賈 虎,趙金洲,廖 然,蒲萬芬

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室,四川成都 610500)

氣體壓迫多孔介質(zhì)中聚合物凝膠行為

賈 虎,趙金洲,廖 然,蒲萬芬

(西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室,四川成都 610500)

結(jié)合鹽水沖刷多孔介質(zhì)中凝膠理論,分析聚合物凝膠分別受氣體和鹽水壓迫的作用機制,計算和對比飽和聚合物凝膠的多孔介質(zhì)中氣相和液相飽和度空間分布曲線,完善鹽水沖刷多孔介質(zhì)中凝膠理論模型的使用范圍,探討氣體突破后的兩種殘余凝膠對氣體滲流的影響。結(jié)果表明:鹽水在凝膠中的微觀滲流能力較氣體強,而氣體在凝膠封堵后的多孔介質(zhì)中微觀滲流能力較差,即在其他條件相同前提下,“侵入?yún)^(qū)”中處于微觀滲流狀態(tài)的氣體較少,氣體需長時間累積才能逐漸破壞三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠,因此凝膠未被突破前,相比于鹽水,氣體受凝膠高強度封堵有效期會更長；根據(jù)鹽水沖刷多孔介質(zhì)中凝膠理論建立的模型具有普遍適用性,凝膠受流體擠壓破壞本體結(jié)構(gòu)是多孔介質(zhì)中聚合物凝膠抵抗外來流體不至破壞的一種共性,與流體類型和聚合物凝膠體系無關(guān),該模型可用來預(yù)測各種凝膠體系在不同環(huán)境下的封堵性能。

聚合物凝膠；防氣竄；堵氣；多孔介質(zhì)；采收率

氣驅(qū)過程中由于注入介質(zhì)(CO2、N2、煙道氣、空氣等)的黏度和密度比其所驅(qū)替流體(原油、地層水)低嚴(yán)重影響驅(qū)替效率,引起指進、氣竄、重力超覆現(xiàn)象。非均質(zhì)性較強的儲層實施空氣驅(qū)時,地層原油不能進行充分氧化反應(yīng),煙道氣發(fā)生氣竄會影響采收率,氧氣過早竄入生產(chǎn)井將對安全造成極大隱患。通常交替注入氣體和表面活性劑溶液,在儲層中形成泡沫來降低氣體流度,提高氣驅(qū)波及效率[1]。對于特高滲或裂縫性儲層,泡沫將會失去應(yīng)有的封堵效果,注入聚合物凝膠可防氣竄,提高氣驅(qū)波及系數(shù)[2-5]。聚合物凝膠不僅可起到流度控制的作用,同時可用于生產(chǎn)井堵氣[6-12]。聚乙烯亞胺交聯(lián)凝膠體系[13-16]具有較強的抗溫、抗鹽能力及抵抗酸液、CO2/H2S等腐蝕性物質(zhì)的侵蝕能力,在各種惡劣油藏堵水、堵氣作業(yè)中具有較好的應(yīng)用前景[17-22],新型二次交聯(lián)凝膠體系可有效減輕預(yù)凝膠體系在注入地層過程中產(chǎn)生的濾失、吸附損失等問題,同時具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。筆者以這兩種聚合物凝膠體系作為研究對象,揭示多孔介質(zhì)中聚合物凝膠封堵氣體機制。

1 多孔介質(zhì)中凝膠封堵氣體行為

1.1 聚合物凝膠抗壓理論

Zitha等[23]提出了鹽水沖刷多孔介質(zhì)中凝膠理論,凝膠突破壓力測試和后續(xù)沖刷試驗通常包含3個基本原理:①凝膠彈性壓縮階段在多孔介質(zhì)中建立初始壓力；②鹽水在凝膠中呈微觀滲流狀態(tài),凝膠扮演者限制因素,保持壓力持續(xù)增加,當(dāng)凝膠微滲透率變得較大時,鹽水微觀滲流將導(dǎo)致壓力逐漸變?yōu)槠教?而不出現(xiàn)凝膠破裂；③如果凝膠微滲透率較低,到達突破壓力前,鹽水對凝膠將產(chǎn)生宏觀驅(qū)替作用。當(dāng)鹽水突破后,宏觀驅(qū)替不會對壓降產(chǎn)生太大影響,因此,最終壓降會變?yōu)槠椒€(wěn)。多孔介質(zhì)中凝膠在不同階段的分布形態(tài)見圖1。

