热沉淀法调剖提高原油采收率技术研究

刘薇薇，唐怀轶，孙彦春，刘振林，杨龙啸

(1.中油冀东油田分公司，河北 唐山 063004；2.长江大学，湖北 荆州 434023)



热沉淀法调剖提高原油采收率技术研究

刘薇薇1，唐怀轶1，孙彦春1，刘振林1，杨龙啸2

(1.中油冀东油田分公司，河北 唐山 063004；2.长江大学，湖北 荆州 434023)

为降低油藏高渗透层的渗透率，使二次采油或三次采油能够有效提高原油采收率，提出热沉淀法调剖提高采收率方法。通过热沉淀法调剖理论研究，建立基于热沉淀预测孔隙度减小比例模型，给出热沉淀后岩心孔隙度的计算方法。选用硼酸钠溶液作为调剖剂，进行热沉淀和热沉淀法调剖驱油物理模拟实验。研究表明，热沉淀对不同渗透率岩心孔隙的封堵效果均很明显，经过10倍孔隙体积注入水冲刷后，渗透率减小比例保持在34.1%～57.9%。由此可知，热沉淀法调剖驱油能显著改善吸水剖面，提高原油采收率。

热沉淀；调剖；孔隙度减小比例；渗透率减小比例；提高采收率

引 言

油藏非均质性严重是许多油田开发中波及效率低的主要原因。注水、蒸汽、二氧化碳或混相气体等提高原油采收率的方法能够有效地从油藏高渗透层中驱油，但经常会绕过低渗透层的原油。许多情况下，未波及区的含油量比波及区的含油量多[1-2]。前人已提出将注入流体从枯竭的高渗透油层转移到含油的低渗透油层的多种方法，尽管这些方法具有良好的发展前景，但是仍然需要通过封堵高渗透层、调整吸水剖面来提高原油采收率[3-5]。

相比于其他调剖技术，热沉淀法调剖技术具有极强的适应性。早在20世纪80年代，国外就提出了利用化学剂的热沉淀降低油藏高渗透层渗透率从而提高原油采收率的方法。该方法中的化学剂在地层中更具穿透性，可以到达凝胶、聚合物或固体颗粒等无法到达的区域封堵孔隙，从而实现油藏深部调剖[6-12]。为此，总结了一套关于热沉淀法调剖的理论和实验研究方法，目的是研究与溶解度有关的热沉淀法调剖降低油藏高渗透层的孔隙度和渗透率、提高原油采收率的应用潜力。

1 热沉淀法调剖理论

热沉淀法调剖是指将饱和(或接近饱和)有化学物质的热水溶液注入油藏多孔介质中，溶液到达指定位置后，停止注入，利用热量传导到周围地层来冷却热水溶液。当温度降低后，溶液中过量的化学物质会发生沉淀，从而降低油藏高渗透层的渗透率，扩大注水波及体积，提高原油采收率[13-15]。所用化学物质要求在高温下溶解度高，低温下溶解度较低。一般通过注热水或蒸汽预热多孔介质，控制沉淀发生地点，封堵位置由地层预热的程度来控制。

另外，可通过改变化学物质、温度、注入化学物质的量以及段塞冷却方式来控制渗透率减小比例。通常通过关井的方式(停止注入)来冷却溶液，利用热量传导到周围地层从而降低溶液温度。

1.1 热沉淀后岩心孔隙度减小比例

对于靠热量传导冷却溶液这种情况，可利用溶解的化学物质平衡原理来计算孔隙度减小量。孔隙度减小比例可表示为：

(1)

式中：Δφ/φi为孔隙度减小比例；Vp为沉淀化学物质的体积，m3；Vt为沉淀前总孔隙体积，m3。

沉淀化学物质的体积可表示为：

(2)

式中：Mh和Ml分别为高、低温条件下溶解的化学物质的质量，g；ρp为沉淀化学物质的密度，g/cm3。

溶解的化学物质的质量可通过测量得到，也可通过化学物质在不同温度下的溶解度得到。

沉淀前总孔隙体积[13]可表示为：

(3)

