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儲層滲透性保護有望迎來納米級粘土穩定劑

儲層滲透性保護有望迎來納米級粘土穩定劑

石油行業中,納米材料的應用正在加速擴展。

來自 | World oil
編譯 | 張毅

粘土膨脹是油氣儲層傷害的常見原因。傳統生產環境下,近井眼區域的粘土膨脹可能對鉆完井與修井作業造成阻礙。在增產作業中,粘土膨脹或微粒運移會降低儲層滲透性能。

在過去的50多年中,多項研究協助我們更好地理解了井內水基液體組成對粘土穩定性的影響。前期工作證明,鹽度、pH值、溫度以及流量的變化均會引發砂巖儲層內的粘土膨脹與運移。儲層內的粘土膨脹會降低流體通道的有效截面,也就限制了流量。釋放出的粘土顆粒隨著液體夾帶至儲層內部復雜的孔隙網絡,進而堵塞孔隙孔喉,降低滲透率,最終降低產量。

粘土穩定劑被廣泛用于防團聚、防孔隙堵塞以及流量損失。常用穩定劑包括:氯化鈉、氯化鉀以及氯化鋯;氫氧化鈉、氫氧化鈣以及氫氧化鋁;鋁鹽、鋯鹽、季銨以及陽離子有機聚合物。但由于無法運移通過細小空隙、對環境的影響以及高成本的原因,上述的大多數穩定劑都不能滿足實際要求。

這一挑戰即促進了納米微粒在穩定粘土顆粒方面的性能研發。納米微粒,是至少在一個維度上小于100nm的顆粒,相較于微米粒子或更大粒子,展現出其獨有的化學性質。隨著顆粒尺寸的降低,更多原子暴露在表面,增加了表面活性。當球體從微米級降低至納米級時,相較于體積,其表面積增加了1000倍。納米微粒能夠輕松通過儲層孔隙(尺寸約為幾個微米)。

本文回顧了一項研究,研究內容是利用納米膠粒防止儲層內粘土相關的流量降低。因為可用性豐富,生產成本低且沒有毒性,故選用了硅基納米微粒與常用粘土穩定劑進行比較。

實驗流程

實驗材料

測試選擇使用表面帶正電荷(陽離子納米微粒)和表面帶負電(陰離子納米微粒)的硅基非有機納米膠體顆粒。分別向去離子水中加入碘化鈉和氯化鈉,以制備不同的鹽水溶液。

巖芯材料與準備

伯利亞砂巖巖芯取樣,每個直徑1.5英寸(3.8厘米),長度4英寸(10厘米),用于測試納米微粒制劑運移行為,并用作粘土穩定作用的巖石模型。用去離子水清洗巖芯,100℃(212℉)下完全烘干。對干燥后的巖芯進行CT掃面,觀察巖芯內部,確保內部無裂縫或缺陷。

巖芯驅替試驗裝置

巖芯驅替裝置包括:靜水巖芯夾持器、真空泵、液體注入泵、上覆壓力泵、鹵水與納米微粒分散用浮動活塞式蓄能器,以及固定間隙洗脫樣自動收集器,流程如圖1。同時記錄下進出口的巖芯溫度與壓力。

儲層滲透性保護有望迎來納米級粘土穩定劑

圖1.巖芯驅替流程單線圖

顆粒尺寸分布與充填

納米微粒在分散系統中的穩定性主要取決于表面電荷。利用Malvern ZetSizer光反射儀器測量在鹵水中納米微粒的電動電勢,同時收集納米微粒尺寸分布的動態光散測量信息。

