热复合流体对堵剂颗粒沉降特性的影响.pdf
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1、第30卷第5期油气地质与采收率Vol.30,No.52023年9月Petroleum Geology and Recovery EfficiencySep.2023引用格式:王武超,刘慧卿,东晓虎,等.热复合流体对堵剂颗粒沉降特性的影响J.油气地质与采收率,2023,30(5):119-129.WANG Wuchao,LIU Huiqing,DONG Xiaohu,et al.Influence of thermal composite fluid on settling characteristics of pluggingagent particlesJ.Petroleum Geology
2、 and Recovery Efficiency,2023,30(5):119-129.热复合流体对堵剂颗粒沉降特性的影响王武超1,刘慧卿1,东晓虎1,陈掌星1,2,李 禹1,王海涛3(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;2.加拿大卡尔加里大学化学与石油工程系,卡尔加里 阿尔伯塔T2N1N4;3.中国石化石油勘探开发研究院,北京100083)摘要:稠油热复合开采后期,尽管颗粒堵调作业对进一步提高原油采收率有明显的效果,但储层中存留的热复合流体对堵剂颗粒沉降特性的影响还不明确,从而限制了颗粒悬浮体系在该阶段的应用。为此,依据颗粒沉降速度理论,对颗粒悬浮体系基本
3、物性与颗粒沉降速度的内在规律开展研究;通过颗粒悬浮性实验及Zeta电位实验,对不同因素下悬浮颗粒的沉降特性及机理认识开展研究。结果表明,颗粒粒径与孔隙直径之比越小,颗粒群的沉降速度越小;当pH值为5或7时,颗粒悬浮体系的稳定性较好,当pH值为9时,颗粒悬浮体系产生明显的凝聚沉降现象;阴离子或非离子表面活性剂对颗粒悬浮体系的稳定性影响较小,阳离子表面活性剂与颗粒悬浮体系产生絮凝现象,但随着pH值减小絮凝现象减弱,当pH值为3时,无絮凝现象出现。因此,选择合适的颗粒悬浮体系关系到稠油热复合开采后期深部堵调作业的成败。关键词:热复合流体;颗粒;沉降速度;悬浮性;絮凝现象文章编号:1009-9603(
4、2023)05-0119-11DOI:10.13673/j.pgre.202212024中图分类号:TE345文献标识码:AInfluence of thermal composite fluid on settlingcharacteristics of plugging agent particlesWANG Wuchao1,LIU Huiqing1,DONG Xiaohu1,CHEN Zhangxing1,2,LI Yu1,WANG Haitao3(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China Un
5、iversity of Petroleum(Beijing),Beijing City,102249,China;2.Department of Chemical and Petroleum Engineering,University of Calgary,Calgary,T2N1N4,Canada;3.SINOPEC Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing City,100083,China)Abstract:In the later stage of thermal composite rec
6、overy of heavy oil,although particle plugging and adjustment operations haveobvious effects on further enhancing oil recovery,the influence of the thermal composite fluid remaining in the reservoir on the settling characteristics of plugging agent particles is still unclear,which limits the applicat
