胜利油田开发和应用的粘土稳定剂

1、第16卷第1期1999年3月25日油 田 化 学Vol. 16 No. 125M arch 1999文章编号:1000-4092(1999-01-0077-04胜利油田开发和应用的粘土稳定剂宁廷伟(胜利石油管理局科技处, 山东东营257001X摘要:本文综述了80年代以来胜利油田开发和应用的粘土稳定剂, 介绍了它们的主要成分和使用情况, 探讨了今后的发展。关键词:粘土稳定剂; 有机阳离子聚合物; 应用; 胜利油田; 综述中图分类号:T E258:T E358:O69 文献标识码:A地层中含有一定量的粘土矿物如高岭石、蒙脱石、伊利石和绿泥石等。在正常情况下, 从上到下, 含油层中蒙脱石含量减少,

2、 伊利石含量增加, 高岭石在一定深度消失, 绿泥石主要分布在深层。这些粘土矿物多由硅氧四面体和铝氧八面体组成层状结构。其中蒙脱石由两层硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成, 层间表面均为氧层, 联结力弱, 当与水接触时, 水可进入晶层之间, 晶层表面的可交换阳离子在水中解离扩散, 形成扩散双电层, 使表面带电, 晶层之间相互排斥, 产生膨胀, 故蒙脱石属膨胀型粘土矿物。粘土膨胀可引起地层渗透率降低。高岭石、伊利石和绿泥石或因层间易形成氢键、联结紧密, 水不易进入层间, 或因阳离子交换容量很小, 水引不起膨胀, 一般地属非膨胀型粘土矿物。在地层流体冲刷下, 非膨胀粘土可分散成片状微粒而运移, 进入地层

3、孔隙, 堵塞喉道, 降低地层渗透率。为了保护油气地层的渗透性, 必须使用化学处理剂稳定地层中的粘土矿物。其中能防止粘土矿物膨胀的处理剂称为防粘土膨胀剂(防膨剂 , 能防止粘土微粒运移的处理剂称为防粘土微粒运移剂(防运移剂 , 两者都属粘土稳定剂1。胜利油田从80年代中期以来高度重视粘土稳定剂, 开发出多种粘土稳定剂并投入现场应用。本文按时间先后逐一介X 收稿日期:1999-01-25。绍这些粘土稳定剂。1 粘土稳定剂简介1. 1 无机类粘土稳定剂1胜利油田从开发初期就开始使用各种盐类如氯化钠、氯化钾、氯化铵、氯化钙和氯化镁等作为粘土稳定剂, 后来又开发使用了羟基铝、羟基铁、羟基锆等无机阳离子聚

4、合物粘土稳定剂。无机盐类的防膨机理是减少粘土表面扩散双电层厚度和Zeta 电位。其中钾盐的防膨效果最好, 使用最多, 原因在于钾离子的直径(0. 266nm 与粘土表面由六个氧原子围成的空隙内切直径(0. 280nm 相匹配, 它容易进入此空间而不易从此空间释出, 可有效地减少粘土表面的负电性。无机盐是非永久性粘土稳定剂, 当其浓度减少到一定程度时稳定粘土的作用就会消失。无机阳离子聚合物稳定粘土的机理是在水中解离出多核羟桥络离子, 这种络离子具有很高的正电价并且结构与粘土相似, 能紧密吸附在粘土表面上, 减少粘土表面的负电性。无机阳离子聚合物稳定粘土的有效期比无机盐长, 但不耐酸, 不能用于碳

5、酸盐含量高的砂岩地层。无机粘土稳定剂多数属通用化工产品, 品种多, 使用场合多, 生产厂家也多, 本文不作详, , ,78油 田 化 学1998年细介绍。1. 2 PA -F 型粘土稳定剂2该剂是胜利油田滨海采油指挥部工艺研究所针对滨海地区地质情况, 于1986年研制成功的。合成工艺步骤包括:丙烯酰胺单体聚合, 同甲醛进行羟甲基化反应, 继而同多胺化合物进行缩合和季铵化反应, 生成物为阳离子在支链上的聚合物。稳定粘土的机理是:聚合物通过阳离子多点吸附在粘土表面, 中和粘土表面的负电荷, 消除电斥力, 使粘土晶层处于压缩状态; 聚合物长链对粘土颗粒的束缚和包被作用使其免受水的侵害和冲刷。该剂有两

