熱敏可逆凝膠調(diào)剖劑的研制與應(yīng)用

楊立軍， 喜恒坤

( 1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 高職學(xué)院，遼寧 沈陽 110122； 2. 遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010 )

0 引言

稠油油藏的膠結(jié)疏松、孔隙度高、非均質(zhì)性嚴(yán)重，在注氣開采過程中,特別是多輪次吞吐后，注氣指進(jìn)和氣竄現(xiàn)象極為普遍.如果能設(shè)法堵上已波及高滲透區(qū)域，讓注入流體轉(zhuǎn)向未波及地帶或未波及地層，就能采出原來未能采出的油，這是凝膠調(diào)剖技術(shù)的目標(biāo).目前大量使用的凝膠類調(diào)剖體系是以部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)為主劑[1],以Cr3+、Al3+苯酚及間苯二酚等為交聯(lián)劑的體系.這些體系屬于交聯(lián)強(qiáng)度較高的調(diào)剖體系，在油層相對較高的鹽水礦化度(10 g/L以上)和較高溫度(高于70 ℃)的條件下，由于聚合物的熱降解、鹽降解和金屬離子降解使得體系的穩(wěn)定性變得非常差.交聯(lián)聚合物弱凝膠是目前應(yīng)用最廣泛的深部調(diào)剖技術(shù)[2]，但多不抗鹽，一般不適宜礦化度100 g/L以上、溫度90 ℃以上的深部調(diào)剖；膠態(tài)分散凝膠(CDG)耐溫耐鹽性能差，成膠條件苛刻，封堵程度低.因此，熱敏可逆凝膠調(diào)剖技術(shù)在稠油油藏注氣開采過程中具有廣闊的應(yīng)用前景.王卓飛等[3]通過對克拉瑪依淺層稠油油藏非均質(zhì)性特點進(jìn)行分析，針對氣竄嚴(yán)重井區(qū)試驗優(yōu)選了熱可逆凝膠MET-KA體系.該體系當(dāng)溫度降低時恢復(fù)成液體，而溫度再次升高又形成凝膠，允許“打開”和“關(guān)閉”縫隙，并依靠溫度的變化調(diào)節(jié)滲流量，實現(xiàn)暫堵調(diào)剖作用，適合井間氣竄較嚴(yán)重的井區(qū).勝利油田現(xiàn)河采油廠[4]針對樂安油田稠油精密篩管完井水平井高含水難題展開攻關(guān)，在草20區(qū)塊實施溫敏可逆凝膠堵調(diào)技術(shù)先導(dǎo)試驗，效果顯著.趙賁發(fā)明了一項專利技術(shù)——熱致可逆凝膠調(diào)剖防竄劑[5]，該劑是一種纖維素醚水溶液,可以通過加入凝膠化調(diào)節(jié)劑使溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槟z的溫度在40～120 ℃范圍內(nèi)變動.

為了適應(yīng)遼河油田稠油油藏注氣開采的需要，提高熱敏可逆凝膠的耐高溫(250 ℃)性及耐高礦化度(100 g/L)性，并實現(xiàn)無毒、環(huán)保，成膠溫度、成膠時間可調(diào)節(jié)的要求，筆者以羥丙基甲基纖維素(HPMC)醚溶液為主劑，研制一種熱敏可逆凝膠，并對其性能進(jìn)行實驗研究，以解決稠油油藏注氣開采過程中的氣竄問題.

1 實驗

有一些高分子物水溶液在溫度升高超過一定值后，能轉(zhuǎn)變?yōu)樗z，而溫度降低時發(fā)生相反的過程，由水基凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)樗芤?溫度升高時發(fā)生的溶液-凝膠轉(zhuǎn)變和溫度降低時發(fā)生的凝膠-溶液轉(zhuǎn)變都是物理性質(zhì)的可逆轉(zhuǎn)變，這種凝膠稱為熱敏可逆凝膠.熱敏可逆凝膠用于蒸氣驅(qū)井的調(diào)剖，由于其獨有的高溫成膠的特性，能夠封堵高滲層，在地層中建立偏轉(zhuǎn)屏蔽，調(diào)控滲流，阻止氣竄和消除氣錐，提高波及面積，提高注氣效率.熱敏可逆凝膠用做蒸氣吞吐井的調(diào)剖暫堵劑，在注蒸氣前注入熱敏(可逆)水溶性凝膠溶液，注蒸氣時熱敏(可逆)水溶性凝膠溶液變成凝膠，起到調(diào)剖作用；注氣后開井生產(chǎn)時井溫不斷降低，地層中形成的凝膠屏障變?yōu)槿芤海摑B流通道又可正常生產(chǎn).總之，該高分子物水溶液注入地層時，主要進(jìn)入沖洗過的地層高滲透地帶，生成凝膠屏障，導(dǎo)致滲流場發(fā)生改變，使注氣井的吸氣剖面更均勻，從而降低油井產(chǎn)出液的含水量，提高油井的產(chǎn)油量.

