孫　雪, 倪紅堅, 王學(xué)迎, 王瑞和, 于占淼, 周　通

(1.中國石油大學(xué)非常規(guī)油氣與新能源研究院,山東青島 266580; 2.中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司,河南濮陽 457001; 3.南京汽輪電機(集團)有限責(zé)任公司,江蘇南京 210000)

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利用超臨界CO2解除地層石蠟堵塞實驗研究

孫雪1, 倪紅堅1, 王學(xué)迎1, 王瑞和1, 于占淼2, 周通3

(1.中國石油大學(xué)非常規(guī)油氣與新能源研究院,山東青島 266580; 2.中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司,河南濮陽 457001; 3.南京汽輪電機(集團)有限責(zé)任公司,江蘇南京 210000)

采用室內(nèi)模擬實驗裝置研究超臨界CO2解除地層石蠟堵塞的可行性,并分析超臨界CO2解堵石蠟的作用機制及驅(qū)替參數(shù)對解堵效果的影響規(guī)律。結(jié)果表明:超臨界態(tài)CO2對石蠟具有溶脹和沖刷雙重作用,其解堵效果遠好于氣態(tài)和液態(tài)CO2;隨著驅(qū)替時間延長,解堵效果逐漸變好,超過一定時間后,巖心滲透率不再增加;解堵效果隨著溫度和驅(qū)替速度的增大而變好;隨著壓力的升高,解堵效果先增強后減弱,存在一個最佳解堵壓力。

超臨界CO2; 地層石蠟堵塞; 解堵; 溶脹; 影響因素

引用格式:孫雪,倪紅堅,王學(xué)迎,等.利用超臨界CO2解除地層石蠟堵塞實驗研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,40(3):107-112.

SUN Xue, NI Hongjian, WANG Xueying, et al. Experimental study on removing formation paraffin deposits using super-critical carbon dioxide[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(3):107-112.

石蠟沉積通常發(fā)生在油管、輸油管線和生產(chǎn)設(shè)備上,導(dǎo)致管線堵塞和設(shè)備失效等嚴重問題[1]。在高含蠟油藏和凝析氣藏中,石蠟在地層孔隙中的沉積和堵塞也是不容忽視的問題[2-4]。地層石蠟的沉積堵塞有兩方面原因:一是長期的注水開發(fā)導(dǎo)致儲層溫度降低,二是生產(chǎn)井附近壓力下降過快,原油中溶解氣的逸出。清除地層石蠟堵塞比管線清蠟的難度大[5]。常用于管線清蠟的機械清蠟和表面能防蠟技術(shù)不能用于地層除蠟[6]。傳統(tǒng)的熱力清蠟?zāi)芰肯拇?處理范圍小。最常用的地層清蠟方法是化學(xué)清蠟劑,包括有機溶劑和水基分散劑。但有機溶劑有毒性、易燃爆[7],對地層傷害大,而水基分散劑不適于含黏土地層[8]。微生物清蠟是一種新興的環(huán)保型清蠟方法[9],但其成本較高,現(xiàn)場應(yīng)用受到限制。超臨界CO2具有無毒、不易燃爆、成本低、對有機物溶解性好的特性,作為一種環(huán)保的萃取溶劑普遍應(yīng)用于化工行業(yè)[10]。超臨界CO2可以溶脹原油,降低原油黏度,較多地被用于注氣提高油藏采收率[11]。超臨界CO2對有機物具有較強的溶解能力[12]。筆者研制高溫高壓CO2解堵實驗裝置,通過室內(nèi)實驗研究超臨界CO2解除地層石蠟堵塞的可行性,分析驅(qū)替溫度、驅(qū)替壓力、驅(qū)替時間、驅(qū)替速度對超臨界CO2解除石蠟堵塞效果的影響規(guī)律。

1　實驗裝置與材料

高溫高壓CO2解堵模擬實驗裝置見圖1。該裝置由平流泵、活塞式中間容器、巖心夾持器、增壓泵、背壓閥、溫控系統(tǒng)及壓力監(jiān)測系統(tǒng)組成。平流泵為2PB00C系列平流泵(北京衛(wèi)星制造廠),工作范圍0～20 mL/min,可提供恒流量的動力將活塞式容器中的流體注入巖心?；钊街虚g容器的容積為2 L,耐壓40 MPa,耐溫200 ℃,用于儲存CO2、去離子水和石蠟-癸烷溶液。巖心夾持器用于夾持巖心并對巖心施加一定的圍壓,以防止流體從巖心外部逸出。背壓閥工作范圍0～48 MPa,用來控制巖心夾持器出口壓力,以模擬不同的地層壓力。增壓泵用于調(diào)整中間容器內(nèi)流體的壓力。溫控系統(tǒng)為青島正恒實驗設(shè)備有限公司研制的恒溫箱,最高可加熱至250 ℃,用以控制流動系統(tǒng)溫度,以模擬地層溫度。壓力監(jiān)測系統(tǒng)由巖心夾持器兩端及中間容器的壓力表和壓差計組成,用于監(jiān)測實驗過程中壓力變化和計算滲透率。

