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储层渗透性保护有望迎来纳米级粘土稳定剂

储层渗透性保护有望迎来纳米级粘土稳定剂

石油行业中,纳米材料的应用正在加速扩展。

来自 | World oil
编译 | 张毅

粘土膨胀是油气储层伤害的常见原因。传统生产环境下,近井眼区域的粘土膨胀可能对钻完井与修井作业造成阻碍。在增产作业中,粘土膨胀或微粒运移会降低储层渗透性能。

在过去的50多年中,多项研究协助我们更好地理解了井内水基液体组成对粘土稳定性的影响。前期工作证明,盐度、pH值、温度以及流量的变化均会引发砂岩储层内的粘土膨胀与运移。储层内的粘土膨胀会降低流体通道的有效截面,也就限制了流量。释放出的粘土颗粒随着液体夹带至储层内部复杂的孔隙网络,进而堵塞孔隙孔喉,降低渗透率,最终降低产量。

粘土稳定剂被广泛用于防团聚、防孔隙堵塞以及流量损失。常用稳定剂包括:氯化钠、氯化钾以及氯化锆;氢氧化钠、氢氧化钙以及氢氧化铝;铝盐、锆盐、季铵以及阳离子有机聚合物。但由于无法运移通过细小空隙、对环境的影响以及高成本的原因,上述的大多数稳定剂都不能满足实际要求。

这一挑战即促进了纳米微粒在稳定粘土颗粒方面的性能研发。纳米微粒,是至少在一个维度上小于100nm的颗粒,相较于微米粒子或更大粒子,展现出其独有的化学性质。随着颗粒尺寸的降低,更多原子暴露在表面,增加了表面活性。当球体从微米级降低至纳米级时,相较于体积,其表面积增加了1000倍。纳米微粒能够轻松通过储层孔隙(尺寸约为几个微米)。

本文回顾了一项研究,研究内容是利用纳米胶粒防止储层内粘土相关的流量降低。因为可用性丰富,生产成本低且没有毒性,故选用了硅基纳米微粒与常用粘土稳定剂进行比较。

实验流程

实验材料

测试选择使用表面带正电荷(阳离子纳米微粒)和表面带负电(阴离子纳米微粒)的硅基非有机纳米胶体颗粒。分别向去离子水中加入碘化钠和氯化钠,以制备不同的盐水溶液。

岩芯材料与准备

伯利亚砂岩岩芯取样,每个直径1.5英寸(3.8厘米),长度4英寸(10厘米),用于测试纳米微粒制剂运移行为,并用作粘土稳定作用的岩石模型。用去离子水清洗岩芯,100℃(212℉)下完全烘干。对干燥后的岩芯进行CT扫面,观察岩芯内部,确保内部无裂缝或缺陷。

岩芯驱替试验装置

岩芯驱替装置包括:静水岩芯夹持器、真空泵、液体注入泵、上覆压力泵、卤水与纳米微粒分散用浮动活塞式蓄能器,以及固定间隙洗脱样自动收集器,流程如图1。同时记录下进出口的岩芯温度与压力。

储层渗透性保护有望迎来纳米级粘土稳定剂

图1.岩芯驱替流程单线图

颗粒尺寸分布与充填

纳米微粒在分散系统中的稳定性主要取决于表面电荷。利用Malvern ZetSizer光反射仪器测量在卤水中纳米微粒的电动电势,同时收集纳米微粒尺寸分布的动态光散测量信息。

瓶内测试

为理解纳米颗粒稳定粘土的效果及其耐膨胀性能,选用可膨胀蒙脱土,测试样品的电动电势和粒径。

研究与成果

纳米微粒稳定性与尺寸

分散系统内纳米微粒的稳定性对于孔隙中的有效运移至关重要。随着时间的推进,不良的分散产生静电电荷后,由于电荷不平衡会引起颗粒团聚。

制备阳离子与阴离子纳米微粒分散体,并观察其稳定性。几个月后,分散体依然稳定,未出现团聚。

在之前的研究中心,当分散体趋于稳定时,纳米微粒的电动电势应大于+30mV或小于–30mV。在上述实验中,纳米微粒电动电势分别为+38.2mV和–36.0mV,这也进一步证明,两种纳米颗粒分散体都非常稳定。

