勝利油田開發(fā)和應(yīng)用的粘土穩(wěn)定劑

1、第16卷第1期1999年3月25日油 田 化 學Vol. 16 No. 125M arch 1999文章編號:1000-4092(1999-01-0077-04勝利油田開發(fā)和應(yīng)用的粘土穩(wěn)定劑寧廷偉(勝利石油管理局科技處, 山東東營257001X摘要:本文綜述了80年代以來勝利油田開發(fā)和應(yīng)用的粘土穩(wěn)定劑, 介紹了它們的主要成分和使用情況, 探討了今后的發(fā)展。關(guān)鍵詞:粘土穩(wěn)定劑; 有機陽離子聚合物; 應(yīng)用; 勝利油田; 綜述中圖分類號:T E258:T E358:O69 文獻標識碼:A地層中含有一定量的粘土礦物如高嶺石、蒙脫石、伊利石和綠泥石等。在正常情況下, 從上到下, 含油層中蒙脫石含量減少,

2、 伊利石含量增加, 高嶺石在一定深度消失, 綠泥石主要分布在深層。這些粘土礦物多由硅氧四面體和鋁氧八面體組成層狀結(jié)構(gòu)。其中蒙脫石由兩層硅氧四面體夾一層鋁氧八面體組成, 層間表面均為氧層, 聯(lián)結(jié)力弱, 當與水接觸時, 水可進入晶層之間, 晶層表面的可交換陽離子在水中解離擴散, 形成擴散雙電層, 使表面帶電, 晶層之間相互排斥, 產(chǎn)生膨脹, 故蒙脫石屬膨脹型粘土礦物。粘土膨脹可引起地層滲透率降低。高嶺石、伊利石和綠泥石或因?qū)娱g易形成氫鍵、聯(lián)結(jié)緊密, 水不易進入層間, 或因陽離子交換容量很小, 水引不起膨脹, 一般地屬非膨脹型粘土礦物。在地層流體沖刷下, 非膨脹粘土可分散成片狀微粒而運移, 進入地層

3、孔隙, 堵塞喉道, 降低地層滲透率。為了保護油氣地層的滲透性, 必須使用化學處理劑穩(wěn)定地層中的粘土礦物。其中能防止粘土礦物膨脹的處理劑稱為防粘土膨脹劑(防膨劑 , 能防止粘土微粒運移的處理劑稱為防粘土微粒運移劑(防運移劑 , 兩者都屬粘土穩(wěn)定劑1。勝利油田從80年代中期以來高度重視粘土穩(wěn)定劑, 開發(fā)出多種粘土穩(wěn)定劑并投入現(xiàn)場應(yīng)用。本文按時間先后逐一介X 收稿日期:1999-01-25。紹這些粘土穩(wěn)定劑。1 粘土穩(wěn)定劑簡介1. 1 無機類粘土穩(wěn)定劑1勝利油田從開發(fā)初期就開始使用各種鹽類如氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、氯化鈣和氯化鎂等作為粘土穩(wěn)定劑, 后來又開發(fā)使用了羥基鋁、羥基鐵、羥基鋯等無機陽離子聚

4、合物粘土穩(wěn)定劑。無機鹽類的防膨機理是減少粘土表面擴散雙電層厚度和Zeta 電位。其中鉀鹽的防膨效果最好, 使用最多, 原因在于鉀離子的直徑(0. 266nm 與粘土表面由六個氧原子圍成的空隙內(nèi)切直徑(0. 280nm 相匹配, 它容易進入此空間而不易從此空間釋出, 可有效地減少粘土表面的負電性。無機鹽是非永久性粘土穩(wěn)定劑, 當其濃度減少到一定程度時穩(wěn)定粘土的作用就會消失。無機陽離子聚合物穩(wěn)定粘土的機理是在水中解離出多核羥橋絡(luò)離子, 這種絡(luò)離子具有很高的正電價并且結(jié)構(gòu)與粘土相似, 能緊密吸附在粘土表面上, 減少粘土表面的負電性。無機陽離子聚合物穩(wěn)定粘土的有效期比無機鹽長, 但不耐酸, 不能用于碳