7、ion of particle suspension systems in thisstage.Therefore,based on the particle settling velocity theory,the basic physical properties of the particle suspension system andthe inherent laws of the particle settling velocity are studied.Through the particle suspension experiment and Zeta potential ex
8、periment,the settling characteristics and mechanism of suspended particles under different factors are analyzed.The results show that alarger ratio of the particle size to the pore diameter indicates greater particle settling velocity;when pH=5 or pH=7,the stabilityof the particle suspension system
9、is better;when pH=9,the particle suspension system produces obvious coagulation and sedimentation phenomenon;anionic or nonionic surfactants have little effect on the stability of the particle suspension system,while cationic surfactants and particle suspension system produce flocculation.However,as
10、 the pH value decreases,the flocculation weakens,and when the pH value is 3,no flocculation occurs.Therefore,choosing a suitable particle suspension system is of great significance to the success or failure of deep plugging and adjustment operations in the later stage of thermal composite recovery o
11、f heavyoil.收稿日期:2022-12-08。作者简介:王武超(1991),男,陕西西安人,在读博士研究生,从事非常规油气藏开发及稠油热采研究工作。E-mail:。基金项目:国家自然科学基金-中国石油化学工业基金“难采稠油多元热复合高效开发机理与关键技术基础研究”(U20B6003)。120 油气地质与采收率2023年9月Key words:thermal composite fluid;particles;settling velocity;suspension;flocculation全球的稠油资源极为丰富,稠油可采资源量为1 267.4108t,约占可开采石油资源量的10%,截至
12、2020年,全球年产稠油规模约达5107t,其中,中国稠油年产量约为1.6107t/a,占全球稠油年产量的32%,成为全球稠油产量的重要组成部分1-2。在稠油资源利用方面,稠油中重质成分常被用于提炼高端润滑油、变压油、高等级沥青和冷冻机油等国家重大工程和国防尖端装备急需的战略物资。在国际能源矛盾日益突出的情况下,为解决中国能源对外依赖度过高的问题,大力开发稠油资源符合中国经济、能源和战略安全的需求。通常采用注蒸汽的开采方式来开发稠油油藏,其中蒸汽吞吐是应用最广泛的稠油热采开发方式,在进行多轮次蒸汽吞吐后,蒸汽驱成为主要的接替开发方式1,3-6。但由于已开发的稠油油田开发效果逐渐变差,并且目前已
13、探明的难动用稠油资源储量规模较大,因此,传统的单一注蒸汽开采方式已难以实现目前稠油油藏的有效开发。为进一步提高稠油采收率,通过开展大量的室内实验和先导性试验,提出了热复合开采技术,包括蒸汽-非凝析气(CO2/N2等)复合热采技术、蒸汽-化合物(表面活性剂/有机溶剂等)复合热采技术、蒸汽-非凝析气-化合物复合热采技术1,7-14。目前,热复合开采技术已在中外矿场中应用,并实现了常规稠油蒸汽热采后期及难动用稠油油藏的高效开发1,15-17。尽管热复合开采技术能够抑制蒸汽汽窜的不利影响,但由于稠油油藏层内或层间非均质性、注汽参数不合理或蒸汽超覆等因素,在稠油油藏热复合开采后期,仍会出现一定程度的井间