圖1　實驗裝置Fig.1　Experiment equipment

實驗材料包括:人造石蠟切片,熔點54～56 ℃(上海華靈康復(fù)器械廠);正癸烷,分析純;去離子水(自制),為消除地層礦化水與CO2反應(yīng)對滲透率的影響,使實驗更具有對比性,因此用去離子水模擬地層水;實驗用標準人造巖心,長度6.00 cm,直徑2.50 cm,氣測滲透率2.5 μm2,孔隙度20%;CO2氣體,純度99.95%(青島天源氣廠)。

2　實驗流程

2.1石蠟堵塞巖心制備

將人造巖心飽和去離子水后放入巖心夾持器,加圍壓,以5 mL/min的速度水驅(qū),待壓差計示數(shù)穩(wěn)定時測巖心初始液測滲透率Ki。由于純液態(tài)石蠟黏度大,難以被注入進巖心中,因此配置250 g/L的石蠟-正癸烷溶液[13]以降低注入阻力。將恒溫箱升至70 ℃,以2 mL/min的速度將2VP體積的石蠟-正癸烷溶液注入巖心后,在室溫下老化2 h,使蠟晶從石蠟-正癸烷溶液中析出。改變巖心液體流向,開泵反向5 mL/min的速度水驅(qū),待巖心夾持器兩端壓差穩(wěn)定后,得到石蠟堵塞巖心。繼續(xù)水驅(qū),測石蠟堵塞后的巖心滲透率kd。

2.2超臨界CO2解堵

將污染后的巖心飽和去離子水后放入巖心夾持器,將恒溫箱溫度調(diào)整至實驗溫度,加環(huán)壓和背壓,調(diào)至實驗壓力。通過增壓泵將CO2氣體注入中間容器,并調(diào)整至實驗壓力。打開平流泵,以設(shè)定的實驗流速驅(qū)替石蠟堵塞的巖心。驅(qū)替一定時間后,以5 mL/min的速度水驅(qū),待巖心夾持器兩端壓差穩(wěn)定后測CO2解堵后巖心滲透率kt。以滲透率恢復(fù)率(k=(kt-kd)/kt)作為解堵效果評價標準,重復(fù)以上步驟,研究不同溫度、壓力、驅(qū)替速度和驅(qū)替時間對解堵效果的影響。將堵塞后和解堵后的巖心切片,用SEM掃描電鏡觀察巖心孔隙形貌的變化。

3　結(jié)果分析

3.1電鏡掃描

通過電鏡掃描觀察石蠟堵塞后以及CO2解堵后的巖心形貌,結(jié)果見圖2。可以看出:經(jīng)過堵塞流程后,巖心原有的大部分孔喉被石蠟顆粒堵塞,石蠟顆粒像膜一樣吸附在巖心孔壁上,形成為較厚的堆積層(圖2(a));注入8 MPa、40 ℃的二氧化碳300 min后,大部分堵塞的石蠟顆粒被清除掉,巖心孔隙被疏通,但仍有少部分石蠟殘留在孔壁上(圖2(b))。

圖2　電鏡掃描照片F(xiàn)ig.2　SEM images

3.2驅(qū)替時間對解堵效果的影響

圖3　解堵效果與驅(qū)替時間的關(guān)系Fig.3　Relationship between plug removal effect and displacement time

通過實驗研究溫度40 ℃、壓力8 MPa、驅(qū)替速度10 mL/min下CO2驅(qū)替時間對解堵效果的影響,結(jié)果見圖3?？梢园l(fā)現(xiàn):前3 h內(nèi),隨著驅(qū)替時間的增加,滲透率恢復(fù)率由6.47%(驅(qū)替30 min)迅速增長到11.01%(驅(qū)替3 h),增長幅度70.17%,解堵效果顯著增加;3 h以后,滲透率恢復(fù)值由11.01%(驅(qū)替3 h)增至15.08%(驅(qū)替5 h),增長幅度36.97%,解堵增滲改善程度不大。這是由于隨著CO2與巖石孔隙中石蠟作用時間的增長,大部分石蠟顆粒已被驅(qū)替出巖心,而黏附在孔隙表面的蠟晶清除難度大,此時再延長驅(qū)替時間對解堵增滲的意義不大。