6、个牌号, PA -F 1和PA -F 2。PA -F 1用于油井处理, PA -F 2用于注水井处理。PA -F 自1986年6月投入现场使用, 先后在孤岛等七个油田推广应用, 到1988年8月共施工422井次, 其中油井施工243井次, 平均增产有效期为218天, 最长达717天; 水井施工19井次, 平均增注有效期为200天, 最长达681天, 生产和经济效益显著。1. 3 聚季铵-氯化铵复合粘土稳定剂3该复配型粘土稳定剂是胜利油田采油工艺研究院在评价多种粘土防膨剂和进行配方优化的基础上, 于1987年研制的。该剂通过两种途径稳定粘土矿物, 即NH +4离子进入粘土晶层空隙, 聚季铵分子上

7、的多个正电荷牢固地吸附在粘土表面, 阻止离子交换的进行。用该剂溶液静态浸泡后的岩心在水中失重小, 耐水冲刷能力强。自1986年12月到1987年10月, 在滨南、河口、现河和纯梁等采油厂进行的现场试验中, 用该剂共处理21口井, 其中水井14口, 油井7口, 收到了施工注水井增注(平均单井日增注量60米3 、受效采油井增油和施工采油井增油的良好效果。1. 4 压裂防膨剂P -216该剂是胜利石油管理局采油工艺研究院于1991年研制成功的压裂液用的粘土稳定剂。它的主要有效成份是二甲基二烯丙基氯化铵同丙烯酰胺的共聚物。其作用机理是中和粘土表面的负电荷, 在粘土矿土矿物表面牢固吸附。经该剂处理的粘土

8、矿物, 水化膨胀性能明显减小, 耐水冲刷能力明显增大。据1990和1991年的统计, 在32井次的压裂酸化作业中使用了该剂, 开井27井次, 其中油井9井次, 水井18井次, 取得了油井增油水井增注的良好效果。1. 5 疏松砂岩稳定剂SW -91541993年研制成功的。它的主要有效成分是由环氧氯丙烷、有机胺、烯基阳离子单体等合成的支链型阳离子聚合物, 它通过阳离子在起胶结作用的粘土矿物表面吸附和长链聚合物的包被作用而稳定疏松砂岩。在相同条件下, 该剂稳定疏松砂岩、抑制砂岩颗粒分散运移的性能, 优于当时常用的粘土稳定剂。自1991年11月到1992年11月, 采用该剂处理油水井共108井次,

9、其中油井100井次, 水井8井次, 取得了增油增注的显著效果。1. 6 高温粘土稳定剂K -26该剂是胜利石油管理局采油工艺研究院于1995年研制成功的。它的有效成分为钾的有机化合物, 在一定温度下可将膨胀型粘土矿物转变为非膨胀型粘土矿物, 用于保护热法开采的含粘土成分较多的油气层。该剂热稳定性良好, 在345e 以上加热24小时、在300e 加热7天不降解。用5%的该剂在200e 处理后的泥岩岩心, 膨胀型粘土矿物成分明显减少, 非膨胀型粘土矿物成分增加; 已膨胀岩心经处理后渗透率明显恢复。到1995年10月为止, 采用本剂处理了12口蒸汽吞吐井, 开井后10口井见到明显效果:注蒸汽压力由1

10、4M Pa 降至10M Pa, 生产周期由50天延至82天, 产油产液量明显增加。1. 7 复合粘土稳定剂HCG -117该剂是胜利石油管理局纯梁采油厂同华中理工大学合作, 于1990年研制成功的, 由杂环阳离子聚合物同多种成分复配而成。稳定粘土的机理是:通过有机和无机阳离子中和粘土表面的负电荷, 增强粘土晶层间吸力, 阻止水进入晶层间, 凝聚松散的粘土微粒。高青油田岩心经该剂处理后, 静泡及水冲刷损失量明显减少, 膨胀性降低; 该剂具有一定的破乳和缓蚀能力。自1990年9月到1991年7月, 用该剂共处理了11口井(次 , 其中注水井2口, 油井9口, 取得了增油增注的效果。1. 8 粘土稳

