低滲油田壓裂控水用低粘度聚電解質(zhì)復(fù)合溶液的制備與性能研究

低滲油田壓裂控水用低粘度聚電解質(zhì)復(fù)合溶液的制備與性能研究

高修水壓裂技術(shù)是有效的低滲透油田之一。然而，在附近或高含水低滲油層的壓裂施工后，裂縫通常會成為導(dǎo)致污水或邊下水的有效循環(huán)通道，從而加速了含水量的增加，從而使其無效，并產(chǎn)生了低密度。這嚴重限制了低滲油田的推廣應(yīng)用。近年來,國外許多油田對含水率較高,已無開采價值的井,應(yīng)用改變相滲透率特性的處理液進行了壓裂增產(chǎn)措施改造,有效降低了水的產(chǎn)出,增加了油氣產(chǎn)量,并減少了后期處理費用,效果顯著。但是目前國內(nèi)外報道的相滲改善劑體系多為交聯(lián)體系或高分子量聚合物,注入壓力高,并且容易堵塞油層,因此難以應(yīng)用于低滲油層控水壓裂改造。本文基于陰、陽離子聚合物可通過氫鍵力、庫侖力、范德華力等相互作用而發(fā)生締合,形成聚電解質(zhì)復(fù)合溶液原理,通過溶液共混方法制備一種具有相滲改善特性的壓裂控水用聚電解質(zhì)復(fù)合溶液,并考察了陰陽離子聚合物穩(wěn)定共存的條件,評價了復(fù)合溶液的耐溫抗鹽性能、抗剪切耐沖刷性能以及控水性能。陽離子組分吸附力強,陰離子組分在水中伸展、在油中收縮,一方面可以提高復(fù)合溶液耐沖刷性能;另一方面可以降低水相滲透率而基本不影響油相滲透率,實現(xiàn)不等比例降低油水相滲透率的效果。同時體系粘度低,易注入,便于現(xiàn)場施工。研究結(jié)果對于提高低滲油田壓裂控水效果、降低現(xiàn)場施工風險具有重要的意義。1實驗部分1.1水質(zhì)、氯化鉀、hh-4部分水解聚丙烯酰胺(HPAM,分子量1200萬)、陽離子聚合物(DP-1,分子量300萬)均為工業(yè)品;氯化鉀(KCl)、氯化鈉(NaCl)均為分析純。BrookfieldDV-Ⅱ+Pro粘度計;HH-S4數(shù)顯恒溫水浴;電子天平;巖心恒溫驅(qū)替裝置。1.2抗沉淀劑的制備將質(zhì)量分數(shù)為0.1%的HPAM水溶液與不同質(zhì)量分數(shù)的DP-1水溶液等體積混合,振搖,得到聚電解質(zhì)復(fù)合物的沉淀,然后加入適量的抗沉淀劑(KCl),振搖,可使沉淀消失;也可先將適量的KCl加入HPAM溶液中(或者DP-1溶液中),然后將HPAM溶液與DP-1溶液等體積混合,振搖,即可得到澄清透明的聚電解質(zhì)復(fù)合溶液。2結(jié)果與討論2.1聚電解質(zhì)結(jié)果由圖1可知,HPAM溶液與陽離子DP-1溶液剛接觸時,有蛋清樣立體網(wǎng)狀產(chǎn)物生成(圖1a),這是帶相反電荷聚電解質(zhì)的分子鏈間通過庫侖力相互作用發(fā)生的物理交聯(lián)而形成的包容了大量溶液的凝膠。繼續(xù)振搖至反應(yīng)進行到一定程度后,由于陰、陽離子聚電解質(zhì)的活性官能團結(jié)合程度增大,凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向致密方向發(fā)展,開始發(fā)生脫液收縮,即溶液從凝膠中析出(圖1b),最終形成沉淀狀物,試管中充滿了白色絮凝狀沉淀(圖1c)。