纳米微粒分散的动态光散测量表明,微粒尺寸远小于大多数储层内的典型孔隙与孔隙孔喉尺寸(孔隙尺寸通常为几微米),如图2。

储层渗透性保护有望迎来纳米级粘土稳定剂

图2.上图中显示出阳离子纳米微粒的尺寸分布,平均直径为67.94纳米(nm);下图显示的是阴离子纳米微粒尺寸分布,平均直径为13.74纳米。

岩石内纳米微粒稳定性

纳米微粒在多孔介质中不受阻碍的运移,对于稳定储层内粘土至关重要。分散体中的纳米微粒在注入岩芯内时,相较于载波相位遇到更多阻力。根据其与岩石间的亲密性、相邻纳米微粒以及载波相位,这些纳米微粒可能会在岩石表面聚结形成滤饼,而没有成功进入岩芯,甚至没有进入岩石。这些微粒也有可能在孔隙聚集,租个孔隙孔喉,严重影响储层渗透率。综上所述,研究纳米微粒在岩芯驱替实验里多孔介质内的运移十分重要。

在将纳米微粒注入到岩芯内之前,将纳米微粒分散注入通过孔径为200nm的过滤装置,进行快速测试。阳离子与阴离子纳米微粒分散都通过了岩芯,并且在过滤装置内无残留,这也就意味着实现了岩芯内有效的运移。

岩芯驱替试验

通过一系列流动试验评价了阳离子与阴离子纳米微粒对岩芯内粘土稳定所起的效果。同时在试验室内进行了一项与先前的试验相类似的冲击试验,模拟粘土相关流量降低。

首先将伯利亚砂岩岩芯干燥、称重,然后静置于岩芯夹持器,加载上覆压力至1000psi,然后室温下清洗。将比重6%的碘化钠注入岩芯,随后测量渗透率。

储层渗透性保护有望迎来纳米级粘土稳定剂

表1.岩芯驱替实验总结

为了模拟储层伤害,停止碘化钠注入,开始去离子水注入。盐度的变化导致压差快速上升,同时由于粘土迁移堵塞孔隙与孔隙孔喉,导致渗透率降低99%,图3。

储层渗透性保护有望迎来纳米级粘土稳定剂

图3.冲击试验用于显示伯利亚砂岩岩芯内粘土迁移造成的渗透率下降。单个孔隙空间内渗透率下降达99%。

去离子水注入后立刻开始进行岩石处理,处理手段为注入分散了比重0.1%的离子纳米微粒的去离子水,见表1。阴离子纳米微粒的注入造成压力的快速上升,这也可能由于先前注入的去离子水造成钠离子与粘土颗粒交换并同时引发粘土迁移造成的。阴离子纳米微粒处理无法通过已经堵塞的孔隙与孔隙孔喉。

在下个岩芯驱替试验中,将伯利亚砂岩岩芯浸泡在比重为1%的碘化钠溶液中,加入阳离子纳米微粒分散剂,进行挤注处理。用阳离子纳米微粒对岩石处理完后,将去离子水注入到岩芯内。

相比于上一个岩芯驱替实验,用阳离子微粒对岩芯处理后,渗透率损失与压降均有大幅降低,见图4。这种现象,可能是由于表面带负电荷、层状粘土上带正电荷的纳米微粒发生静电吸附所造成的,见图5,这种现象同时也最大化抑制了粘土与水的反应。

向岩芯内依次注入87个孔隙空间的液体,其中,68个孔隙空间为去离子水。压力曲线在87个孔隙空间注入后,仍显示出下降趋势,见图4。

储层渗透性保护有望迎来纳米级粘土稳定剂

图4.伯利亚砂岩岩芯通过阳离子纳米微粒1%比重碘化钠分散液处理,记录压差(psi)超过50PV

 

