裂縫型凝析氣藏調剖劑成膠性能的影響因素

摘 要

摘要：針對裂縫型凝析氣藏調剖劑封堵強度不夠、調剖深度有限的難點，通過試驗找出了一種新型、性能更加穩(wěn)定的弱凝膠調剖劑，該調剖體系形成的弱凝膠穩(wěn)定性好。在對其成膠性能的研
摘要：針對裂縫型凝析氣藏調剖劑封堵強度不夠、調剖深度有限的難點，通過試驗找出了一種新型、性能更加穩(wěn)定的弱凝膠調剖劑，該調剖體系形成的弱凝膠穩(wěn)定性好。在對其成膠性能的研究后認為聚合物濃度、交聯(lián)劑濃度、溫度、pH值和礦化度是影響該調剖體系成膠性能的主要因素：聚合物濃度增加，體系成膠時間縮短，強度增強；交聯(lián)劑濃度增加，成膠時間縮短，強度增加；隨著溫度升高，成膠時間縮短，強度增加，當溫度高到一定值時，弱凝膠強度變弱；該調剖劑在中性至弱堿性環(huán)境下利于成膠；聚合物分子具有鹽敏性，但礦化度較低時，礦化度對交聯(lián)體系成膠時間和強度的影響并不大。
關鍵詞：凝析油氣田；裂縫(巖石)；調剖劑；成膠性；濃度；溫度；pH值；礦化度；實驗
0 引言
    裂縫型凝析氣藏調剖難點主要有兩方面：①調剖劑封堵強度不夠。要保證強度就必須使調剖劑以段塞的方式向前推進，調剖劑要充分占據(jù)竄流通道的空間，并且在調剖劑段塞的前緣也需要有較強的抗稀釋性，還要具有較強的抵抗油污和黏土對封堵強度的破壞能力[1～3]。②調剖深度有限。為了避免繞流效應和凝析氣的氣鎖效應，對裂縫型油氣藏應該進行深部封堵，必須解決調剖劑在油氣藏中的成膠性能與封堵強度的矛盾[4～8]。
1 調剖體系的成膠性評價
    成膠性是交聯(lián)聚合物凝膠體系的主要靜態(tài)性能，筆者主要研究此性能的影響因素。
1.1 實驗材料
    筆者提出的調剖體系組成為：YG100——締合聚合物分子，為白色固體顆粒；YG102-1——具有氧化性的鮮艷橙紅色針狀或小粒結晶；YG102-3——具有還原性的結晶粉末；水——鄂爾多斯盆地某凝析氣藏地層水為實驗模擬水。
1.2 實驗方法
    將主劑聚丙烯酰胺(YG100)按實驗要求的濃度預先配制溶解好，交聯(lián)劑(YG102-1及G102-3)按一定濃度預先配制好。實驗時取一定量預先溶解好的HPAM溶液于燒杯中，再按照配方要求分別將交聯(lián)劑加入，同時攪拌均勻即形成調剖劑溶液。將調剖劑溶液倒入試管并密封，放入一恒溫水浴中，記下放入時間，定期觀察溶液的流動情況(用燒杯倒出觀察)，溶液不流動時或明顯形成具有一定舌長的凝膠時的時間與放入時時間差即為成膠時間。采用德國HAAKE公司生產的RS-150流變儀測定交聯(lián)體系的表觀黏度、黏彈性強度(主要是彈性模量)。
1.3 實驗結果
    調剖劑的基本組成包括聚合物、復合交聯(lián)劑兩部分，基本配方優(yōu)化實驗中，采用模擬水配制調剖劑，實驗優(yōu)化出調剖劑形成穩(wěn)定弱凝膠時各組分的最優(yōu)化濃度，聚合物濃度、交聯(lián)劑濃度對調剖體系成膠性能的影響實驗結果分別見圖1、2、3。
 
    由圖1可見，聚合物濃度增加，體系成膠時間縮短。同時形成的弱凝膠強度隨著HPAM濃度的增加而增強。但當HPAM濃度大于2000mg/L時，雖然凝膠強度增加到1Pa以上(按凝膠強弱分級為較強凝膠)，但成膠時間縮短到10h以下，這在大劑量深部處理時易導致前期調剖劑段塞反應太快而使后面的調剖劑注入困難。此外，HPAM濃度越高，調剖體系溶液越黏稠，配制及注入都相對要困難些。在弱凝膠強度及性能滿足作業(yè)要求條件下，低濃度可獲得較低的成本。但濃度不能低于400mg/L，因為HPAM濃度在400mg/L以下時弱凝膠強度很弱，穩(wěn)定1～2周后有少量的游離水，但弱凝膠HPAM濃度在500mg/L以上時，形成的弱凝膠性能則穩(wěn)定。
    由圖2、圖3可見，聚合物濃度一定時，交聯(lián)劑濃度增加，體系成膠時間縮短，形成的弱凝膠強度增加，這是因為交聯(lián)劑濃度增加，聚合物交聯(lián)機會及弱凝膠分子間交聯(lián)密度增加所致。但交聯(lián)劑濃度過高時，體系形成的弱凝膠反而有所降低，長期放置觀測發(fā)現(xiàn)弱凝膠不穩(wěn)定，有輕微脫水現(xiàn)象。這是因為交聯(lián)劑濃度過高，體系反應形成凝膠后，溶液內部的活性基團與交聯(lián)劑之間的化學反應仍在進行，這會使凝膠的交聯(lián)點增加，交聯(lián)密度增大導致凝膠的分子線團發(fā)生收縮，從而出現(xiàn)脫水和破膠現(xiàn)象。同時交聯(lián)劑濃度太小時，體系交聯(lián)不充分或不能有效地進行交聯(lián)，形成的凝膠太弱或不能形成整體凝膠，用于調剖難以形成有效的堵塞。此外聚合物濃度越高，形成穩(wěn)定弱凝膠要求的交聯(lián)劑也相應增加。用于裂縫凝析氣藏調剖作業(yè)的弱凝膠，一般要求弱凝膠強度稍高，在1Pa以上。HPAM在1000mg/L以上，調剖劑最佳交聯(lián)劑濃度確定在450～900mg/L，該調剖體系形成的弱凝膠穩(wěn)定，弱凝膠在地層中可移動，從而達到調剖目的。
2 成膠性能其他影響因素
2.1 溫度
    溫度是交聯(lián)化學反應最敏感因素之一，尤其是對成膠時間的影響。在HPAM YG103弱凝膠交聯(lián)反應中，過高的溫度會使弱凝膠破膠水化，筆者考察了30～50℃條件下調剖劑體系成膠性能的影響。實驗中固定交聯(lián)體系配方，將體系溶液分別置于不同溫度的水浴中，定期觀測交聯(lián)體系的成膠時間及形成弱凝膠的強度。實驗結果見圖4。
 