14、窜流现象,使得后续蒸汽或热水波及效率低,造成地层中滞留大量的剩余油18-19。目前,颗粒堵调作业对进一步提高原油采收率有明显的效果,但储层中存留的热复合流体对堵剂颗粒沉降特性的影响还不明确,此外,热复合流体对颗粒悬浮体系沉降特性背后的机理认识还不清楚,从而限制了颗粒悬浮体系在该阶段的应用。为此,依据颗粒沉降速度理论,对颗粒悬浮体系基本物性与颗粒沉降速度的内在规律开展研究;通过颗粒悬浮性实验及Zeta电位实验,对不同因素下悬浮颗粒的沉降特性及机理认识开展研究;以期为颗粒悬浮体系在稠油热复合开采后期进行堵调作业提供理论基础。1颗粒沉降规律根据单颗粒在黏弹性流体的自由沉降过程中的受力、单颗粒和颗粒群
15、沉降速度的理论模型、不同因素对颗粒群沉降的影响机理,明确了颗粒在黏弹性溶液中的沉降规律,揭示了热复合流体对颗粒在聚合物溶液中沉降特性的影响机理,为研究颗粒悬浮体系稳定性提供了理论基础。1.1 单颗粒沉降规律在颗粒沉降过程中,根据流体与颗粒之间的相互作用,可将颗粒所受的作用力分为重力、浮力、黏滞阻力、弹性阻力、附加质量力、Basset力、绕流升力、Magnus力和Saffman力等20。实际上,颗粒在聚合物颗粒悬浮体系中的自由沉降过程主要受到重力、浮力、弹性阻力和黏滞阻力的作用(图 1)。因此,对于聚合物,当重力等于浮力、黏滞阻力和弹性阻力之和时,可以获得颗粒的最终沉降速度,颗粒受力情况分析如下
16、21:G=Fbuo+Fdv+Fde=16d3pfg+12Cdvfv2pA+12Cdefv2pA(1)其中:A=d2p4(2)建立了考虑流体黏弹性作用下刚性球形颗粒图1颗粒在黏弹性溶液中的受力分析Fig.1Force analysis of particles in viscoelastic solution第30卷第5期王武超等.热复合流体对堵剂颗粒沉降特性的影响 121 在幂律流体中的自由沉降速度模型21,其中,颗粒在黏性非弹性幂律流体中的Stokes流区、过渡流区和湍流区的条件分别为:Stokes流区(CD Rep 10)Rep-inelastic=0.028 9()4()s-fd3pgf
17、321.965 8(3)过渡流区(10 100)Rep-inelastic=0.920 4()4()s-fd3pgf321.057 1(5)根据颗粒雷诺数公式变换可得颗粒在黏性非弹性幂律流体中的沉降速度:vp=Repfdp(6)将(3),(4)和(5)式分别代入(6)式即可得颗粒在黏性非弹性幂律流体中不同流区的沉降速度。在实际工程应用中,刚性颗粒悬浮剂大多为聚合物,具有黏弹性和幂律性,弹性作用对颗粒沉降有很大的影响22。通过考虑弹性作用对颗粒沉降的影响21,建立了颗粒在黏弹性幂律流体中的自由沉降速度模型。因此,OKESANYA 等提出了一个有关颗粒在黏弹性幂律流体中的雷诺数与颗粒在黏性非弹性幂
18、律流体中的雷诺数的关系式20:Rep-elastic=Rep-inelastic(1+)0.689(7)其中:=3.037 82Wi0.506 426 74()s-fd3pgf320.789 36(8)Wi=dpg()s-f6k1n(9)=k1ndpg()s-f61-1n(10)将(7)式代入(6)式即可获得颗粒在黏弹性幂律流体中不同流区的自由沉降速度。根据(3)(8)式可知,增加流体黏弹性能够使颗粒雷诺数和颗粒沉降速度减小,这种抑制作用是黏弹性流体在变形后恢复其原始结构时产生的。除此之外,悬浮剂密度越大,颗粒沉降速度越小;而颗粒密度和颗粒粒径越大,颗粒沉降速度越大。1.2 颗粒群沉降规律在油
19、藏孔隙中,堵剂颗粒的沉降实际上是以颗粒群形式存在,不同浓度的颗粒群对颗粒沉降速度有很大的影响23-27。通过考虑颗粒群浓度因素建立了无量纲颗粒群沉降速度模型,研究了颗粒群浓度变化对颗粒沉降规律的影响,模型表达式为:vpsvp=()1-C(11)颗粒群浓度对颗粒沉降速度的影响机理主要为28-30:颗粒群浓度越大,颗粒悬浮体系密度和黏度也有所增大,颗粒所受阻力增大。颗粒向下沉降时,被置换出的流体向上运动,从而阻滞了其他颗粒的沉降。颗粒与颗粒之间的相互作用使得颗粒下沉阻力增大,并且颗粒群浓度越大,这种阻力效果越明显。由于孔隙较小,颗粒与孔隙之间的相互作用不容忽视,壁面作用对颗粒的沉降有一定阻滞作用,