篩選外加鹽KCl可以在聚電解質(zhì)溶液中解離為K+和Cl-,成為抗衡離子聚集在陰、陽聚離子的周圍,使得陰、陽離子聚電解質(zhì)分子鏈上電荷基團之間屏蔽作用增加。若提高外加鹽用量使之達到一定的濃度,就可以阻礙陰、陽離子聚電解質(zhì)分子鏈間的靜電相互作用,阻止聚電解質(zhì)復(fù)合物沉淀的形成,而形成穩(wěn)定的聚電解質(zhì)復(fù)合溶液(圖1d)。由表1可知,0.1%HPAM與0.04%DP-1分子復(fù)合,加入1.75%KCl就能形成穩(wěn)定的均相聚電解質(zhì)復(fù)合溶液。2.2剪切速率對表觀粘度的影響在室溫下,測定了不同剪切速率下0.1%HPAM溶液、0.04%DP-1溶液和0.1%HPAM與0.04%DP-1復(fù)合溶液的抗剪切性能,結(jié)果見圖2。由圖2可知,陰離子HPAM溶液、陽離子DP-1溶液表觀粘度隨剪切速率的增加而降低,表現(xiàn)出典型的剪切變稀;HPAM/DP-1聚電解質(zhì)復(fù)合溶液,在剪切速率低于120s-1時,表現(xiàn)為剪切稀釋,但隨著剪切速率的進一步增加,表觀粘度又逐漸增加,具有剪切增稠的特性。這可能是由于在剪切過程中,HPAM/DP-1聚電解質(zhì)復(fù)合溶液中陰、陽離子聚電解質(zhì)分子鏈上電荷基團受KCl的屏蔽作用減弱,使得分子鏈之間的靜電作用加強;同時,HPAM與DP-1復(fù)合的過程是聚電解質(zhì)的電荷被中和的過程,復(fù)合物粒子的流體力學(xué)半徑逐漸減小。兩種因素共同作用導(dǎo)致聚電解質(zhì)復(fù)合溶液表觀粘度隨剪切速率先降低后增大。2.3耐溫性能好,比各組分聚合物溶液的粘度更高,比整個組分聚合物溶液的粘度更圖3是不同溫度下一定配比HPAM/DP-1聚電解質(zhì)復(fù)合溶液表觀粘度的變化曲線(剪切速率170s-1)。由圖3可知,聚電解質(zhì)復(fù)合溶液的表觀粘度隨溫度的升高而降低,但在溫度達到60℃時,溶液的粘度保留率仍保持在50%以上,比各組分聚合物溶液的粘度保留率高,這表明聚電解質(zhì)復(fù)合溶液具有較好的耐溫性能。聚電解質(zhì)復(fù)合物在水溶液中,極性基團包裹在復(fù)合物內(nèi)部,減弱了表面電性,基本上可以看作內(nèi)部含有電荷的一般高聚物,隨著溫度的升高,大分子鏈變得柔順而粘度降低;另一方面,形成的聚電解質(zhì)復(fù)合溶液由于鹽的屏蔽作用減小了流體力學(xué)體積,其粘度比單個組分聚合物粘度低。當溫度升高到85℃,HPAM/DP-1復(fù)合溶液粘度仍可維持在6mPa·s以上。2.4鹽脅迫對聚電解質(zhì)復(fù)合溶液分子鏈卷在室溫下,考察了不同NaCl鹽濃度對一定配比HPAM/DP-1聚電解質(zhì)復(fù)合溶液表觀粘度的影響,結(jié)果見圖4。由圖4可知,隨著NaCl濃度增加,聚電解質(zhì)復(fù)合溶液表觀粘度下降,但在NaCl濃度高于1500mg/L時,其表觀粘度下降的幅度趨于平緩,表現(xiàn)出良好的耐鹽性能。當加入鹽以后,中和了聚電解質(zhì)復(fù)合溶液的部分電荷,溶液中離子強度升高,抑制了聚電解質(zhì)的電離作用,分子鏈卷曲,粘度下降,當鹽濃度超過一定值后,聚電解質(zhì)復(fù)合溶液分子鏈趨于穩(wěn)定。