式中：Vs为溶液体积，m3；Ss为溶液所占据的孔隙体积百分数(溶液饱和度)，%；Mw为高温条件下溶液中水的质量，g；ρh为高温条件下溶液的密度，g/cm3。

将式(2)、(3)代入式(1)，即得孔隙度减小比例：

(4)

1.2 热沉淀后岩心孔隙度

热沉淀实验的难点是热沉淀后岩心孔隙度的计算。计算热沉淀后岩心孔隙度的难点是：当岩心被干燥后，在低温条件下依然处于溶解状态的化学物质也会发生沉淀，从而使计算结果出现偏差。为此，修正热沉淀后的岩心孔隙度，以消除偏差。

热沉淀后，干燥岩心会使先前溶解的化学物质变成固体沉淀。通过干燥岩心移除掉的水的质量可表示为：

Ww=Ws-Wdf

(5)

式中：Ww为干燥岩心移除掉的水的质量，g；Ws为干燥前岩心的质量，g；Wdf为干燥后岩心的质量，g。

干燥岩心过程中，沉淀的化学物质的质量可表示为：

Wpd=SWw

(6)

式中：Wpd为干燥岩心时沉淀的化学物质的质量，g；S为每百克水低温条件下化学物质的溶解度，g/g。

岩心中，由热沉淀和干燥岩心引起的沉淀总质量可表示为：

Wt=Wdf-Wdi

(7)

式中：Wt为沉淀总质量，g；Wdi为岩心初始干重，g。

沉淀总质量也可表示为：

Wt=Wpd-Wpt

(8)

式中：Wpt为热沉淀引起的沉淀的化学物质的质量，g。

联立式(7)、(8)，可得到：

Wpt=Wdf-Wdi-Wpd

(9)

热沉淀引起沉淀的化学物质的体积可表示为：

Vp=Wpt/ρp

(10)

因此，热沉淀后(干燥岩心前)岩心孔隙度可表示为：

φf=(φi·BV-Vp)/BV

(11)

式中：φf为热沉淀后岩心孔隙度，%；φi为初始孔隙度，%；BV为岩心总体积，m3。

2 热沉淀法调剖物理模拟实验

2.1 热沉淀法调剖化学物质的确定

在选择用于热沉淀法调剖的化学物质时，要求化学物质所具有的最重要的性能是其溶解度可随温度变化而发生变化，溶解度必须是温度的函数。尤其要求化学物质具有高温下溶解度高和低温下溶解度低的特性。

为此，查阅国内外大量文献，调查了大量化学剂的性能，同时要求化学剂符合健康、安全和环保的要求[15-16]。通过评估大量化学物质的物理化学性质，初步筛选出4种适合于热沉淀法调剖的化学物质，分别为氧化硼、碳酸钾、氯化钾和硼酸钠。对比了4种化学物质的溶解度随温度的变化趋势(图1)。

图1 化学物质的溶解度变化曲线

从图1可以明显看出，氯化钾和氧化硼完全不符合实验条件；碳酸钾在低温和高温条件下均具有较高的溶解度，高低温下溶解度差值较小；硼酸钠是一种溶解度明显依赖于温度的化学剂，受温度影响较大，符合高温下溶解度高和低温下溶解度低的特性，适合作为热沉淀法调剖化学剂。

2.2 不同渗透率岩心的热沉淀实验

实验岩心选用人造填砂岩心模型，岩心直径为2.5 cm，长度为30 cm。

实验步骤：首先将岩心样品抽真空饱和水，测定初始渗透率和孔隙度，然后将岩心放入恒温箱内，将配置好的硼酸钠饱和溶液在高温条件下注入岩心样品中，直至注入1.3～1.5倍孔隙体积饱和溶液为止，然后关闭恒温箱，将岩心冷却至油藏温度，使岩心中的化学物质发生沉淀，最后测量热沉淀后岩心的渗透率，计算岩心孔隙度和渗透率的变化情况。用1.2节介绍的方法计算热沉淀后岩心的孔隙度(表1)。