3.3驅(qū)替溫度對解堵效果的影響

我國原油凝固點大部分25～50 ℃[14-15],高于此溫度的地層不會發(fā)生嚴重的石蠟堵塞,因此實驗溫度設(shè)定為25～50 ℃,壓力6～18 MPa,驅(qū)替速度10 mL/min,驅(qū)替時間1 h下,不同地層溫度對解堵效果的影響見圖4?？梢园l(fā)現(xiàn),10～18 MPa下的滲透率恢復(fù)率明顯高于6 MPa,說明超臨界態(tài)CO2的解堵效果優(yōu)于氣態(tài)CO2;隨著溫度升高,CO2解堵效果越來越好,且高壓下溫度對解堵效果的影響更顯著。

圖4　解堵效果與溫度的關(guān)系Fig.4　Relationship between plug removal effect and temperature

結(jié)合CO2的物性參數(shù)進行分析認為,實驗范圍內(nèi),6 MPa壓力下,CO2為氣態(tài),在石蠟中溶解度極小,這時解堵的主要作用是CO2氣體沖刷攜帶和石蠟自身受熱膨脹作用。相關(guān)研究[16]表明,石蠟在43～57 ℃體積膨脹變化很大,因此隨溫度的升高,石蠟受熱膨脹,蠟晶膠結(jié)強度變?nèi)?在CO2氣流沖刷作用下脫落、分散,被攜帶出去而解堵,但另一方面氣態(tài)CO2密度隨著溫度的升高而降低,沖刷攜帶作用減弱,因此氣態(tài)CO2解堵效果不明顯。高壓下CO2處于超臨界態(tài),在石蠟中的溶解性大大提高,這時解堵的主要作用是超臨界CO2對石蠟的溶脹作用,隨著溫度升高,CO2在石蠟中的溶解度雖然略有下降,但CO2在石蠟中的擴散系數(shù)增大,加強了CO2對石蠟的溶脹作用。在石蠟受熱膨脹和CO2溶脹的共同作用下,蠟晶強度大幅度降低,易于沖刷攜帶,同時超臨界態(tài)CO2的密度遠大于氣態(tài)CO2的密度,沖刷能力強,因此超臨界態(tài)CO2的解堵效果更好,且解堵效果隨溫度的升高顯著提高。

3.4驅(qū)替壓力對解堵效果的影響

通過實驗研究溫度30～50 ℃、驅(qū)替速度10 mL/min、驅(qū)替時間1 h下地層壓力對解堵效果的影響,結(jié)果見圖5?？梢钥闯?30 ℃下,滲透率恢復(fù)率略有上升,解堵效果不明顯。40和50 ℃下,滲透率恢復(fù)率隨著壓力的升高先增大后減小,存在一個最佳解堵壓力,且10～14 MPa間滲透率恢復(fù)值隨著壓力的升高迅速增加,解堵效果提高幅度最大。由于30 ℃、6～18 MPa條件下,CO2主要為液態(tài),這時解堵的主要作用是液態(tài)CO2對石蠟堵塞物的沖刷攜帶,因此解堵效果微弱。40和50 ℃下,隨著壓力升高,CO2由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌R界態(tài),與液態(tài)CO2相比,超臨界CO2的擴散系數(shù)是液態(tài)的10～100倍,其對稠油、聚合物等的溶脹能力大大增強[17],因此超臨界CO2解除石蠟堵塞的主要原因是超臨界CO2溶脹石蠟,使蠟晶膠結(jié)強度降低,更易被流體沖刷攜帶出巖心。通過此實驗結(jié)果的對比,可以看出由于超臨界CO2對石蠟的溶脹作用,超臨界態(tài)CO2的解堵效果明顯優(yōu)于液態(tài)CO2。

圖5　解堵效果與壓力關(guān)系Fig.5　Relationship between plug removal effect and pressure

超臨界CO2的最佳解堵壓力并不是在臨界點附近,為了分析這一現(xiàn)象,利用Span &Wagner模型[18]計算了40和50 ℃下CO2密度與壓力的關(guān)系,結(jié)果見圖6。可以看出,壓力從6 MPa增加到14 MPa,CO2密度迅速增大,14 MPa后再增加壓力,CO2密度變化平緩。由此認為,隨著壓力的升高,超臨界態(tài)CO2的密度迅速增大,其在石蠟中的溶解量也隨之增多,溶脹作用增強,升高至一定壓力后,超臨界CO2在石蠟中的溶解量達到飽和,超臨界CO2對石蠟的溶脹率達到平衡,此時再增加壓力,超臨界CO2的黏度增大,CO2流體難以滲透進微小孔隙中,反而減弱了解堵效果。由此可知,超臨界CO2的解堵效果隨著壓力的升高先增強后減弱,本實驗中14 MPa下解堵效果最好。