11、定剂HBD -9118该剂是胜利石油管理局河口采油厂工艺所同北京石油勘探开发研究院合作, 于1992年研制成功的一种低分子固态粘土稳定剂。主要成分是有机胺同阳离子化剂反应生成的多阳离子化合物, 通过阳离子吸附、中和粘土表面的负电荷, 减少晶层粒间静电斥力而稳定粘土。该剂可单独使用, 也可同无机粘土稳定剂复配使用。在室内评价中该剂防膨效果好, 有效期长, 水驱岩心至1200PV 时防膨效果不5第16卷第1期宁廷伟:胜利油田开发和应用的粘土稳定剂79渤南油田进行现场试验16井次, 同使用聚季铵相比, 药品费用大幅度降低。1. 9 复合耐高温粘土稳定剂FGW -19该剂是孤岛采油厂工艺所于1995年

12、研制成功的注蒸汽用粘土稳定剂。主要有效成分是乙烯基吡咯烷酮同丙烯酸酯季铵盐的共聚物, 复配物是无机盐。稳定粘土的机理是:高温下带正电荷的离子在粘土晶面和晶层间产生离子交换及吸附使晶层收缩, 粘土颗粒相互紧密结合; 长链阳离子共聚物在多个晶层和颗粒上吸附并包被, 使粘土矿物稳定化。浓度2. 5%的FGW -1溶液在280e 热处理25天后, 对粘土仍有好的稳定作用, 粘土分散率小于25%。自1993年底到1995年10月在孤岛油田共施工48井次, 其中可对比35井次, 注蒸汽成功率提高2. 4%, 生产周期延长21. 8天, 回采水率提高69. 2%, 油汽比提高25%。使用该剂还使稠油热采井的

13、防砂成功率提高20. 3%。1. 10 低伤害固砂稳定剂DQW -1该剂是胜利石油管理局胜利采油厂工艺所同山东省化学研究所协作, 于1994年研制成功的。主要有效成分为乙烯基啶啶与丙烯酸酯季铵盐的共聚物。固砂机理与FGW -1稳定粘土的机理相似。DQW -1与胶结物粘土发生离子交换及吸附, 使晶层收缩, 晶层与颗粒相互紧密结合, 长链阳离子共聚物在多个晶层和微粒上吸附并包被, 使粘土稳定, 从而达到固砂的目的。经该剂处理的岩心同其他粘土稳定剂处理的岩心相比, 膨胀性小, 耐冲刷能力强, 岩心微粒散失率低, 岩心质量损失和渗透率损失均较小。自1994年4月到8月, 在胜坨等油田的现场试验中共用D

14、QW -1处理了43口井, 其中12口长期停产井增产原油, 13口井免修期延长, 12口井不可对比, 6口井无效。1. 11 酸化用粘土稳定剂DTE 11该剂是胜利石油管理局采油工艺研究院于1996年研制成功的。主要有效成分是环氧氯丙烷同多乙烯多胺缩聚生成的网状多羟基阳离子聚合物。稳定粘土的机理是能在粘土矿物和其他地层微粒表面多点吸附成膜, 防止发生水化膨胀、分散及运移; 多羟基在羟基化地层表面形成氢链, 使其免受水基酸液的侵害, 有利于保护酸化后的地层渗透率。该剂与各种酸液及酸液添加剂的配伍性好, 热稳定性好, 能稳定膨胀型粘土, 也能稳定非膨胀型粘土及其他地层微粒, 明显改善酸化效果, 延