瓶內測試

為理解納米顆粒穩定粘土的效果及其耐膨脹性能,選用可膨脹蒙脫土,測試樣品的電動電勢和粒徑。

研究與成果

納米微粒穩定性與尺寸

分散系統內納米微粒的穩定性對于孔隙中的有效運移至關重要。隨著時間的推進,不良的分散產生靜電電荷后,由于電荷不平衡會引起顆粒團聚。

制備陽離子與陰離子納米微粒分散體,并觀察其穩定性。幾個月后,分散體依然穩定,未出現團聚。

在之前的研究中心,當分散體趨于穩定時,納米微粒的電動電勢應大于+30mV或小于–30mV。在上述實驗中,納米微粒電動電勢分別為+38.2mV和–36.0mV,這也進一步證明,兩種納米顆粒分散體都非常穩定。

納米微粒分散的動態光散測量表明,微粒尺寸遠小于大多數儲層內的典型孔隙與孔隙孔喉尺寸(孔隙尺寸通常為幾微米),如圖2。

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圖2.上圖中顯示出陽離子納米微粒的尺寸分布,平均直徑為67.94納米(nm);下圖顯示的是陰離子納米微粒尺寸分布,平均直徑為13.74納米。

巖石內納米微粒穩定性

納米微粒在多孔介質中不受阻礙的運移,對于穩定儲層內粘土至關重要。分散體中的納米微粒在注入巖芯內時,相較于載波相位遇到更多阻力。根據其與巖石間的親密性、相鄰納米微粒以及載波相位,這些納米微??赡軙趲r石表面聚結形成濾餅,而沒有成功進入巖芯,甚至沒有進入巖石。這些微粒也有可能在孔隙聚集,租個孔隙孔喉,嚴重影響儲層滲透率。綜上所述,研究納米微粒在巖芯驅替實驗里多孔介質內的運移十分重要。

在將納米微粒注入到巖芯內之前,將納米微粒分散注入通過孔徑為200nm的過濾裝置,進行快速測試。陽離子與陰離子納米微粒分散都通過了巖芯,并且在過濾裝置內無殘留,這也就意味著實現了巖芯內有效的運移。

巖芯驅替試驗

通過一系列流動試驗評價了陽離子與陰離子納米微粒對巖芯內粘土穩定所起的效果。同時在試驗室內進行了一項與先前的試驗相類似的沖擊試驗,模擬粘土相關流量降低。

首先將伯利亞砂巖巖芯干燥、稱重,然后靜置于巖芯夾持器,加載上覆壓力至1000psi,然后室溫下清洗。將比重6%的碘化鈉注入巖芯,隨后測量滲透率。

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表1.巖芯驅替實驗總結

為了模擬儲層傷害,停止碘化鈉注入,開始去離子水注入。鹽度的變化導致壓差快速上升,同時由于粘土遷移堵塞孔隙與孔隙孔喉,導致滲透率降低99%,圖3。

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圖3.沖擊試驗用于顯示伯利亞砂巖巖芯內粘土遷移造成的滲透率下降。單個孔隙空間內滲透率下降達99%。

去離子水注入后立刻開始進行巖石處理,處理手段為注入分散了比重0.1%的離子納米微粒的去離子水,見表1。陰離子納米微粒的注入造成壓力的快速上升,這也可能由于先前注入的去離子水造成鈉離子與粘土顆粒交換并同時引發粘土遷移造成的。陰離子納米微粒處理無法通過已經堵塞的孔隙與孔隙孔喉。

在下個巖芯驅替試驗中,將伯利亞砂巖巖芯浸泡在比重為1%的碘化鈉溶液中,加入陽離子納米微粒分散劑,進行擠注處理。用陽離子納米微粒對巖石處理完后,將去離子水注入到巖芯內。

相比于上一個巖芯驅替實驗,用陽離子微粒對巖芯處理后,滲透率損失與壓降均有大幅降低,見圖4。這種現象,可能是由于表面帶負電荷、層狀粘土上帶正電荷的納米微粒發生靜電吸附所造成的,見圖5,這種現象同時也最大化抑制了粘土與水的反應。

向巖芯內依次注入87個孔隙空間的液體,其中,68個孔隙空間為去離子水。壓力曲線在87個孔隙空間注入后,仍顯示出下降趨勢,見圖4。

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圖4.伯利亞砂巖巖芯通過陽離子納米微粒1%比重碘化鈉分散液處理,記錄壓差(psi)超過50PV