    圖4表明，隨著溫度的升高，體系成膠時間縮短，形成的弱凝膠強度增加，但當溫度高到一定值時，弱凝膠強度開始變弱。較低濃度調剖劑在30℃條件下，調剖劑體系能夠順利交聯(lián)，則在油氣藏溫度條件下其成膠性能不會因溫度的限制而受影響。此外該交聯(lián)體系在室溫下亦能形成較好的弱凝膠，因此現(xiàn)場注入時配制好的調剖劑不宜放置時間太長，最好在48h內注入地層，否則調剖劑交聯(lián)形成弱凝膠后會增加注入難度。
2.2 pH值
    在HPAM/Cr3+交聯(lián)體系中，pH值對體系溶液是否成膠有著決定性的影響，對HPAM—YG102-3交聯(lián)體系成膠性能影響實驗結果見表1、圖5。
    由表1、圖5可見，調剖劑在中性至弱堿性環(huán)境下更利于成膠。隨著交聯(lián)體系pH值的增大，成膠時間縮短，形成的弱凝膠強度也有所降低，當pH值增加到一定值時弱凝膠開始不穩(wěn)定。
表1 pH值對調剖體系成膠性能影響表
pH值
成膠時間(h)
弱凝膠強度(Pa)
弱凝膠強度描述
10
2
0.098
膠很弱，基本上未形成本體膠
9
4
0.105
弱凝膠很弱
8
14
0.300
標準弱凝膠
7.5
15
0.490
標準弱凝膠
7
15
0.584
標準弱凝膠
6.5
17
0.608
標準弱凝膠
6
18
0.527
標準弱凝膠
5.5
24
0.334
標準弱凝膠
5.0
未膠
—
—
4
未膠
—
—
注：1)溫度為45℃；HPAM 700mg/L+交聯(lián)劑450mg/L。
 
    pH值大于9時，體系很快成膠，但弱凝膠又很快破膠失去封堵能力；pH值小于5時，體系不能形成膠凝；pH值在6～8范圍時，體系形成的弱凝膠穩(wěn)定，強度及成膠時間都處于理想?yún)^(qū)域。由于酸堿度對調剖劑成膠時間及強度影響較大，現(xiàn)場施工時需對配制用水進行針對性實驗，并對配制用水提出水質要求。必要時需對水質進行處理，以保證體系的有效配伍。
2.3 礦化度
考慮到HPAM溶液存在鹽敏性，在HPAM的交聯(lián)實驗中考察了不同礦化度水質對HPAM—YG102-3交聯(lián)體系成膠性能的影響，實驗結果見表2。
表2 礦化度對交聯(lián)體系成膠性能的影響
配制水樣
溶液黏度(mPa·s)
成膠時間(h)
凝膠強度(Pa)
弱凝膠描述
某凝析氣藏地層水
7.54
15
0.375
標準弱凝膠
6000mg/L礦化水
7.04
15
0.284
標準弱凝膠
10000mg/L礦化水
6.19
16
0.215
標準弱凝膠
100000mg/L礦化水
4.80
19
0.116
弱凝膠較弱
注：1)溫度為45℃；交聯(lián)體系700mg/L。
    由表2可見，當配制水礦化度低于100000mg/L時，礦化度對交聯(lián)體系成膠時間、弱凝膠強度等影響不大；但配制水礦化度大于100000mg/L時，礦化度對調剖劑的成膠性能有較大影響，隨著礦化度的增加，交聯(lián)體系成膠時間延長，弱凝膠強度減低。當?shù)V化度大于100000mg/L時，形成的弱凝膠較弱，這是因為HPAM分子具有鹽敏感性。
3 結論
    1) 裂縫發(fā)育、注采矛盾突出的凝析氣藏具有實施調剖作業(yè)的必要性，需結合綜合強度、成膠時間等指標，對此類氣藏進行深部調剖。
    2) 聚合物濃度、交聯(lián)劑濃度、溫度、pH值和地層水礦化度是影響調剖劑成膠性能的主要因素。現(xiàn)場實施調剖施工時需對各因素進行針對性實驗，以期達到最佳調剖效果。
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(本文作者：沈平平1 姜必武2 1.中國石油勘探開發(fā)研究院；2.北京大學地球與空間科學學院)