15、长酸化有效期, 10年到1996年6月在河口、孤岛及东辛采油厂共使用DTE 进行作业70井次, 其中酸化37井次, 防膨固砂33井次, 成功率均为100%。2 讨论及认识(1 自80年代中期以来, 胜利油田在研究和开发粘土稳定剂方面有了长足进步和发展, 其中阳离子聚合物类粘土稳定剂发展最迅速, 无机类和转变矿物类型粘土稳定剂也有了一定发展。随着人们对保护油气层的日益重视、老油田高含水开发期增产措施的增多12及难动用油藏(如稠油藏等 的开发需要, 粘土稳定剂的开发和应用研究将继续发展。(2 过去胜利油田成功地开发了多种既能控制粘土膨胀、又能防止粘土颗粒运移的季氮原子在主链或侧链上的阳离子聚合物粘

16、土稳定剂。外国专利报道的主链和侧链上都有季氮原子13、含季原子14、含叔锍原子15等新型有机阳离子聚合物粘土稳定剂, 转变矿物类型的粘土稳定剂和高分子量水解聚丙烯酰胺用作粘土稳定剂16, 是值得重视的应用研究领域。(3 胜利油田已开发和应用的粘土稳定剂, 多数是通过中和粘土表面负电荷及桥接包被粘土微粒而稳定粘土矿物的。因此, 对埋藏深度不同、粘土矿物成分不同的油气藏, 适用的粘土稳定剂品种和最佳用量应是不同的。不同分子结构的粘土稳定剂有不同的热稳定性, 因而有不同的最佳使用温度范围; 一种粘土稳定剂的用量依地层成分的不同而变化, 对每一种地层有一个最佳用量范围17。在使用粘土稳定剂前, 必须针

17、对地层温度和粘土成分, 筛选出合适的粘土稳定剂品种和用量范围, 使药剂的使用科学化、合理化。(4 评选粘土稳定剂的方法很多, 不同方法所测项目不同, 所得数据不能用于直接比较粘土稳定剂性能的优劣, 必须尽快研拟统一的评选方法。在目前使用的方法中, 透光率指数法18和页岩膨胀仪法操作比较方便, 所得结果准确, 重现性好, 已被越来越多的研究和工程人员所采用。参考文献:1赵福麟. 采油用剂. 山东东营:石油大学出版社, 1997:147-154., 2 :80油 田 化 学1998年3胜利石油管理局采油工艺研究院. 聚季铵-氯化铵复合粘土稳定剂研究报告. 1987. 4.4胜利石油管理局采油工艺研

18、究院. P -216压裂防膨添加剂研究报告. 1990. 12.5胜利石油管理局采油工艺研究院. S W -91疏松砂岩粘土稳定剂研究报告. 1993. 3.6胜利石油管理局采油工艺研究院. 高温粘土防膨剂K -2研究报告. 1996. 1.7李平等. 油田化学, 1991, 8(2 :99-103.8胜利石油管理局河口采油厂. HBD -911粘土稳定剂及其应用研究报告. 1992. 8.9胜利石油管理局孤岛采油厂. FGW -1复合耐高温粘土稳定剂研究报告. 1995. 12.10胜利石油管理局胜利采油厂. DGW -1低伤害高效固砂稳定剂研究报告. 1994. 12.11胜利石油管理局采

19、油工艺研究院. 酸化粘土稳定剂DTE 研究及应用报告. 1996. 4.12Ez eukwu T, Thomas R L. S PE 39482, 1998.13S chield J A, Nai man M I, Scherubel G A. US 5160642, 1992. 14M cLaughlin H C, W eaver J D. US 4366072, 1982. 15M cLaughlin H C, W eaver J D. US 4366073, 1982.16Zaitoun A, Berton N. S oc Petrol Engrs Product Eng, 1992,

20、7(2 :160-166.17王春红. 粘土防膨剂的耐温性能研究. 石油大学(华东 硕士学位论文. 1999. 1.18赵福麟等. 油田化学, 1986, 3(4 :258-265.DEVELOPMENTS AND USES OF C LAY STABILIZERS IN SHENGLI OIL FIELDSNING T i ng -Wei(The Scientif ic and Technical Department of Shengli Petroleum Ad ministr ative Bureau , Dongying , Shand ong 257001, China Abstract:T his paper reviews the clay stabi