CN110685637A - 一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法 - Google Patents

一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，包括：（1）将水相溶液注入到气藏气水界面，水相溶液在扩散和弥散的作用下向水层运移；（2）将油相溶液注入到气藏气水界面，油相溶液在气水界面铺展，将气水界面替换为油水界面；（3）水相单体向油层扩散，在油水界面靠近油相的区域与油相单体发生聚合反应，形成微孔的聚合物隔层；（4）地层水在压差的作用下向聚合物隔层渗透，矿物离子和杂质不断在聚合物隔层上沉积结垢，形成不渗水聚合物隔层。本发明原理可靠，操作简便，可有效解决边底水气藏水侵治理过程中常用堵水体系存在的封堵范围小和封堵强度低等问题，对边底水气藏高效开采具有重大的现实意义。

Description

一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法
技术领域
本发明涉及油气田开发领域，具体涉及一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法。
背景技术
边底水气藏的水体能量巨大，如果在开发过程中不采取合理的治水措施，气藏极易遭受水侵，出现边水推进、底水锥进、底水脊进，从而造成气井见水，进而降低气藏采收率。
针对气藏水侵，调剖堵水、配产控水、排水采气是三种常用的气藏治水手段。其中配产控水可在一定程度上延缓气井见水时间，而排水采气则是气井见水后的无奈之举。相比而言，调剖堵水是一种从根本上治理水侵的方法，即通过注入堵水剂调整注水井的吸水剖面，封堵生产井的高产水层位，使气井产水得到有效控制，提高气藏采收率。目前常用的气藏堵水方法主要有：
(1)孔喉堵塞类。通过将油基水泥、树脂、聚合物凝胶、聚合物微球等注入水层，这类堵水剂遇水发生物化反应出现膨胀、聚集、沉淀等效应从而堵塞孔喉，进而起到堵水的作用。
(2)储层改造类。将微乳液、润湿反转剂等表面活性剂注入储层，改变储层的润湿性，提高气相相对渗透率,降低水相相对渗透率；或者将干化剂注入储层，通过吸收储层的束缚水和可动水，降低储层含水饱和度，从而提高气相相对渗透率。
孔喉堵塞类堵水方法在应用的过程中大多表现出封堵范围小、选择封堵性差、可控性较差。而储层改造类堵水方法则存在封堵强度较低、用量大、经济效益差等问题。
人工隔板类堵水方法可能是目前最有效的堵水方法，通过在地层中建立的人工隔板可针对具体出水位置进行封堵，因此在理论上是一种高效的堵水方法。
1962年，Karp等人(Karp,J.C.,D.K.Lowe,and N.Marusov.Horizontal barriersfor controlling water coning.Journal of Petroleum Technology 14,no.07(1962):783-790)提出了隔板控水理论，通过物模设备研究了隔板形状、位置、隔板渗透率对水锥的影响。1974年，Hoyt等人(Hoyt,D.Gradient barrier in a secondary recoveryoperation to inhibit water coning.U.S.Patent 3,825,070,issued July 23,1974)提出向储层注入一种流体并在储层就地形成隔板来抑制底水锥进的方法。2004年，Wassmuth等人(Wassmuth,F.R.,K.Green,and L.Hodgins.Water shutoff in gas wells:Propergel placement is the key to success.In SPE/DOE symposium on improved oilrecovery.Society of Petroleum Engineers,2004)在研究凝胶堵水的过程中，提出对于底水锥进引起的气井见水问题，最理想的凝胶放置方式是在气水界面形成一层薄饼状凝胶作为堵水屏障，然而目前最先进的凝胶配方和注射技术都暂时无法在气水界面建立一层大范围分布的“薄煎饼式”凝胶。