5、酸鹽含量高的砂巖地層。無機粘土穩(wěn)定劑多數(shù)屬通用化工產(chǎn)品, 品種多, 使用場合多, 生產(chǎn)廠家也多, 本文不作詳, , ,78油 田 化 學1998年細介紹。1. 2 PA -F 型粘土穩(wěn)定劑2該劑是勝利油田濱海采油指揮部工藝研究所針對濱海地區(qū)地質(zhì)情況, 于1986年研制成功的。合成工藝步驟包括:丙烯酰胺單體聚合, 同甲醛進行羥甲基化反應(yīng), 繼而同多胺化合物進行縮合和季銨化反應(yīng), 生成物為陽離子在支鏈上的聚合物。穩(wěn)定粘土的機理是:聚合物通過陽離子多點吸附在粘土表面, 中和粘土表面的負電荷, 消除電斥力, 使粘土晶層處于壓縮狀態(tài); 聚合物長鏈對粘土顆粒的束縛和包被作用使其免受水的侵害和沖刷。該劑有兩

6、個牌號, PA -F 1和PA -F 2。PA -F 1用于油井處理, PA -F 2用于注水井處理。PA -F 自1986年6月投入現(xiàn)場使用, 先后在孤島等七個油田推廣應(yīng)用, 到1988年8月共施工422井次, 其中油井施工243井次, 平均增產(chǎn)有效期為218天, 最長達717天; 水井施工19井次, 平均增注有效期為200天, 最長達681天, 生產(chǎn)和經(jīng)濟效益顯著。1. 3 聚季銨-氯化銨復(fù)合粘土穩(wěn)定劑3該復(fù)配型粘土穩(wěn)定劑是勝利油田采油工藝研究院在評價多種粘土防膨劑和進行配方優(yōu)化的基礎(chǔ)上, 于1987年研制的。該劑通過兩種途徑穩(wěn)定粘土礦物, 即NH +4離子進入粘土晶層空隙, 聚季銨分子上

7、的多個正電荷牢固地吸附在粘土表面, 阻止離子交換的進行。用該劑溶液靜態(tài)浸泡后的巖心在水中失重小, 耐水沖刷能力強。自1986年12月到1987年10月, 在濱南、河口、現(xiàn)河和純梁等采油廠進行的現(xiàn)場試驗中, 用該劑共處理21口井, 其中水井14口, 油井7口, 收到了施工注水井增注(平均單井日增注量60米3 、受效采油井增油和施工采油井增油的良好效果。1. 4 壓裂防膨劑P -216該劑是勝利石油管理局采油工藝研究院于1991年研制成功的壓裂液用的粘土穩(wěn)定劑。它的主要有效成份是二甲基二烯丙基氯化銨同丙烯酰胺的共聚物。其作用機理是中和粘土表面的負電荷, 在粘土礦土礦物表面牢固吸附。經(jīng)該劑處理的粘土

8、礦物, 水化膨脹性能明顯減小, 耐水沖刷能力明顯增大。據(jù)1990和1991年的統(tǒng)計, 在32井次的壓裂酸化作業(yè)中使用了該劑, 開井27井次, 其中油井9井次, 水井18井次, 取得了油井增油水井增注的良好效果。1. 5 疏松砂巖穩(wěn)定劑SW -91541993年研制成功的。它的主要有效成分是由環(huán)氧氯丙烷、有機胺、烯基陽離子單體等合成的支鏈型陽離子聚合物, 它通過陽離子在起膠結(jié)作用的粘土礦物表面吸附和長鏈聚合物的包被作用而穩(wěn)定疏松砂巖。在相同條件下, 該劑穩(wěn)定疏松砂巖、抑制砂巖顆粒分散運移的性能, 優(yōu)于當時常用的粘土穩(wěn)定劑。自1991年11月到1992年11月, 采用該劑處理油水井共108井次,

9、其中油井100井次, 水井8井次, 取得了增油增注的顯著效果。1. 6 高溫粘土穩(wěn)定劑K -26該劑是勝利石油管理局采油工藝研究院于1995年研制成功的。它的有效成分為鉀的有機化合物, 在一定溫度下可將膨脹型粘土礦物轉(zhuǎn)變?yōu)榉桥蛎浶驼惩恋V物, 用于保護熱法開采的含粘土成分較多的油氣層。該劑熱穩(wěn)定性良好, 在345e 以上加熱24小時、在300e 加熱7天不降解。用5%的該劑在200e 處理后的泥巖巖心, 膨脹型粘土礦物成分明顯減少, 非膨脹型粘土礦物成分增加; 已膨脹巖心經(jīng)處理后滲透率明顯恢復(fù)。到1995年10月為止, 采用本劑處理了12口蒸汽吞吐井, 開井后10口井見到明顯效果:注蒸汽壓力由1