圖1 多孔介質(zhì)中凝膠受外來流體壓迫時不同階段形態(tài)Fig.1 Different stages of gel in porous media for displacement using fluid

凝膠在被流體突破前的作用行為反映出凝膠的強度特征,聚合物凝膠在地層中受各種流體的擠壓而不被突破的作用時間越長,那么對實現(xiàn)流度控制、堵水、堵氣的效果會更佳,后續(xù)的耐沖刷性只是反映黏附能力。因此,凝膠在多孔介質(zhì)中能長時間保持高強度是非常有利的。當(dāng)流體(鹽水或氣體)嘗試著流經(jīng)凝膠封堵后的多孔介質(zhì)時,流體將會壓迫多孔介質(zhì)和凝膠,起初凝膠在多孔介質(zhì)中不參與任何流動,流體飽和度仍將為0,隨著流體的強行注入,凝膠在長時間壓力屈服下會使得流體以微觀流動方式通過凝膠和多孔介質(zhì)?；谶@一點,流體飽和度剖面將會動態(tài)發(fā)展,在微觀流動階段,流體飽和度為時間和空間的函數(shù),隨著流體微觀滲流程度加劇,即流體飽和度逐漸增大后凝膠強度將會急劇降低,表現(xiàn)為瞬間突破現(xiàn)象。

1.2 數(shù)學(xué)模型及機制

(1)飽和度方程。鹽水驅(qū)替多孔介質(zhì)中凝膠的數(shù)學(xué)模型的基本方程[23]如下:

式中,s為無因次飽和度；E為驅(qū)替流體與凝膠的黏度比；x為無因次距離；t為無因次時間；T1為達到突破壓力時的無因次時間。凝膠被鹽水侵入后存在3個不同的飽和歷程。從進口端直到距離xL處飽和度為1.0,為流體飽和區(qū)。然后飽和度成為距離和時間的函數(shù),直到距離xR處,為流體侵入?yún)^(qū)。從xR處到巖心或填砂管出口,飽和度為0,為盲區(qū)。方程(1)可用來計算xL和xR的表達式,設(shè)定s=1,xL可寫成:

同樣地,xR的表達式可通過定義s=0獲得,表達式為

T1＜t＜TBT時鹽水飽和度分布表達式為

式中,TBT為凝膠剛好被鹽水突破時經(jīng)歷的時間。凝膠受流體擠壓破壞時多孔介質(zhì)中流體飽和度分布見圖2。

(2)氣液相飽和度計算結(jié)果對比。氣體與鹽水的區(qū)別關(guān)鍵在于黏度差異,即E值。假設(shè)上述理論同樣適用于氣體,可得到鹽水和氣體介質(zhì)驅(qū)替凝膠封堵后的多孔介質(zhì)時,流體飽和度在空間上理論分布曲線(圖3)。

圖2 凝膠受流體擠壓破壞時多孔介質(zhì)中流體飽和度分布Fig.2 Fluid saturation profile in porous media during fluid extrusion process

圖3中,兩種流體在多孔介質(zhì)中的飽和度空間分布差別較大,其他條件相同,在相同位置上鹽水在多孔介質(zhì)中的飽和度更高,顯示出鹽水在凝膠中的微觀滲流能力較氣體強,容易滲入到xL～xR內(nèi),進一步破壞凝膠結(jié)構(gòu),當(dāng)用鹽水驅(qū)替時,凝膠更容易發(fā)生過早突破。筆者通過原子力顯微電鏡研究封堵裂縫的聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠經(jīng)鹽水持續(xù)沖刷后殘余凝膠的微觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)殘余凝膠存在許多分布均勻的孔洞(圖4),直徑在0.5～1.0 μm,這可能是凝膠產(chǎn)生較高微滲透率的見證。相反,氣體在凝膠封堵后的多孔介質(zhì)中微觀滲流能力較差,以至于在xL～xR同處于微觀滲流狀態(tài)的氣體較少,凝膠微滲透率較低,需要更長時間來不斷積累氣體以至破壞凝膠結(jié)構(gòu),因此在凝膠未突破前,氣體被凝膠高強度封堵的有效期會更長。(3)不同階段壓力演化方程。多孔介質(zhì)中聚合物凝膠在不同階段受流體壓迫作用下壓力演化的數(shù)學(xué)模型為

