水玻璃凝胶
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第35卷 第6期2005年11月
吉林大学学报(工学版)
JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition)
Vol.35 No.6 Nov.2005
文章编号:1671-5497(2005)06-0572-05
水玻璃凝胶增强泡沫体系的性能
赵仁保,岳湘安,许润璇,赵 根,侯吉瑞,赵凤兰
(中国石油大学提高采收率研究中心,北京102249)
摘 要:对一种可用于强非均质油藏深部调剖的水玻璃凝胶泡沫体系的成胶特性、微观结构及在岩心中的封堵特性进行了研究。实验结果表明:盐酸与污泥的反应在密闭条件下是一个平
衡反应,且其反应速度随初始压力的增加呈指数降低;体系的胶凝时间随着pH值的降低而增加。由于体系的泡径小,界面膜的强度高,因而水玻璃凝胶增强泡沫体系的封堵效果明显优于普通泡沫体系。
关键词:油气田井开发工程;泡沫;水玻璃凝胶;封堵性能;非均质油藏;深部调剖;液膜中图分类号:TG156 文献标识码:A
PropertiesofWater2glass2gelEnhancedFoamSystem
ZHAORen2bao,YUEXiang2an,XURun2xuan,ZHAOGen,HOUJi2rui,ZHAOFeng2lan
(EnhancedOilRecoveryResearchCenter,UniversityofPetroleum,Beijing102249,China)
Abstract:Akindofwater2glass2gelenhancedfoamsystemusedinthedeepprofilecontroloftypicalheterogeneousreservoirwasinvestigatedonitsgellingfeature,microstructure,andpluggingperformanceintherockcore.Experimentalresultsshowthatthereactionbetweenhydrochloricacidandsludgeunderairtightconditionisanequilibriumreaction,thereactionratedecreasesexponentiallywiththeincreaseoftheinitialpressure,thesystemgellingtimeincreaseswiththedecreaseofthepHvalue,andthepluggingperformanceofthewater2glass2gelenhancedfoamsystemissuperiortothatofordinaryfoamsystemduetothesmallfoamdiameterandhighinterfacialfilmstrength.
Keywords:oil/gasfielddevelopmentengineering;heterogeneousreservoir;deepprofilecontrol;lamella
foam;
water2glass2gel;
pluggingperformance;
通道突进
[4]
,使得油井过早见气,严重影响了其
0 引 言
泡沫作为提高油藏原油采收率的流度控制剂,在国内外已进行了大量的室内研究和现场试验
[1-3]
驱油效果。
为了提高泡沫的稳定性,国内曾开展了聚合物增稠和聚合物交联泡沫体系的研究
[5-7]
,但有
。但由于其稳定性差,尤其在具有窜流通
关无机凝胶增强泡沫体系用于提高原油采收率的
研究却未见报道。我国许多油田(例如中原油田)在产出水的处理工艺中使用了石灰水,产生
道的强非均质油藏中,气体(或泡沫)会沿着窜流
收稿日期:2005205223.
基金项目:“十五”国家科技攻关项目(2003BA613A207205).
作者简介:赵仁保(1971-),男,工程师,博士研究生.研究方向:提高采收率与采油化学.E2mail:[email protected]
na.com
通讯联系人:岳湘安(1957-),男,教授,博士生导师.研究方向:油气田开发、流体力学.E2mail:[email protected]
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第6期赵仁保,等:水玻璃凝胶增强泡沫体系的性能
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大量污泥,对环境造成了严重的污染,且地面处理非常困难。因此,一些油田曾开展过用污泥直接回注进行调剖的研究及现场试验,这样既解决了环境污染问题,又可以提高原油采收率,但这种直接回注方式的调剖能力及效果普遍较差,因而没有得到推广。作者针对泡沫技术研究现状,结合污泥的组分特点,提出了无机凝胶增强泡沫体系,并通过对无机凝胶泡沫体系性能的研究,提出了单液法注入思路,实验结果证明该体系具有良好的封堵能力。
1 水玻璃无机凝胶泡沫体系