2002年，张兴国等人(张兴国,田世澄,何会强,等.人工夹层的抑制水锥作用的研究[J].现代地质,2002,16(1):83-87)在CoatsKH底水水锥模型的基础上，分析了底水上升到隔板边缘，然后绕过隔板继续向井底流动的过程，结果表明隔板可在一定程度上降低底水锥进的速度。2006年，戴彩丽等人(戴彩丽,路建国,任熵,等.薄层底水油藏底水锥进控制可视化研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2006,30(3):72-76)也提出了一种用泡沫凝胶来建造人工隔板来抑制底水锥进的方法。2014年，汪益宁等人(汪益宁,吴晓东,赖枫鹏,等.底水油藏油井注入堵剂的合理隔板半径研究[J].钻采工艺,2014(6):52-54)针对人工隔板控水理论，推导了优化隔板半长的计算公式，通过数学方法推导得出隔板的合理半径。
建立人工隔板在理论上可实现高效堵水，在实际应用中也有一定的效果，但是目前建立的人工隔板大都存在一些问题：①隔板范围小，地层水很容易就绕过隔板进入生产井，对生产井见水只能起到一定程度的缓解作用。②无法准确在需要的位置建立隔板，比如往地层中注入聚合物凝胶，凝胶只能往高渗地层运移从而形成封隔层，形成隔层的位置与地层结构紧密相关，大多数情况下无法在计划的位置形成隔板。③缺少建立隔板的化学体系，目前所用的凝胶和盐沉淀类隔板，均为笼统注入，其形成隔板的范围和强度无法得到有效控制，因此这类隔板堵水效果较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，该方法原理可靠，操作简便，可有效解决边底水气藏水侵治理过程中常用堵水体系存在的封堵范围小和封堵强度低等问题，在有水气藏气水界面建立高强度、大面积、厚度可控的化学隔板以阻止边水推进、底水锥进、底水脊进，对边底水气藏高效开采具有重大的现实意义。
为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。
在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板，实现有效堵水，过程如下：
首先，水相溶液顶替地层水，并不断在气藏气水界面附近的水层中扩散。将水相溶液持续注到气藏气水界面，水相溶液顶替注入点周围的地层水，并在扩散和弥散的作用下不断向水层运移，使靠近气水界面附近的水层中具有一定浓度的水相单体。
其次，油相溶液在气藏的气水界面铺展，建立油水界面。将油相溶液注到气藏气水界面，油相溶液以气藏气水界面上的注入点为中心沿着气水界面向四周铺展，从而将气水界面替换为油水界面。
随后，在油水界面靠近油相的区域发生界面聚合反应生成化学隔板—微孔聚合物隔层。水相溶剂与油相溶剂互不相溶，通常水相单体在油相溶剂中的溶解度大于油相单体在水相溶剂中的溶解度，因此水相单体会优先向油相溶剂扩散，并在靠近油水界面的油相区域与油相单体发生聚合反应，从而在靠近油水界面的油相区域形成聚合物隔层。
最后，聚合物隔层上生成有机垢和无机垢，使具有微孔的聚合物隔层致密化，最终形成不渗水聚合物隔层。含有高浓度阴阳离子和各种杂质的地层水在压差的作用下向聚合物隔层渗透，矿物离子和杂质不断在聚合物隔层上沉积结垢，最终形成高强度、大面积、厚度可控的不渗水聚合物隔层。
一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，依次包括以下步骤：
(1)将水相溶液注入到气藏气水界面，水相溶液顶替注入点周围的地层水，在扩散和弥散的作用下向水层运移，所述水相溶液由水相单体、水相溶剂组成，溶液中水相单体的质量百分数为2～5％，用pH调节剂氢氧化钠或氨水调节溶液的pH值为10-12；
(2)将油相溶液注入到气藏气水界面，油相溶液在气水界面铺展，形成油膜铺展层，将气水界面替换为油水界面，所述油相溶液由油相单体、铺展剂、油相溶剂组成，溶液中油相单体的质量百分数为0.1～1％，铺展剂的质量百分数为0.05～0.1％；