储层渗透性保护有望迎来纳米级粘土稳定剂

图5.(A)表面负电性典型粘土颗粒结构;(B)粘土颗粒稳定,表面充满阳离子纳米微粒;(C)粘土颗粒与阴离子纳米微粒稳定在边缘。

将去离子水注入岩芯内,前期未发生流量损失。然而,伴随着注水过程的不断进行,孔隙两端压差快速上升,在洗脱样中可见粘土颗粒。无初始渗透率降低的一个可能原因是,带正电荷粘土颗粒边缘的阴离子纳米微粒发生吸附,阻止水分子与离子嵌入粘土的层状结构;而一开始将带负电荷的纳米微粒保持在粘土边缘的静电引力并不足够强大,无法暴露在去离子水环境;这种情况最终会造成粘土迁移,并且堵住孔隙与孔隙孔喉,进而导致孔隙两端压差的快速上升。

稳定膨胀性粘土的瓶内测试结果

蒙脱石,一种在砂岩地层内常见的膨胀性粘土,分别分散在有/无阴离子纳米颗粒的去离子水中。在没有纳米微粒的样品中,几乎全部粘土颗粒析出,并形成厚厚的一层。纳米微粒的添加使粘土颗粒形成的层更薄且稳定,并将细小的粘土颗粒留在去离子水中。

然后利用处理过的、包含一价和二价离子的水,对阴离子纳米微粒在高pH值环境下稳定粘土颗粒的能力进行测试。

观察显示,纳米微粒将粘土高效分散,同时使粘土在水中保持悬浮状态,浓度保持在150ppm长达两周。但粘土纳米微粒系统的电动电势没有变化,这一参数并不随纳米微粒的浓度变化而变化。这种现象的一个可能原因是,阴离子颗粒吸收带正电荷的边缘,使粘土变得稳定。另外,边缘表面积远小于带负电荷的表面积,也就增加了黏土颗粒的总体负电荷。

结论

实验室测试显示,通过向水基液体系中添加价廉、环境友好型的纳米微粒胶体,能够显著改善粘土颗粒的稳定性。观察纳米微粒处理过的砂岩岩芯取样,发现渗透率提高,提高程度取决于表面纳米微粒的聚集程度。

在岩芯驱替冲击试验期间,向岩芯注入去离子水,模拟粘土相关流量降低。阳离子硅纳米颗粒降低了粘土迁移,并且大大减少了注入到岩芯内87个孔隙体积流体的流量损失,注入流体大多为去离子水。在注入去离子水到前两三个孔隙体积时,阴离子纳米颗粒未显示流量损失。但是孔隙两端压差快速上升,显示出粘土迁移与孔隙堵塞。

上述结果显示出作业中两种不同的稳定机制。渗透率损失减少的一个可能原因是,在带负电荷粘土表面附加带正电荷的纳米微粒,可将粘土颗粒固定在孔隙表面。带负电荷的纳米微粒依附在边缘带正电荷的粘土颗粒上,也就占据了粘土表面积的一小部分。阴离子纳米微粒与粘土边缘的静电吸引力,不足以阻止粘土迁移到孔隙孔喉内。

然而,阴离子颗粒的吸附似乎可以抑制水分子与离子嵌入粘土层状结构,进而抑制粘土膨胀。这一点在瓶内测试得到了验证:阴离子纳米微粒有助于稳定蒙脱石粘土与抑制粘土膨胀。

虽然初步研究发现了纳米微粒在改善粘土稳定性上的前景,但这仍只是第一步。未来研究应当专注于测试不同比例组合的阳离子与阴离子纳米微粒,确定其中是否有某个个体促进了粘土稳定—阴离子颗粒的膨胀抑制以及阳离子颗粒的粘土稳定—共同作用提升性能,进而让各类油气井工程与增产作业从中受益。

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