0. 32μm , 在 1g/ L 盐浓度的水里为 0. 4μm 。
在高盐浓度的溶液 (其盐浓度必须高于地层水的 盐浓度) 里注入聚合物有利于降低注入液的黏度 ; 此 外 ,由于聚合物分子的体积随着盐浓度增加而减少 ,所 以聚合物在地层内被吸附的量也增加 ,有利于形成聚 合物吸附层 。处理后产油时 ,由于地层水盐浓度比注 入液低 ,会使聚合物吸附层膨胀 (见图 1b) ,从而降低水 的相对渗透率[8 ] 。从图 2a 可见 ,在一个黏土质砂岩岩 心中 ,吸附层膨胀后 ,水的渗透率降低为膨胀前的三分 之一 。聚合物的吸附层对油或气的相对渗透率影响不 大 (见图 2b) 。
2000 年 10 月 Coste Jean2Paul 等 :法国 IFP 选择性堵水技术 95
IFP 处理步骤
IFP 处理步骤包括实验室工作 、数值模拟以及在 (实际) 现场条件下的调整 。实验室工作的目的是 : ① 查证化学溶液的注入能力和聚合物/ 添加剂的配伍性 ; ②优化化学组成 ; ③进行两相流岩心试验 ,以测定终点 处理前 、后的相对渗透率 。数值模拟包括三部分 : ①拟 合候选井产液历史 (通过对近井地层的简单描述) ; ② 聚合物/ 凝胶注入的动态模拟 ; ③处理后的生产估测 。 用数值模拟可以优化处理设计和预测处理效率 。现场 试验时 ,用轻便测量系统来进行现场条件下的调整 。 轻便测量系统包括黏度计 (BrookfieldTM) 、p H 测定计及 流入井口压力记录仪 。处理前要考察地层水和原油与 堵水剂的配伍性 ;处理时要注意注入溶液的黏度是否 适应井口压力 ,注入压力不可大于破裂压力 ( IFP 建议 安全系数取 20 %) 。
IFP 典型现场试验[2 ]
1 地下储气库储气井 :砂岩储集层或灰岩储集层 (法国)
IFP 用 RPM 堵水技术进行了一些砂岩储集层地 下储 气 库 储 气 井 的 堵 水 处 理 , 效 果 良 好[8 ] 。例 如 Cerville2Velaine 储气库的 VA48 井 ,地层温度为 30 ℃, 储集层厚 60m ,地层水矿化度为 1000mg/ L ,渗透率随 着深度而升高 (从 0. 1μm2 到 5～10μm2) 。采用处理一 技术对该井堵水时 ,注入了浓度为 3000 mg/ L 的聚丙 烯酰胺 700m3 ,配制水矿化度为 820 mg/ L 。处理后该 井产气量未变化 ,含水率减少 ,有效期长于 3a[8 ] 。
表 1 用处理三技术处理水平井的概况
项目
Pelican Lake 油田 Sout h Winter 油田
水平段长度 (m)
500
岩性
Wabiskaw 砂岩
Dino 砂岩
渗透率 (μm2)
>1
3～5
底水能量
较弱
很强
原油黏度 (mPa·s)
1000
3000
水总矿化度 (mg/ L) )
10 000
52 000