20、从而降低颗粒沉降速度,并且颗粒粒径越大,颗粒群沉降速度越大。造成以上沉降规律的原因主要有3个方面:颗粒越大,重力越大,沉降速度越大。颗粒越大,即颗粒粒径与壁面间距之比越大,颗粒与壁面间隙的幂律流体受到的剪切速率越大,故流体黏度越低,从而导致壁面对颗粒沉降的黏滞阻力也变小,沉降速度增大。单位体积溶液中颗粒体积含量一定时,颗粒越大,则单位体积溶液中颗粒数量越少,颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间相互碰撞的几率变小,从而减小了颗粒沉降过程中的干扰作用,导致颗粒沉降速度变大31。同时考虑颗粒群浓度、颗粒粒径与壁面间距之比等因素,建立无量纲颗粒沉降速度模型,研究颗粒群浓度和壁面作用对颗粒群沉降规律的影响,模
21、型表达式为:vpsvp=()1-4.8C+8.8C2-5.9C31-1.563dpW+0.563()dpW2(12)颗粒在不同黏度溶液中沉降时所受到的黏滞阻力不同,黏度越大溶液对颗粒的黏滞阻力越大,从而导致颗粒沉降速度变小。OKESANYA等发现颗粒在高黏度溶液中的沉降速度小于低黏度溶液中的沉降速度,特别对于幂律流体而言,考虑黏度效应的速度模型对精确地描述颗粒沉降现象至关 122 油气地质与采收率2023年9月重要20,32-34。CUI 等同时考虑了颗粒浓度、溶液黏度、颗粒粒径与壁面间距之比等因素建立了综合的无量纲颗粒沉降速度模型,其表达式为33:vpsvp=(1-C)()1-0.160.2
22、8sfdpW(13)将(6)式代入(13)式可得颗粒群沉降速度:vps=(1-C)()1-0.160.28sfdpWRepfdp(14)由(14)式可知,颗粒浓度或溶液黏度越大,颗粒群沉降速度越小;而颗粒粒径与壁面间距之比越大,颗粒群沉降速度越大。1.3 不同因素对颗粒群沉降的影响机理在油藏矿场应用中,固体颗粒以带负电荷的SiO2为研究对象,堵剂颗粒悬浮体系常采用聚合物作为悬浮剂,为了提高颗粒的悬浮性,考虑到稠油热采开发后期油藏孔隙壁面及地层水为负电性,所以选择阴离子聚合物作为颗粒悬浮剂。在热复合开采后期,即在油藏注蒸汽、CO2和表面活性剂复合开采后期,油藏孔隙中存留有一定量的CO2和表面活性
23、剂,并且CO2的存留易使得部分地层孔隙由碱性向中性或弱酸性转变。除此之外,油藏中的温度和地层水矿化度分布也有所变化,即在近井地带,越靠近井筒,地层温度越高,地层水矿化度越低。综上,在向地层注入颗粒悬浮体系之前,需要考虑温度、地层水矿化度、pH值和表面活性剂类型等因素对颗粒悬浮体系稳定性的影响,尽管不同因素对颗粒悬浮体系稳定性的影响机理各不相同,但大体上是通过2种机理(凝聚作用和絮凝作用)来改变颗粒悬浮体系的稳定性。温度 随着温度增加,颗粒悬浮体系黏度降低,颗粒在黏性非弹性幂律流体中的拖曳系数减小,从而颗粒群沉降速度增大。除此之外,温度升高,颗粒与颗粒之间碰撞更为频繁和剧烈,通过克服颗粒间静电斥
24、力而引起颗粒相互凝聚在一起,形成颗粒团块,增加沉降速度,以上2种机理导致颗粒悬浮性下降。矿化度 为了简化模拟地层水矿化度对颗粒悬浮体系的影响,采用NaCl溶液来替代真实油藏储层地层水,NaCl溶液对颗粒悬浮体系稳定性的影响机理如图2a所示。阴离子聚合物本身带有负电荷,悬浮体系中存在的氯离子对带负电荷的聚合物线团有压缩效应。随着矿化度的增加,氯离子对聚合物线团的排斥作用增强,聚合物线团的有效粒径逐渐减小。但当矿化度增加到一定程度时,聚合物线团由柔性结构变为刚性结构,聚合物线团有效粒径不图2不同因素对颗粒悬浮体系稳定性的影响机理Fig.2Influence mechanism of differe
25、nt factors onstability of particle suspension system再随矿化度的增加而变化,进而削弱了聚合物线团对颗粒的桥连作用,导致聚合物对颗粒的絮凝作用减小。同时,氯离子对带负电荷的颗粒双电层也有一定的压缩作用,颗粒间斥力减小,使得颗粒易于凝聚成大颗粒团,从而促进悬浮颗粒沉降,降低了颗粒悬浮体系的悬浮性。pH值酸性或碱性条件对颗粒悬浮体系的稳第30卷第5期王武超等.热复合流体对堵剂颗粒沉降特性的影响 123 定性影响机理如图2b所示,酸性条件下,阴离子聚合物线团吸附大量氢离子而带正电性,同时,颗粒表面的负电性也慢慢减弱。随着pH值减小,酸性增强,溶液中正
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