表1 热沉淀后岩心孔隙度和渗透率变化

从表1可以看出，热沉淀对于不同渗透率岩心孔隙的封堵效果都很明显，孔隙度减小比例为10.3%～31.4%，而相应的初始渗透率减小比例为46.1%～68.7%，经过大量注入水(10倍孔隙体积水)冲刷后，最终渗透率减小比例仍然保持在34.1%～57.9%。在低渗透率岩心(岩心3)中，因为孔隙较小，所以在孔隙中只要有化学物质发生沉淀，初始渗透率就会大幅度降低；在中渗透率岩心(岩心1和2)中，孔隙尺寸大于最小无机盐晶体颗粒，晶粒之间的缝隙成为主要的渗流通道，渗透率减小比例相对不高；在相对较高渗透率岩心(岩心4、5、6)中，孔隙尺寸远远大于最小无机盐晶体颗粒，岩心的最终渗透率由晶粒之间的缝隙决定，但由于初始渗透率较高，因此，渗透率减小比例相对较高。由于硼酸钠在水中的溶解量比较大，因此，在10倍孔隙体积注入水冲刷后的渗透率减小比例仍然较高。由此可知，热沉淀法在降低地层高渗透层的孔隙度和渗透率方面具有可观的潜力。

另外，绘制渗透率减小比例与孔隙度减小比例的关系曲线(图2)。从图2中可以看出，随着孔隙度减小比例的增大，渗透率减小比例随之增大，两者成正比关系。

图2 渗透率减小比例与孔隙度减小比例关系曲线

2.3 热沉淀法调剖驱油实验

实验岩心选用人造填砂岩心模型，长度为60 cm，直径为3 cm，人造砂粒径为50～220目，渗透率为1 000×10-3～10 000×10-3μm2，渗透率可通过不同目数石英砂比例的改变进行调节。实验用油取自南堡油田某区块的地面脱气原油，50℃时黏度为7.5 mPa·s。

开展水驱后热沉淀法调剖条件下的三管驱油效率实验，其中，低渗管渗透率为1 030×10-3μm2，中渗管渗透率为4 590×10-3μm2，高渗管渗透率为9 600×10-3μm2(表2)。

表2 热沉淀法调剖驱油实验结果

从表2可以看出，2组实验中热沉淀法调剖提高原油采收率的幅度分别为10.1%和9.3%，总采收率分别达到64.4%和65.2%。由此可见，水驱后，注入热的硼酸钠溶液，硼酸钠会在高渗透层发生沉淀封堵孔隙，降低高渗透层渗透率，使注入水发生转向，从而达到调剖、提高原油采收率的目的。另外，相比于凝胶调剖剂，热沉淀法调剖所用的调剖剂(硼酸钠水溶液)的注入黏度低，注入压力与注水压力接近，能够实现油藏深部调剖，尤其适用于水驱(特别是三次采油后)油层非均质性被强化后且温度适中的油藏。

3 结 论

(1) 建立预测热沉淀后岩心孔隙度减小比例模型，给出计算热沉淀后岩心孔隙度的计算方法。

(2) 硼酸钠的溶解度受温度影响较大，符合高温下溶解度高和低温下溶解度低的特性，适合作为热沉淀法调剖化学剂。

(3) 热沉淀实验结果表明，热沉淀对于不同渗透率岩心孔隙的封堵效果都很明显，孔隙度和渗透率减小比例分别为10.3%～31.4%和46.1%～68.7%；经过10倍孔隙体积注入水冲刷后，渗透率减小比例仍然保持在34.1%～57.9%。

(4) 热沉淀法调剖能显著改善吸水剖面，提高原油采收率；热沉淀调剖剂硼酸钠水溶液的注入黏度低，能够实现油藏深部调剖。

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编辑 姜 岭

20150310；改回日期：20150410

国家科技重大专项“渤海湾盆地黄骅坳陷滩海开发技术示范工程”(2011ZX05050)

刘薇薇(1983-)，女，工程师，2006年毕业于大庆石油学院通信工程专业，2013年毕业于东北石油大学石油与天然气工程专业，获博士学位，现从事油气藏开发动态研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.027

TE357.46

A

1006-6535(2015)03-0107-04