在水玻璃质量浓度足够低的条件下,降低pH值可以形成酸性水玻璃溶胶。这种溶胶与碳酸钙反应,可产生二氧化碳气体,使体系的pH值升高,反应生成的钙离子具有促凝作用。在起泡剂的作用下,气体被形成的水玻璃凝胶包覆,形成凝胶泡沫体系。在密闭条件下,压力越高,被包覆的二氧化碳气体越多,形成的泡沫质量越高。无机凝胶增强泡沫体系是气体被无机凝胶薄膜包覆,由于薄膜的强度及稳定性与水膜相比有了较大幅度的提高,并且与聚合物增强泡沫相比,水玻璃凝胶增强的泡沫体系由于形成的泡沫直径小,分布集中,因而其稳定性比聚合物(及其凝胶)增强的泡沫体系好。
2 实验器材及方法
211 密闭反应实验装置
为了模拟盐酸与污泥在地层这一密闭条件下的反应,设计了一种耐压有机玻璃容器。该容器分为两部分:上部为压力测试部分,下部为容器。容器壁厚为1.5cm,内径为2cm,容积为50mL,上下两部分用丝扣连接,中间加密封橡胶圈进行密封。
容器在使用前需进行性能测试:注水憋压6MPa,24h不漏为合格。212 密闭反应实验步骤
(1)量取一定量的盐酸溶液,转移到有机玻璃容器中,把称量好的污泥悬在容器中,小心拧紧容器,接好压力表,使装置处于密闭状态。
(2)用氮气瓶给反应容器加不同的初始压力。
(3)把酸和污泥混合,由于反应中放出气体,
故压力升高。反应温度为16℃,考察容器压力随时间的变化。213 实验仪器及材料
实验仪器:平流泵,岩心流动实验装置(30cm填砂管,中间容器,耐酸容器,精密压力表),密闭反应装置(有机玻璃,自制),pH计,电子天平,烘箱。
实验材料:表面活性剂NP215、1831、水玻璃(模数为3.2,有效含量为38%),均为工业级;盐酸(质量浓度为36%);CTAB,化学纯;100～160目污泥粉末(中原油田采油三厂),经过爆氧、干燥后研磨粉碎;40～60目石英砂。214 实验内容
用原子发射光谱仪(ICP-OES)测定了污泥的阳离子组分,并结合化学分析方法,得出其中的主要组分为:碳酸钙62.15%;碳酸镁15.30%;氯化钠2.70%。21411 不同初始压力下盐酸与污泥的反应
称10g自来水和10.4g浓盐酸,混匀后,转移到有机玻璃容器中,把称量好的污泥(污泥固定为4g)悬在容器中,其他按照2.2中的实验步骤进行。
21412 pH值、钙离子质量浓度对胶凝时间的影
响
(1)配制80g质量浓度为3.2%的水玻璃溶液,在搅拌状态下连续滴加质量浓度为6%的盐酸,通过改变加入盐酸的量来控制pH值,体系总质量固定为100g,观察成胶时间。
(2)在80g质量浓度为3.2%的水玻璃溶液中加入12g质量浓度为6%的盐酸,再加入不同量的污泥粉末,考察pH值和成胶时间的变化。21413 水玻璃凝胶泡沫体系的制备及性能评价
分别取3.2%的水玻璃溶液24g,滴加6%的盐酸6g,置于有机玻璃容器中,加入不同量的污泥粉末,在密闭条件下反应,考察pH值、容器压力以及成胶时间的变化,并对成胶后的体系进行显微照相。21414 一维填砂管中的封堵特性
称取6g污泥、44g石英砂,混合后填入30cm填砂管的一端,再填入117.4g石英砂。填完后,要求污泥粉末均匀地分布在填砂管的注入端附近,如图1所示。然后分别注入不同段塞的调驱体系(如表1所示),流量为0.5mL/min,记录
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注入压力随时间的变化
。
图1 填砂管中石英砂与污泥粉末的填充示意图
Fig.1 Sketchmapofquartzsandandsludgepowder
packingprocessinsand2packingpipe
表1 模拟不同调驱体系在填砂管中流动的试验方案
Table1 Testschemeforsimulatingdifferentinjection
solutionflowsinsand2packingpipe
试验号温度/℃
前置液注入液体
后置液1#20模拟地层水8.2%盐酸
模拟地层水
2#20
模拟地层水8.2%盐酸+0.06%模拟地层水
CTAB+0.1%NP-15
3#
20模拟地层水3%酸性水玻璃溶胶+模拟地层水
0.06%CTAB+0.1%NP-15(酸性水玻璃和盐
酸的比例为2.6∶1.4)
3 结果与讨论
311 不同初始压力下污泥与盐酸的反应
假设不同压力下,在密闭容器中参加反应的污泥质量M相同,则不同压力下反应的平均速率可表示为:
V=M/t
式中:t为体系压力达到最大值的时间。
平均相对反应速率vr的定义:以第一个条件下的反应速率为基准,其他条件下的反应速率与之相比,即为平均相对反应速率。实验结果如图2所示。
盐酸与污泥在常压条件下反应迅速,为不可
逆反应;但在密闭(或密闭加压)条件下是可逆反应。从图2中可以看出,随着容器初始压力的增加,体系反应速率呈指数下降。当压力增加到0.6MPa时,(即初始压力增加5倍)反应速率降为原来的8%;当体系压力升至0.8MPa时,反应速率降为原来的1.8%,表明体系在这个温度、压力条件下的反应速率很低。因此,可以考虑用增压的方法来延缓污泥与盐酸体系的反应速度,
从
图2 不同初始压力下系统的反应速率及
达到平衡的时间
Fig.2 Reactionrateandequilibrium2achievingtime
ofsystemunderdifferentinitialpressures
而实现单液法注入。
312 pH值、钙离子质量浓度对胶凝时间的影响