(3)水层中的水相单体向油层中扩散，在油水界面靠近油相的区域与油相单体发生聚合反应，在油水界面形成微孔的聚合物隔层；
(4)富含矿物离子和杂质的地层水在压差的作用下向聚合物隔层渗透，矿物离子和杂质不断在聚合物隔层上沉积结垢，使聚合物隔层致密化，形成不渗水聚合物隔层。
所述水相单体为对苯二胺、间苯二胺、二乙烯三胺、N-甲基二乙醇胺或哌嗪，所述油相单体为对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯、1,3,5-均苯三甲酰氯或联苯四酰氯时，二者发生界面聚合反应生成聚酰胺隔层。
对苯二胺和对苯二甲酰氯反应生成聚酰胺的反应历程为：
Figure BDA0002261039780000031
所述水相单体为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯或甲基间苯二异氰酸酯，所述油相单体为1，4-丁二醇或乙二醇时，二者发生界面聚合反应生成聚氨酯隔层。
甲苯二异氰酸酯和1，4-丁二醇反应生成聚氨酯的反应历程为：
Figure BDA0002261039780000041
特别地，当所述水相溶液为聚乙烯亚胺或聚烯丙胺等聚合物溶液，所述油相溶液中油相单体为对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯、1,3,5-均苯三甲酰氯或联苯四酰氯时，由于聚乙烯亚胺、聚烯丙胺等高分子在溶液中的移动能力低于对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯、1,3,5-均苯三甲酰氯、联苯四酰氯等小分子，因此油相单体优先向水相溶剂扩散，并在靠近油水界面的水相区域中与聚乙烯亚胺或聚烯丙胺发生反应，从而在靠近油水界面的水相中生成微孔聚酰胺隔层。
1,3,5-均苯三甲酰氯和聚乙烯亚胺反应生成聚酰胺的反应历程为：
Figure BDA0002261039780000042
所述水相溶剂为水、甲醇、乙腈、硝基甲烷、甲酰胺、二甲基甲酰胺或二甲基亚砜等能溶解水相单体的溶剂。
所述油相溶剂为环己烷、氯仿、二氯甲烷、正辛醇、二甲苯、甲苯或石油醚等能溶解油相单体的溶剂。
所述铺展剂为烷基酚聚氧乙烯醚、聚二甲基苯基乙烯基硅氧烷、聚乙氧基三硅氧烷或十二烷基苯磺酸钙等可使油相溶液在气水界面铺展的表面活性剂。
本发明所述堵水方法的原理在于：将水相溶液持续注到气藏气水界面，水相溶液顶替注入点周围的地层水，并在扩散和弥散的作用下向水层运移，使靠近气水界面附近的水层中具有一定浓度的水相单体；随后注入的油相溶液沿着气水界面铺展，将气水界面替换为油水界面；水相单体与油相单体在靠近气藏气水界面的油相中发生界面聚合反应，从而在气水界面附近生成具有微孔的聚合物隔层；最后富含矿物离子和杂质的地层水在压差的作用下向聚合物隔层渗透，地层水中矿物离子和杂质不断在聚合物隔层上沉积结垢，使聚合物隔层致密化，形成不渗水聚合物隔层。
本发明所述的聚合物隔层的厚度可控，归因于界面聚合反应的“自抑制”特性。具体地，在界面聚合反应中，水相单体分子由于化学势差异向油相扩散并在靠近两相界面的油相反应区内与油相单体发生聚合反应，在界面处形成聚合物隔层，随着聚合物隔层厚度增长，水相单体分子通过聚合物隔层的扩散阻力不断增大，因此聚合物隔层厚度增长速度逐渐减缓，当聚合物隔层厚度增长至水相单体无法穿透时，界面聚合反应就基本停止。因此，可通过调节水相单体和油相单体的种类以及水相单体在油相溶剂中的溶解扩散能力来实现聚合物隔层的厚度控制。
本发明提供了一种在气藏气水界面发生界面聚合反应生成高强度、大面积、厚度可控的聚合物隔层的方法。所述的界面聚合反应包括：自由基聚合、离子聚合、开环聚合、配位聚合、逐步聚合等。所述的高强度、大面积、厚度可控的聚合物隔层包括：聚酰胺、聚氨酯、聚脲等。
本发明所述的聚合物隔层具有优异的截盐能力，矿物离子很容易在膜表面沉积结垢，实现聚合物隔层致密化，形成不渗水聚合物隔层。聚合物隔层对Na2SO4、NaHCO3、MgCl2、CaCl2的截留率高于90％，离子不断在界面膜上沉积，最终形成高强度、大面积、厚度可控的不渗水聚合物隔层。