圖6　CO2密度隨壓力變化示意圖Fig.6　Carbon dioxide density-pressure isothermal chart

3.5驅(qū)替速度對解堵效果的影響

通過實驗研究溫度40 ℃、壓力8 MPa、驅(qū)替時間1 h下驅(qū)替速度對解堵效果的影響,結(jié)果見圖7?？梢钥闯?隨著速度的增大,解堵效果變好。驅(qū)替速度增大,同一時間內(nèi)與石蠟作用的超臨界CO2的數(shù)量增多,并且流速的提高加強了CO2的沖刷作用,因此解堵效果變好。本實驗的流速范圍內(nèi)沒有引起巖心的速敏現(xiàn)象,但在實際應(yīng)用中過高的流速會導(dǎo)致地層出砂等施工安全問題,需根據(jù)地層實際情況將注入排量控制在安全注氣范圍內(nèi)。

圖7　解堵效果與驅(qū)替速度的關(guān)系曲線Fig.7　Relationship between plug removal effect and flow rate

4　結(jié)　論

(1)氣態(tài)和液態(tài)CO2解堵石蠟的主要作用是對石蠟顆粒的沖刷運移,而超臨界態(tài)CO2解堵石蠟是溶脹和沖刷的綜合作用,且超臨界CO2溶脹石蠟,降低蠟晶膠結(jié)強度是解堵的主要影響因素,因此超臨界態(tài)CO2的解堵效果遠好于氣態(tài)和液態(tài)CO2。

(2)驅(qū)替時間、溫度、壓力、速度等參數(shù)都對超臨界CO2的石蠟解堵效果有重要影響。溫度越高,超臨界CO2的解堵效果越明顯;存在一個有效的作用時間和最優(yōu)的驅(qū)替壓力;驅(qū)替速度增大,解堵效果變好。

(3)超臨界CO2解除石蠟堵塞的效果明顯,說明超臨界CO2作為一種綠色環(huán)保的地層除蠟劑的可行性。利用連續(xù)油管向結(jié)蠟地層噴射超臨界CO2可解除近井地帶的石蠟堵塞,且操作簡便易行,是一種很有前景的儲層增滲方法。

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(編輯劉為清)

Experimental study on removing formation paraffin deposits using super-critical carbon dioxide

SUN Xue1, NI Hongjian1, WANG Xueying1, WANG Ruihe1, YU Zhanmiao2, ZHOU Tong3

(1.Research Institute of Unconventional Oil & Gas and New Energy, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;2.TheNo.2DrillingCompanyofZhongyuanOilfieldServiceCorporation,SINOPEC,Puyang457001,China;3.NanjingTurbineMotor(Group)CompanyLimited,Nanjing210000,China)

The feasibility of removing formation paraffin deposits by super-critical carbon dioxide was studied through indoor simulation test apparatus. The mechanism of super-critical carbon dioxide removing paraffin deposits and the influence of flooding parameters were analyzed. Experimental results show that the plug removing performance of super-critical carbon dioxide is much better than gaseous and liquid carbon dioxide due to the combined effects of swelling and flooding of super-critical carbon dioxide on the paraffin. The plug removal effect becomes better with the displacement time increase. And the permeability of cores would not increase after several hours. The plug removing effect becomes better as the temperature and flow rate increases. As the flooding pressure rises, the plug removing effect increases firstly then decreases and there is an optimum pressure for removing paraffin plugging by super-critical carbon dioxide.

super-critical carbon dioxide; formation paraffin deposit; plug removing; swelling; influence factors

2015-12-20

國家“973”重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2014CB239202);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(27R1402019A);教育部博士點基金項目(20120133110011,20130133110006)

孫雪(1984-),女,博士研究生,研究方向為高壓水射流、超臨界二氧化碳射流、石油鉆井理論與技術(shù)。E-mail:sunxue_upc@s.upc.edu.cn。

倪紅堅(1972-),男,教授,博士,博士生導(dǎo)師,研究方向為石油鉆井工具、高效破巖方法與技術(shù)、高壓水射流、超臨界二氧化碳射流理論與技術(shù)。E-mail:nihj@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)03-0107-06doi:10.3969/j.issn.1673-5005.2016.03.014

TE 357

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