10、4M Pa 降至10M Pa, 生產(chǎn)周期由50天延至82天, 產(chǎn)油產(chǎn)液量明顯增加。1. 7 復(fù)合粘土穩(wěn)定劑HCG -117該劑是勝利石油管理局純梁采油廠同華中理工大學合作, 于1990年研制成功的, 由雜環(huán)陽離子聚合物同多種成分復(fù)配而成。穩(wěn)定粘土的機理是:通過有機和無機陽離子中和粘土表面的負電荷, 增強粘土晶層間吸力, 阻止水進入晶層間, 凝聚松散的粘土微粒。高青油田巖心經(jīng)該劑處理后, 靜泡及水沖刷損失量明顯減少, 膨脹性降低; 該劑具有一定的破乳和緩蝕能力。自1990年9月到1991年7月, 用該劑共處理了11口井(次 , 其中注水井2口, 油井9口, 取得了增油增注的效果。1. 8 粘土穩(wěn)

11、定劑HBD -9118該劑是勝利石油管理局河口采油廠工藝所同北京石油勘探開發(fā)研究院合作, 于1992年研制成功的一種低分子固態(tài)粘土穩(wěn)定劑。主要成分是有機胺同陽離子化劑反應(yīng)生成的多陽離子化合物, 通過陽離子吸附、中和粘土表面的負電荷, 減少晶層粒間靜電斥力而穩(wěn)定粘土。該劑可單獨使用, 也可同無機粘土穩(wěn)定劑復(fù)配使用。在室內(nèi)評價中該劑防膨效果好, 有效期長, 水驅(qū)巖心至1200PV 時防膨效果不5第16卷第1期寧廷偉:勝利油田開發(fā)和應(yīng)用的粘土穩(wěn)定劑79渤南油田進行現(xiàn)場試驗16井次, 同使用聚季銨相比, 藥品費用大幅度降低。1. 9 復(fù)合耐高溫粘土穩(wěn)定劑FGW -19該劑是孤島采油廠工藝所于1995年

12、研制成功的注蒸汽用粘土穩(wěn)定劑。主要有效成分是乙烯基吡咯烷酮同丙烯酸酯季銨鹽的共聚物, 復(fù)配物是無機鹽。穩(wěn)定粘土的機理是:高溫下帶正電荷的離子在粘土晶面和晶層間產(chǎn)生離子交換及吸附使晶層收縮, 粘土顆粒相互緊密結(jié)合; 長鏈陽離子共聚物在多個晶層和顆粒上吸附并包被, 使粘土礦物穩(wěn)定化。濃度2. 5%的FGW -1溶液在280e 熱處理25天后, 對粘土仍有好的穩(wěn)定作用, 粘土分散率小于25%。自1993年底到1995年10月在孤島油田共施工48井次, 其中可對比35井次, 注蒸汽成功率提高2. 4%, 生產(chǎn)周期延長21. 8天, 回采水率提高69. 2%, 油汽比提高25%。使用該劑還使稠油熱采井的

13、防砂成功率提高20. 3%。1. 10 低傷害固砂穩(wěn)定劑DQW -1該劑是勝利石油管理局勝利采油廠工藝所同山東省化學研究所協(xié)作, 于1994年研制成功的。主要有效成分為乙烯基啶啶與丙烯酸酯季銨鹽的共聚物。固砂機理與FGW -1穩(wěn)定粘土的機理相似。DQW -1與膠結(jié)物粘土發(fā)生離子交換及吸附, 使晶層收縮, 晶層與顆粒相互緊密結(jié)合, 長鏈陽離子共聚物在多個晶層和微粒上吸附并包被, 使粘土穩(wěn)定, 從而達到固砂的目的。經(jīng)該劑處理的巖心同其他粘土穩(wěn)定劑處理的巖心相比, 膨脹性小, 耐沖刷能力強, 巖心微粒散失率低, 巖心質(zhì)量損失和滲透率損失均較小。自1994年4月到8月, 在勝坨等油田的現(xiàn)場試驗中共用D