与现有技术相比，本发明在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板可取得良好的堵水效果，有效防止边水推进、底水锥进、底水脊进，提高边底水气藏采收率。
附图说明
图1是常见的两种气藏水侵模式：
(a)为边水气藏水侵模式；b为底水气藏水侵模式。
图2是封堵性能评价流程图。
图3是实施例1的注入压力与时间变化曲线。
图4是实施例2的注入压力与时间变化曲线。
具体实施方式
下面根据附图和实例进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。
由于边底水气藏的水体能量巨大，因此气藏在开发过程中易受到大范围水侵，出现边水推进、底水锥进、底水脊进，进而造成气井见水，降低气藏采收率，图1为常见的两种气藏水侵模式：(a)为边水气藏水侵模式，(b)为底水气藏水侵模式。
实施例1
一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，依次包括以下步骤：
(1)制备100ml质量分数为3％间苯二胺的水溶液，并用NaOH溶液调节pH至11；
(2)制备100ml质量分数为0.5％1,3,5-均苯三甲酰氯的环己烷溶液，并加入0.5ml的辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10)搅拌均匀；
(3)取10ml水相溶液，并将其从填砂管底部注入，直到水相溶液到达填砂管中部位置；再将5ml油相溶液从填砂管顶部注入，等待铺展形成聚合物隔层(封堵性能评价流程见图2)，反应两分钟后，再将填砂管放入60℃烘箱，使聚合反应充分进行；
(4)将表1所示的地层水以0.1PV(即0.1倍填砂管孔隙体积)恒速从填砂管(K＝100mD)底部注入填砂管，测定入口压力随时间的变化曲线(见图3)。
表1地层水离子类型及矿化度(mg/L)
HCO<sub>3</sub><sup>-</sup> SO4<sup>2-</sup> Ca<sup>2+</sup> Cl<sup>-</sup> K<sup>+</sup> Na<sup>+</sup> pH 总矿化度 水型
427 320 9200 2430 127293 67257 6.6 206927 CaCl<sub>2</sub>
从图3可以看出，用高矿化度的地层水(组成见表1)以0.1PV恒速驱替填砂管，入口压力逐渐上升至3.9Mpa，随后降低至1Mpa，最后大致稳定在1Mpa左右。采用无聚合物隔层的填砂管进行相同实验时，没有出现压力升高的情况。分析认为，压力升高是由于间苯二胺(MPD)和均苯三甲酰氯(TMC)在气水界面生成的微孔聚酰胺隔层可有效截留地层水中的阴阳离子，并在聚合物隔层上生成无机垢，使微孔聚合物隔层逐渐致密化，造成渗流面积减小，因此表现为入口压力逐渐升高，当压力升高至3.9Mpa时达到入口压力最大值，结果表明，3.9Mpa为此时聚合物隔层的抗压极限，超过该值，地层水则会突破聚合物隔层。
实施例2
一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，依次包括以下步骤：
(1)制备100ml质量分数为2％、相对分子质量为600的聚乙烯亚胺(PEI)的水溶液，并用NaOH溶液调节pH至11；
(2)制备100ml质量分数为0.5％1,3,5-均苯三甲酰氯的环己烷溶液，并加入0.5ml的聚乙氧基三硅氧烷(乙氧基改性聚三硅氧烷)搅拌均匀；
(3)取10ml水相溶液，并将其从填砂管底部注入，直到水相单体到达填砂管中部位置以建立气水界面；再将5ml油相溶液从填砂管顶部注入，等待铺展形成聚合物隔层(封堵性能评价流程见图2)，反应两分钟后，再将填砂管放入80℃烘箱，使聚合反应充分进行；
(4)将表1所示的地层水恒速从填砂管(K＝35mD)底部注入填砂管，测定入口压力随时间的变化曲线(见图4)。