圖3 流體飽和度分布理論曲線Fig.3 Theoretical curves of fluid saturation

圖4 鹽水沖刷后聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠殘留物原子力電鏡顯微結(jié)構(gòu)Fig.4 AFM microstructure of residual PEI/HPAM gel sample after brine washout

其中,第一項為描述凝膠突破前壓力演化的數(shù)學(xué)模型,第二項為凝膠突破后短期內(nèi)壓力演化表達式,第三項為流體繼續(xù)沖刷多孔介質(zhì)中凝膠時壓力漸至穩(wěn)定時的表達式。

式(5)中,p為無因次壓力；p∞1為當(dāng)時間t趨于無限時凝膠壓縮階段而未被突破時所能達到的壓力峰值；k為壓力上升階段的斜率；pc為突破壓力；p∞4為當(dāng)凝膠突破后,時間t趨于無限時產(chǎn)生的壓力；pf為時間T2下對應(yīng)的壓力；T1、T2為臨近突破壓力時間TBT下過渡階段對應(yīng)的時間,T1＜TBT＜T2；λR為流體沖刷后,凝膠處于微觀流動階段產(chǎn)生的殘余流度； λw為多孔介質(zhì)中不存在凝膠時驅(qū)替流體產(chǎn)生的流度；a、τ4、g為無因次系數(shù)。

2 試 驗

2.1 試驗材料及設(shè)備

試驗體系1:聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠, 2.0%HPAM(MW=8 000 kg/mol,水解度＜10%)+ 0.35%PEI；配液礦化度0.5 g/L,其中NaCl 4.9 g/ L,CaCl2和MgCl2均為50 mg/L。

試驗體系2:新型二次交聯(lián)凝膠,0.3%HPAM(MW=18 000 kg/mol,水解度20%～30%)+1.0%酚醛+15 mg/L間苯二酚,配液礦化度30.0 g/L,其中NaCl 29.6 g/L,CaCl2和MgCl2均為0.2 g/L。

選取的填砂管滲透率均屬比較極端的特高滲范圍,基本物性參數(shù)見表1。

表1 填砂管基本物性參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of sand packs

物理模擬試驗裝置見圖5。

圖5 物理模擬試驗裝置Fig.5 Experimental device of physical simulation

2.2 試驗步驟

四組填砂管中,2#和3#用于聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠封堵氣體試驗,4#和8#用于評價新型二次交聯(lián)凝膠封堵氣體效果,所用氣體為高壓空氣。對于凝膠封堵氣體效果室內(nèi)評價,Eoff等[24]通過考察封堵前后氣體流量的變化來表征凝膠封堵性能,筆者重點研究凝膠突破前的狀態(tài),具體步驟如下:

(1)按試驗流程圖連接試驗裝置,測試其密封性；

(2)飽和鹽水后,在不同壓力下測量通過填砂管的氣體流量；

(3)以1.0 mL/min低流量注入1Vp(Vp為孔隙體積)預(yù)凝膠溶液,密封好后放入90℃的烘箱中老化,至體系達到最佳性能；

(4)調(diào)節(jié)空氣瓶閥門,每隔2 min增加一定氣體壓力,在氣體沒有突破的前提下估算出凝膠所能承受的最大壓力；

(5)在達到凝膠所能承受的最大壓力后,每隔5 min記錄一次壓力,考察壓力維持及衰減情況；

(6)繼續(xù)增加氣壓直至氣體突破,記錄突破壓力；

(7)當(dāng)凝膠被氣體突破后,重新調(diào)整測試壓力,在盡可能低的壓力下觀察出口端是否有氣流量,確定啟動壓力,之后緩慢增加壓力,測量不同壓力下通過填砂管的氣體流量。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗壓性能