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圖5.(A)表面負電性典型粘土顆粒結構;(B)粘土顆粒穩定,表面充滿陽離子納米微粒;(C)粘土顆粒與陰離子納米微粒穩定在邊緣。

將去離子水注入巖芯內,前期未發生流量損失。然而,伴隨著注水過程的不斷進行,孔隙兩端壓差快速上升,在洗脫樣中可見粘土顆粒。無初始滲透率降低的一個可能原因是,帶正電荷粘土顆粒邊緣的陰離子納米微粒發生吸附,阻止水分子與離子嵌入粘土的層狀結構;而一開始將帶負電荷的納米微粒保持在粘土邊緣的靜電引力并不足夠強大,無法暴露在去離子水環境;這種情況最終會造成粘土遷移,并且堵住孔隙與孔隙孔喉,進而導致孔隙兩端壓差的快速上升。

穩定膨脹性粘土的瓶內測試結果

蒙脫石,一種在砂巖地層內常見的膨脹性粘土,分別分散在有/無陰離子納米顆粒的去離子水中。在沒有納米微粒的樣品中,幾乎全部粘土顆粒析出,并形成厚厚的一層。納米微粒的添加使粘土顆粒形成的層更薄且穩定,并將細小的粘土顆粒留在去離子水中。

然后利用處理過的、包含一價和二價離子的水,對陰離子納米微粒在高pH值環境下穩定粘土顆粒的能力進行測試。

觀察顯示,納米微粒將粘土高效分散,同時使粘土在水中保持懸浮狀態,濃度保持在150ppm長達兩周。但粘土納米微粒系統的電動電勢沒有變化,這一參數并不隨納米微粒的濃度變化而變化。這種現象的一個可能原因是,陰離子顆粒吸收帶正電荷的邊緣,使粘土變得穩定。另外,邊緣表面積遠小于帶負電荷的表面積,也就增加了黏土顆粒的總體負電荷。

結論

實驗室測試顯示,通過向水基液體系中添加價廉、環境友好型的納米微粒膠體,能夠顯著改善粘土顆粒的穩定性。觀察納米微粒處理過的砂巖巖芯取樣,發現滲透率提高,提高程度取決于表面納米微粒的聚集程度。

在巖芯驅替沖擊試驗期間,向巖芯注入去離子水,模擬粘土相關流量降低。陽離子硅納米顆粒降低了粘土遷移,并且大大減少了注入到巖芯內87個孔隙體積流體的流量損失,注入流體大多為去離子水。在注入去離子水到前兩三個孔隙體積時,陰離子納米顆粒未顯示流量損失。但是孔隙兩端壓差快速上升,顯示出粘土遷移與孔隙堵塞。

上述結果顯示出作業中兩種不同的穩定機制。滲透率損失減少的一個可能原因是,在帶負電荷粘土表面附加帶正電荷的納米微粒,可將粘土顆粒固定在孔隙表面。帶負電荷的納米微粒依附在邊緣帶正電荷的粘土顆粒上,也就占據了粘土表面積的一小部分。陰離子納米微粒與粘土邊緣的靜電吸引力,不足以阻止粘土遷移到孔隙孔喉內。

然而,陰離子顆粒的吸附似乎可以抑制水分子與離子嵌入粘土層狀結構,進而抑制粘土膨脹。這一點在瓶內測試得到了驗證:陰離子納米微粒有助于穩定蒙脫石粘土與抑制粘土膨脹。

雖然初步研究發現了納米微粒在改善粘土穩定性上的前景,但這仍只是第一步。未來研究應當專注于測試不同比例組合的陽離子與陰離子納米微粒,確定其中是否有某個個體促進了粘土穩定—陰離子顆粒的膨脹抑制以及陽離子顆粒的粘土穩定—共同作用提升性能,進而讓各類油氣井工程與增產作業從中受益。

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