水溶性纖維素醚類具備熱敏可逆凝膠主劑所要求的性能，因此，首先開展實驗，優(yōu)選水溶性纖維素醚及添加劑用量，以滿足稠油油藏注氣開采需要.

1.1 優(yōu)選纖維素醚

在水溶性纖維素醚中，非離子型醚的耐熱、耐鹽性能比離子型醚好，其水溶液具有表面活性.具有獨特的熱凝膠化作用的醚有烷基和羥烷基兩大類.烷基醚有甲基纖維素(CMC)及其羥烷基改性衍生物，如羥丙基甲基纖維素(HPMC)、羥丁基甲基纖維素(HBMC)、羥乙基甲基纖維素(HEMC).羥烷基醚包括羥乙基纖維素(HEC)、乙基羥乙基纖維素(EHEC)和羥丙基纖維素(HPC).

表1 凝膠性能與纖維素相對分子質(zhì)量的關(guān)系

在水溶性非離子型烷基纖維素醚中，能進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)并得到廣泛應(yīng)用的只有甲基纖維素(MC)及其少數(shù)幾種羥烷基改性的衍生物，如羥丙基甲基纖維素(HPMC)、羥乙基甲基纖維素(HEMC)和羥丁基甲基纖維素(HBMC).這些烷基纖維素醚有一個共同的特性：溶于冷水而不溶于熱水.當(dāng)水溶液的pH值在3～12內(nèi)變化時，水溶液均可穩(wěn)定存在.水溶液加熱到一定溫度形成凝膠并析出，冷卻時凝膠消失并恢復(fù)溶液狀態(tài).

把不同相對分子質(zhì)量的MC、HPMC、HEMC和HBMC分別配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的水溶液，在20 ℃條件下測定其黏度，并取50 mL放入比色管中進(jìn)行成膠實驗，結(jié)果見表1.

由表1可知，隨著相對分子質(zhì)量的增加，MC、HPMC、HEMC、HBMC的成膠溫度分別在43.5～49.0，51.0～54.0，50.0～52.5，53.0～56.0 ℃之間變化，它們的成膠溫度變化不大.隨著相對分子質(zhì)量的增加，凝膠析水量逐漸增加，MC、HPMC、HEMC和HBMC相對分子質(zhì)量與凝膠吸水量關(guān)系見圖1.

圖1 纖維素凝膠析水量與相對分子質(zhì)量關(guān)系曲線

由圖1可知，在一定相對分子質(zhì)量條件下，HPMC凝膠后析出水量最少，當(dāng)HPMC相對分子質(zhì)量為2.2×104時析出水量為1.5 mL.因此，按照凝膠析水量最低的原則，優(yōu)選羥丙基甲基纖維素(HPMC)為熱敏纖維素醚.

1.2 確定HPMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 HPMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)對凝膠性能的影響

為確定HPMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HPMC溶液，測定其凝膠成膠溫度、成膠時間、凝膠析水量和凝膠強(qiáng)度，結(jié)果見表2.

達(dá)到成膠溫度后，凝膠在短時間內(nèi)迅速成膠.由表2可知，隨著HPMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加凝膠成膠時間逐漸縮短，凝膠析水量逐漸減少，凝膠強(qiáng)度逐漸增加.考慮到成本因素，選擇HPMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%.

1.3 改善HPMC凝膠析水性

表3 添加劑對HPMC凝膠性能的影響

通過在HPMC凝膠體系中加入無機(jī)物或有機(jī)物可以降低凝膠析水量，改善凝膠性能.把相對分子質(zhì)量為2.2×104的HPMC配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的水溶液，分別量取50 mL加入一定量的添加劑，測定其成膠溫度、凝膠析水量和凝膠強(qiáng)度，結(jié)果見表3.

由表3可知，選擇性添加無機(jī)或有機(jī)物都能使凝膠不再析水、凝膠強(qiáng)度增強(qiáng)；添加無機(jī)物能使凝膠成膠溫度降低，添加有機(jī)物能使凝膠成膠溫度升高.因此，通過加入合適的添加劑能夠改善凝膠性能.

1.4 提高HPMC凝膠的耐溫性

為提高HPMC凝膠的耐溫性，進(jìn)行實驗：

(1)配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的HPMC水溶液1 000 mL，制成a溶液；

(2)分別量取a溶液100 mL裝入2個高壓鋼瓶中，為樣品1；

(3)量取a溶液500 mL，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的無機(jī)鹽類添加劑A，制成b溶液；

(4)分別量取b溶液100 mL裝入2個高壓鋼瓶中，為樣品2；

(5)將樣品1的一個鋼瓶和樣品2的一個鋼瓶在200 ℃的條件下恒溫24 h；將樣品1的另一個鋼瓶和樣品2的另一個鋼瓶在250 ℃的條件下恒溫24 h.冷卻至室溫后，做成膠實驗，結(jié)果見表4.