从图4可以看出，用高矿化度的地层水以0.1PV恒速驱替填砂管，入口压力逐渐上升至4.9Mpa，随后降低至1.1Mpa，最后大致稳定在1Mpa左右。采用无聚合物隔层的填砂管进行相同实验时，没有出现压力升高的情况。分析认为，压力升高是由于由于聚乙烯亚胺和均苯三甲酰氯(TMC)在气水界面生成的微孔聚酰胺隔层可有效截留地层水中的阴阳离子，并在聚合物隔层上生成无机垢，使微孔聚合物隔层逐渐致密化，造成渗流面积减小，因此注入压力逐渐升高，当压力升高至4.9Mpa时达到入口压力最大值，结果表明，4.9Mpa为此时聚合物隔层的抗压极限，超过该值，地层水则会突破聚合物隔层。

Claims (8)

1.一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，依次包括以下步骤：
（1）将水相溶液注入到气藏气水界面，水相溶液顶替注入点周围的地层水，在扩散和弥散的作用下向水层运移，所述水相溶液由水相单体、水相溶剂组成，溶液中水相单体的质量百分数为2～5%，用pH调节剂调节溶液的pH值为10-12；
（2）将油相溶液注入到气藏气水界面，油相溶液在气水界面铺展，形成油膜铺展层，将气水界面替换为油水界面，所述油相溶液由油相单体、铺展剂、油相溶剂组成，溶液中油相单体的质量百分数为0.1～1%，铺展剂的质量百分数为0.05～0.1%；
（3）水层中的水相单体向油层中扩散，在油水界面靠近油相的区域与油相单体发生聚合反应，在油水界面形成微孔的聚合物隔层；
（4）富含矿物离子和杂质的地层水在压差的作用下向聚合物隔层渗透，矿物离子和杂质不断在聚合物隔层上沉积结垢，使聚合物隔层致密化，形成不渗水聚合物隔层。
2.如权利要求1所述的一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，其特征在于，所述水相单体为对苯二胺、间苯二胺、二乙烯三胺、N-甲基二乙醇胺或哌嗪，所述油相单体为对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯、1,3,5-均苯三甲酰氯或联苯四酰氯时，二者发生界面聚合反应生成聚酰胺隔层。
3.如权利要求1所述的一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，其特征在于，所述水相单体为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯或甲基间苯二异氰酸酯，所述油相单体为1，4-丁二醇或乙二醇时，二者发生界面聚合反应生成聚氨酯隔层。
4.如权利要求1所述的一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，其特征在于，所述水相溶液为聚乙烯亚胺或聚烯丙胺溶液，所述油相溶液中油相单体为对苯二甲酰氯、间苯二甲酰氯、1,3,5-均苯三甲酰氯或联苯四酰氯时，油相单体向水相溶剂扩散，在靠近油水界面的水相区域中与聚乙烯亚胺或聚烯丙胺发生反应生成聚酰胺隔层。
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，其特征在于，所述水相溶剂为水、甲醇、乙腈、硝基甲烷、甲酰胺、二甲基甲酰胺或二甲基亚砜。
6.如权利要求1、2、3或4所述的一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，其特征在于，所述油相溶剂为环己烷、氯仿、二氯甲烷、正辛醇、二甲苯、甲苯或石油醚。
7.如权利要求1、2、3或4所述的一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，其特征在于，所述铺展剂为烷基酚聚氧乙烯醚、聚二甲基苯基乙烯基硅氧烷、聚乙氧基三硅氧烷或十二烷基苯磺酸钙。
8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的一种在有水气藏气水界面建立大面积化学隔板的堵水方法，其特征在于，所述pH调节剂为氢氧化钠或氨水。
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