低分子電解質(zhì)NaCl的加入,增加了抗衡離子Na+和Cl-的濃度,不僅削弱了聚陰離子HPAM與聚陽離子DP-1分子鏈間的靜電引力作用,而且屏蔽了這兩種高分子電解質(zhì)的離解,減弱了同種分子鏈上因同性電荷相斥引起的鏈擴張作用,分子鏈卷曲,復(fù)合溶液由較伸展的分子構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)楦砬木€團結(jié)構(gòu),流體力學(xué)半徑減小;與各組分聚合物相比,復(fù)合溶液流體力學(xué)半徑隨NaCl的加入降低較為緩慢,在NaCl用量較低時,復(fù)合物的流體力學(xué)半徑仍能保持較高值,即分子復(fù)合使溶液的抗鹽性增強。2.5陽離子聚合物dp-1吸附法通過巖心流動實驗研究了HPAM/DP-1聚電解質(zhì)復(fù)合溶液的耐沖刷性能,實驗溫度為60℃,用鹽水驅(qū)替,結(jié)果見圖5。由圖5可知,聚電解質(zhì)復(fù)合溶液的耐沖刷性能較好,鹽水驅(qū)替100PV時殘余阻力系數(shù)為2.66,這是由于巖石表面一般帶負電,同時巖石表面與水作用產(chǎn)生羥基化,使得聚電解質(zhì)復(fù)合溶液中的聚陽離子DP-1通過大分子鏈上的大量正電性原子與巖石表面負電性中心發(fā)生強烈的靜電性吸引作用,或通過非水基團與巖石礦物晶面上的氧或羥基之間形成氫鍵而發(fā)生吸附;陽離子聚合物DP-1在巖石顆粒表面上的吸附,中和了巖石礦物晶層間和表面的負電荷,壓縮雙電層增加其間的作用力,Zeta電位降低,同時陽離子基團的個數(shù)很龐大使得靜電作用力很強,從而吸附后不易解吸;由于聚合物分子的多分散性決定了吸附常是多級吸附,增加了吸附層厚度。故聚電解質(zhì)復(fù)合溶液在巖石表面有較強的粘附力和一定吸附量,使其具有良好的耐沖刷性能。2.6束縛水飽和度和油相滲透率用膠結(jié)巖心(水測絕對滲透率K=6.5×10-3μm2,孔隙度φ=31.35%),進行巖心流動實驗,實驗溫度為60℃,在油水兩相流動條件下進行?？疾霩PAM/DP-1聚電解質(zhì)復(fù)合溶液體系的相滲改善性能。巖心油水相對滲透率變化曲線見圖6。由圖6可知,注入HPAM/DP-1聚電解質(zhì)復(fù)合溶液前,束縛水飽和度Swi=0.31,水相滲透率Kw=6.97×10-3μm2,油相滲透率Ko=3.15×10-3μm2;反向注入HPAM/DP-1聚電解質(zhì)復(fù)合溶液體系后,束縛水飽和度S’wi=0.39,水相滲透率K’w=0.66×10-3μm2,油相滲透率K’o=2.69×10-3μm2。由此可見,聚電解質(zhì)復(fù)合溶液在巖心吸附后水相滲透率大幅度下降,降低率為90.53%,而油相滲透率下降幅度為14.60%,油相相對滲透率有所增加,同時束縛水飽和度增大。這是因為聚電解質(zhì)復(fù)合溶液中聚陽離子DP-1錨固在巖石表面,形成一種選擇性屏障,聚陰離子HPAM伸展在水中,起水化基團的作用,對水產(chǎn)生摩擦阻力,降低地層水的滲透性;而HPAM的分子鏈不親油,分子不能在油中伸展,對油的流動阻力及油相滲透率影響很小,表現(xiàn)出明顯的不等比例降低油水相滲透率的特性。3復(fù)合溶液抗壓強度陰離子HPAM與陽離子DP-1之間通過分