表4 添加劑A對HPMC凝膠耐溫性的影響

由表4可知，HPMC溶液加入無機(jī)鹽類添加劑A后，無機(jī)鹽類中的硝酸根與HPMC結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)凝膠的熱穩(wěn)定性，從而提高凝膠耐溫性能，實驗?zāi)蜏匦钥筛哌_(dá)250 ℃.

1.5 提高HPMC凝膠抗鹽性

水的礦化度對HPMC凝膠強(qiáng)度有很大的影響，分別用不同礦化度的水配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的HPMC水溶液,并向其中加入等量的添加劑B.未加添加劑的HPMC凝膠和加入添加劑B的HPMC凝膠在不同礦化度下的凝膠強(qiáng)度見表5.

利用表5實驗數(shù)據(jù)所作的HPMC凝膠強(qiáng)度與礦化度的關(guān)系曲線見圖2.由圖2可知，隨著礦化度的增加，凝膠強(qiáng)度逐漸變小.未加添加劑的HPMC凝膠在10 g/L以內(nèi)時，隨礦化度的增加，凝膠強(qiáng)度減小緩慢；當(dāng)?shù)V化度超過10 g/L時，隨礦化度的增加，凝膠強(qiáng)度急劇變小.向HPMC水溶液中加入添加劑B后能夠顯著提高凝膠耐礦化度程度.當(dāng)?shù)V化度超過100 g/L時，隨礦化度的增加，凝膠強(qiáng)度迅速降低.

表5 礦化度對HPMC凝膠強(qiáng)度的影響

圖2 HPMC凝膠強(qiáng)度與礦化度關(guān)系曲線

表6 HPMC凝膠的封堵性能

1.6 測試HPMC凝膠的封堵性能

利用所研制的HPMC凝膠，在松散填充巖心中進(jìn)行封堵性能實驗，結(jié)果見表6.由表6可知，HPMC凝膠的封堵率達(dá)到91%，封堵強(qiáng)度達(dá)到10.3 MPa/m，能夠滿足現(xiàn)場要求.

2 現(xiàn)場應(yīng)用

利用所研制的HPMC凝膠在杜84-63-95井進(jìn)行實際應(yīng)用.

2.1 調(diào)剖劑用量

熱敏可逆凝膠調(diào)剖劑用量Q為

Q=πr2hφ,

(1)

式中：r為處理半徑；h為油層有效厚度；φ為油層平均孔隙度.

杜84-63-95井的油層有效厚度為25.6 m，平均孔隙度為31.88%，取處理半徑為2 m；由式(1)可計算熱敏可逆凝膠調(diào)剖劑用量，為保證實際施工有效性，調(diào)剖劑量多配置3%，即Q取為105 m3.

2.2 施工工藝

首先配制好熱敏可逆凝膠調(diào)剖劑105 m3水溶液，并在井場按施工要求正確連接擠注流程，卡瓦及油壬砸緊，地面設(shè)備試運行，試壓16 MPa，保證各種管匯暢通；然后用1臺400型水泥車，控制排量在0.8 m3/min，泵壓<16 MPa，將105 m3調(diào)剖劑正注入井；最后用2臺15 m3罐車正替清水15 m3，反替清水5 m3，以沖洗清理疏通井筒管柱.調(diào)剖作業(yè)關(guān)井24 h后方可注氣.

2.3 應(yīng)用效果

所研制的HPMC凝膠應(yīng)用于杜84-63-95井，實施熱可逆凝膠調(diào)剖前后生產(chǎn)情況見表7.

表7 杜84-63-95井熱可逆凝膠調(diào)剖前后生產(chǎn)情況

由表7可知，杜84-63-95井實施熱可逆凝膠調(diào)剖后累計產(chǎn)油量與油氣產(chǎn)量比上升，周期增油量116 t，綜合增油量342 t，說明熱敏可逆凝膠調(diào)剖取得較好效果.

3 結(jié)論

(1)在一定的相對分子質(zhì)量條件下，HPMC成膠后析出水量最少，可選羥丙基甲基纖維素(HPMC)作為熱敏可逆凝膠的主劑，考慮到成本因素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)以3.0%為宜.

(2)針對具體地層情況，通過選擇性地向熱敏可逆凝膠添加無機(jī)物或有機(jī)物，可調(diào)整熱敏可逆水溶性凝膠的成膠溫度和成膠時間，提高可逆水溶性凝膠的強(qiáng)度，加入A、B兩種添加劑，明顯提高凝膠的耐溫性和抗鹽性.

(3)實施熱可逆凝膠調(diào)剖解決油層縱向動用程度不均勻及氣竄問題，提高注氣質(zhì)量，取得較好效果.