抗壓試驗主要考察2#和4#兩組填砂管,從圖6 (a)可看出,在110 min連續(xù)加壓階段,凝膠沒有發(fā)生突破,體現(xiàn)了聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠在多孔介質(zhì)中優(yōu)異的機械力學(xué)性能。為防止凝膠過早突破,當(dāng)壓力增加至9.8 MPa時,不再繼續(xù)施壓,后續(xù)觀察表明抵抗壓力基本上沒有出現(xiàn)大幅度下降,在928 min內(nèi)從最高壓力9.8 MPa僅下降了0.78 MPa,而在前300 min內(nèi),壓力未出現(xiàn)下降。之后繼續(xù)增加壓力直至凝膠被氣體突破,測得突破壓力為10.01 MPa。對于4#新型二次交聯(lián)凝膠體系,同樣也表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗壓性能,當(dāng)壓力增加至1.8 MPa后進行抗壓試驗,1036 min后壓力降幅僅為0.42 MPa,在950 min時壓力下降趨勢有所緩慢增加,可能是由于凝膠疲勞受損,凝膠微滲透率有所增加,導(dǎo)致氣體宏觀流動能力增加,最終測得突破壓力為2.0 MPa。

從圖6(b)理論計算曲線可看出,兩種凝膠體系突破前,壓力增加階段趨勢與試驗結(jié)果有著較高的相似度,尤其是計算出的壓力峰值p∞1出現(xiàn)時間與試驗結(jié)果非常吻合,表明經(jīng)聚合物凝膠封堵后的多孔介質(zhì),當(dāng)氣體作為驅(qū)替流體介質(zhì)時,聚合物凝膠在被氣體突破前,均具有彈性壓縮和氣體在凝膠及多孔介質(zhì)中微觀滲流特征,凝膠在受流體擠壓破壞其本體結(jié)構(gòu)的過程,是多孔介質(zhì)中聚合物凝膠抵抗外來流體擠壓破壞所體現(xiàn)出的一種共性,與流體類型和聚合物凝膠體系無關(guān),因此上述模型具有普遍性,可用來預(yù)測各種凝膠體系在不同環(huán)境下封堵多孔介質(zhì)的性能。

對比圖6(a)和Al-Muntasheri關(guān)于PAM/PEI凝膠在多孔介質(zhì)中受鹽水沖刷曲線的結(jié)果[25]可以看出,對于3.0%PAM的聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠理應(yīng)比試驗體系1的強度更高,但在1 mL/min低流速鹽水作用下,不到5 min便已突破,突破壓力約9.0 MPa,進一步證實了上述流體飽和模型對于不同流體具普遍性適用性,即鹽水侵入凝膠結(jié)構(gòu)且在凝膠微孔道中的滲流能力較氣體強。盡管氣體分子和黏度相比于鹽水小很多,容易擴散進入各種多孔材料中,但鹽水破壞凝膠結(jié)構(gòu)的能力更強,因此,在其他條件相同情況下,聚合物凝膠封堵氣體效果更為理想,這也為各種凝膠體系用于氣驅(qū)流動控制或降低氣油比提供了重要理論依據(jù)。

圖6 多孔介質(zhì)中聚合物凝膠抗壓性能Fig.6 Stress tolerant ability of gel in porous media

3.2 突破壓力梯度及封堵效果

凝膠封堵氣體試驗結(jié)果如表2所示。兩種凝膠體系在高滲多孔介質(zhì)中封堵后,突破壓力梯度在2.1～20.0 MPa/m,凝膠抵抗高壓氣體破壞能力強,顯示了其良好的機械強度,聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠產(chǎn)生的突破壓力梯度值遠(yuǎn)高于新型二次交聯(lián)凝膠,2號填砂管突破壓力梯度高達20.0 MPa/m,這是因為聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠體系采用的聚合物質(zhì)量濃度較高,因此凝膠強度也高,實施上,對于氣驅(qū)流度控制或堵氣(降低氣油比)中實現(xiàn)這么高的突破壓力是不太可能的,因此會有良好封堵效果。氣體突破后,兩種凝膠體系在填砂管中的封堵率為99.36%～99.89%,殘余阻力系數(shù)為387.22～ 957.40。

表2 凝膠封堵氣體試驗評價數(shù)據(jù)Table 2 Gas shut-off evalution results of two gel systems

3.3 殘余凝膠對氣體滲流影響

圖7 凝膠封堵前后填砂管出口端氣體流量與注入壓力關(guān)系Fig.7 Outlet gas flow rate vs.injection pressure with none gel/and gel treated sand pack