当水玻璃溶液的质量浓度为2%～3.5%时,
向溶液中连续滴加6%的盐酸,pH值迅速降低;当盐酸过量时,体系能够形成酸性水玻璃溶胶,但这种溶胶不稳定,静止放置一段时间后,会发生胶凝反应,由溶胶转变为凝胶,且pH值越低,体系由溶胶变为凝胶的时间越长。
表2为pH值对成胶时间的影响,由表2可知,质量浓度为3%的酸性水玻璃溶胶,当2≤pH≤6时都能发生胶凝反应形成凝胶,pH值越高,即体系中的[H+
]质量浓度越低,其成胶时间越短。因此,可以通过控制体系的pH值来控制成胶时间。
表2 不同pH值对3%水玻璃成胶时间的影响
Table2 EffectofdifferentpHvalueonwater
glassgellingtime
试验号
6%盐酸/gpH成胶时间
1#17100167-
2#8101118≥72h
3#415411118h4#
4101
517
17min
随着污泥的加入,酸性水玻璃溶胶中的氢离
子被消耗,加入的污泥越多,消耗的氢离子就越多,反应后体系的pH值、钙离子质量浓度就越高,成胶时间越短;表3、表4分别为常压和密闭条件下污泥量对成胶时间的影响,比较表3、表4发现,在相同pH值下,加入污泥的体系其成胶时间短,这是由于加入的污泥反应后生成钙离子,起
一定的促凝作用[8]
。盐酸质量浓度固定为6%,
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加入量为12.0g。由于无法准确测定密闭条件下反应后的pH值,故在反应之前先把pH试纸置于容器中,通过试纸颜色变化来判断体系反应后的pH值。
表3 污泥量对成胶时间的影响
Table3 Effectofsludgemassesongellingtime试验号
污泥质量/g
pH成胶时间
1#011018951h2#013110234h3#
112
511
9min
表4 密闭条件下污泥量对成胶时间的影响
Table4 Effectofsludgemassesongellingtime
underairtightcondition
污泥质量/g
pH压力/MPa
成胶时间/h
现象
0.21～201054--01252～3010830-01284～501092CaCO3过量013
4～5
0109
2
CaCO3过量
313 水玻璃凝胶泡沫体系的制备及性能评价
从表4中可以看出,随着碳酸钙的增加,成胶
时间缩短,与常压条件下相比,相同pH值下,密闭体系的成胶时间较长。这可能是由于体系内生成的大量微气泡降低了硅酸根离子聚合的速度。
图3为无机凝胶增强泡沫体系显微图,从中可以看出,
产气无机凝胶泡沫体系所形成的泡沫
图3 水玻璃凝胶增强泡沫体系显微图(100×)
Fig.3 Micrographofwater2glass2gelenhancedfoam
system(magnified100times)
直径比较小,大部分在10μm以下,这是体系压
力完全释放后形成的,而压力未释放时形成的泡沫直径会更小,所以无机凝胶泡沫体系形成的气泡主要是微小气泡,因此,这种体系的稳定性较强,气体外面包覆有水玻璃无机凝胶,提高了界面
膜的强度。34 一维填砂管中的封堵特性
在1#
实验的整个驱替过程中,填砂管两端的压差没有明显地升高,而且出口端一旦见气,压差就很快减小,气体发生突进。驱替完后,取出砂子,并与盐酸反应,放出大量气体,说明仍有较多的污泥没有参加反应。
在2#
实验中,填砂管两端的压差达到最高时比驱替前增加了1倍多,但稳定时间不长,也就是说,泡沫体系在填砂管中的滞留时间不长。因此,封堵效果并不明显。
在3#
实验中,当填砂管两端的压差达到最大值时与注水相比,升高了100多倍。从3种体系的封堵实验可以看出,无机凝胶泡沫体系的封堵强度最大。
另外,产泡体系(2#
)及泡沫凝胶体系在多孔介质中与污泥反应比较充分,反应完后,填砂管中残存的污泥较少,当然,这是定性结果,目前无法定量(考虑到污泥在多孔介质中的运移及流出损失)。
在实验中发现,1#
产生的CO2气体在高渗管中的运移速度很快,注入压力的变化幅度小;加入起泡剂后压力变化幅度较大,而凝胶泡沫体系注入压力的变化幅度最大。因此,从提高产气量、延缓气体突破时间以及提高水驱采收率的角度考虑,应选择凝胶泡沫体系。
4 结 论
(1)随着初始压力的增加,盐酸与污泥的反
应速率呈指数下降。因此,酸性水玻璃溶胶也应具有这一特性,并提出了单液法注入思路,简化了施工工艺。
(2)在水玻璃及盐酸质量浓度一定的范围内,形成的酸性水玻璃溶胶其胶凝时间随着pH值的升高及钙离子质量浓度的增加而缩短;密闭条件下形成的无机凝胶泡沫体系,其泡沫直径小,稳定性好。
(3)通过产气、泡沫及凝胶泡沫体系在多孔介质中的产生及封堵实验,证明了凝胶泡沫体系的封堵性能最好。参考文献:
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(责任编辑
程仲基)
本刊2005年第4期发表的论文全部被EICompendex收录
从EI数据库网站(http://www.engineeringvillage2.org.cn)获悉,本刊2005年第4期发表的22篇论文全部被EICompendex收录,第一作者名单如下:
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