14、QW -1處理了43口井, 其中12口長期停產(chǎn)井增產(chǎn)原油, 13口井免修期延長, 12口井不可對比, 6口井無效。1. 11 酸化用粘土穩(wěn)定劑DTE 11該劑是勝利石油管理局采油工藝研究院于1996年研制成功的。主要有效成分是環(huán)氧氯丙烷同多乙烯多胺縮聚生成的網(wǎng)狀多羥基陽離子聚合物。穩(wěn)定粘土的機理是能在粘土礦物和其他地層微粒表面多點吸附成膜, 防止發(fā)生水化膨脹、分散及運移; 多羥基在羥基化地層表面形成氫鏈, 使其免受水基酸液的侵害, 有利于保護酸化后的地層滲透率。該劑與各種酸液及酸液添加劑的配伍性好, 熱穩(wěn)定性好, 能穩(wěn)定膨脹型粘土, 也能穩(wěn)定非膨脹型粘土及其他地層微粒, 明顯改善酸化效果, 延

15、長酸化有效期, 10年到1996年6月在河口、孤島及東辛采油廠共使用DTE 進行作業(yè)70井次, 其中酸化37井次, 防膨固砂33井次, 成功率均為100%。2 討論及認識(1 自80年代中期以來, 勝利油田在研究和開發(fā)粘土穩(wěn)定劑方面有了長足進步和發(fā)展, 其中陽離子聚合物類粘土穩(wěn)定劑發(fā)展最迅速, 無機類和轉(zhuǎn)變礦物類型粘土穩(wěn)定劑也有了一定發(fā)展。隨著人們對保護油氣層的日益重視、老油田高含水開發(fā)期增產(chǎn)措施的增多12及難動用油藏(如稠油藏等 的開發(fā)需要, 粘土穩(wěn)定劑的開發(fā)和應(yīng)用研究將繼續(xù)發(fā)展。(2 過去勝利油田成功地開發(fā)了多種既能控制粘土膨脹、又能防止粘土顆粒運移的季氮原子在主鏈或側(cè)鏈上的陽離子聚合物粘

16、土穩(wěn)定劑。外國專利報道的主鏈和側(cè)鏈上都有季氮原子13、含季原子14、含叔锍原子15等新型有機陽離子聚合物粘土穩(wěn)定劑, 轉(zhuǎn)變礦物類型的粘土穩(wěn)定劑和高分子量水解聚丙烯酰胺用作粘土穩(wěn)定劑16, 是值得重視的應(yīng)用研究領(lǐng)域。(3 勝利油田已開發(fā)和應(yīng)用的粘土穩(wěn)定劑, 多數(shù)是通過中和粘土表面負電荷及橋接包被粘土微粒而穩(wěn)定粘土礦物的。因此, 對埋藏深度不同、粘土礦物成分不同的油氣藏, 適用的粘土穩(wěn)定劑品種和最佳用量應(yīng)是不同的。不同分子結(jié)構(gòu)的粘土穩(wěn)定劑有不同的熱穩(wěn)定性, 因而有不同的最佳使用溫度范圍; 一種粘土穩(wěn)定劑的用量依地層成分的不同而變化, 對每一種地層有一個最佳用量范圍17。在使用粘土穩(wěn)定劑前, 必須針

17、對地層溫度和粘土成分, 篩選出合適的粘土穩(wěn)定劑品種和用量范圍, 使藥劑的使用科學化、合理化。(4 評選粘土穩(wěn)定劑的方法很多, 不同方法所測項目不同, 所得數(shù)據(jù)不能用于直接比較粘土穩(wěn)定劑性能的優(yōu)劣, 必須盡快研擬統(tǒng)一的評選方法。在目前使用的方法中, 透光率指數(shù)法18和頁巖膨脹儀法操作比較方便, 所得結(jié)果準確, 重現(xiàn)性好, 已被越來越多的研究和工程人員所采用。參考文獻:1趙福麟. 采油用劑. 山東東營:石油大學出版社, 1997:147-154., 2 :80油 田 化 學1998年3勝利石油管理局采油工藝研究院. 聚季銨-氯化銨復(fù)合粘土穩(wěn)定劑研究報告. 1987. 4.4勝利石油管理局采油工藝研

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19、油工藝研究院. 酸化粘土穩(wěn)定劑DTE 研究及應(yīng)用報告. 1996. 4.12Ez eukwu T, Thomas R L. S PE 39482, 1998.13S chield J A, Nai man M I, Scherubel G A. US 5160642, 1992. 14M cLaughlin H C, W eaver J D. US 4366072, 1982. 15M cLaughlin H C, W eaver J D. US 4366073, 1982.16Zaitoun A, Berton N. S oc Petrol Engrs Product Eng, 1992,

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