圖7為填砂管飽和鹽水時和凝膠被氣體突破后出口段氣體流量與注入壓力的關(guān)系。可以看出,兩種凝膠體系產(chǎn)生的氣體啟動壓力有一定差異,對于聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠封堵后的2#和3#填砂管啟動壓力分別約為0.8、0.6 MPa,低于新型二次交聯(lián)凝膠體系的啟動壓力。一方面可能與2#、3#填砂管初始滲透率較高有關(guān),同時可能與凝膠本身的性質(zhì)有關(guān),聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠強度較新型二次交聯(lián)凝膠體系高,即凝膠的剛性程度高,而柔性程度相對較低,當(dāng)被氣體突破后在連續(xù)氣流作用下凝膠呈宏觀流動狀態(tài)會不斷地被沖出,會產(chǎn)生較低的啟動壓力,而多孔介質(zhì)中新型二次交聯(lián)凝膠即使被破壞后黏附能力也非常強,凝膠柔性程度高,仍可使得氣體呈現(xiàn)出部分地微觀滲流狀態(tài)。

總體來說,經(jīng)凝膠封堵后的高滲填砂管,氣體突破后,即使在高于飽和鹽水氣測10倍的壓力下也有著較低的氣體流量,體現(xiàn)了兩種凝膠在特高滲多孔介質(zhì)中較高的殘余阻力系數(shù)。

4 結(jié) 論

(1)通過氣體壓迫多孔介質(zhì)中聚合物凝膠試驗研究證實Zitha等提出的鹽水沖刷多孔介質(zhì)中凝膠理論模型具有普遍性適用性,能描述不同驅(qū)替流體壓迫各種聚合物凝膠體系產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。

(2)鹽水在凝膠中的微觀滲流能力較氣體強,有著較強的破壞凝膠本體結(jié)構(gòu)的能力,相同情況下,鹽水作為驅(qū)替流體時多孔介質(zhì)中的凝膠會很快被突破。

(3)聚乙烯亞胺/聚丙烯酰胺凝膠為高強度堵劑,往往柔性程度低,氣體突破后,凝膠宏觀流動程度較高,因此會產(chǎn)生過低的啟動壓力,而強度稍弱的新型二次交聯(lián)凝膠柔性程度高,即使被氣體突破后黏附能力也較強,氣體在破碎凝膠中仍可部分地呈現(xiàn)微觀滲流狀態(tài),會產(chǎn)生相對較高的啟動壓力。

(4)聚乙烯亞胺凝膠體系可用于生產(chǎn)井堵水和堵氣作業(yè),而新型二次交聯(lián)凝膠體系可用于氣驅(qū)流度控制。

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(編輯 劉為清)

Mechanism of gas compressing polymer gel in porous media

JIA Hu,ZHAO Jin-zhou,LIAO Ran,PU Wan-fen
(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology Exploitation,Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)

The mechanism of action of polymer gel oppressed by gas and brine respectively was analyzed based on the gel theory of saline washed porous media.The gas and liquid phase saturation space distribution curves in a porous medium which is saturated by polymer gel were calculated and contrasted.The application scope of saline washed porous media theoretical model was improved,and the effects of two residual gel gas produced on gas seepage after gas breakthrough were investigated.The results show that microscopic percolation capacity of salt water is stronger than gas in the gel,while microscopic percolation capacity of gas in porous medium is weak after gel plugging.Under the same condition,the gas under the microscopic percolation state in invaded area is less.Gas needs a long time accumulation to destruct the three-dimensional network structure gel gradually. Therefore,before the gel breaking,the validity period of gas plugged by gel intensely will be longer compared with that of saline.The model based on the gel theory in porous media washed by saline has a general applicability.The gel is extruded by fluid and the body structure is destructed,which is an universality when polymer gel resists foreign fluid in order not to be undermined in porous media.It has nothing to do with the type of fluid and polymer gel system.The model can be used to predict the plugging performance of various gel system in different environments.

polymer gel；gas channeling；gas plug；porous medium；enhanced oil recovery

TE 357.431

A

1673-5005(2013)02-0146-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.02.024

2012-10-05

中石油股份公司科技重大專項(2010E-21和2011KF04)；中央財政支持地方高校發(fā)展專項

賈虎(1983-),男,講師,博士,研究方向為油氣田開發(fā)工程。E-mail:tiger-jia@163.com。