北布扎奇油田聚合物弱凝膠體系的研究

吳瑞坤，康萬利，孟令偉，吳曉燕，蔡曉軍

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院提高采收率研究中心，山東 青島266555；2.吉林油田勘察設(shè)計(jì)院，吉林 松原 138000）

北布扎奇油田聚合物弱凝膠體系的研究

吳瑞坤1，康萬利1，孟令偉1，吳曉燕1，蔡曉軍2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院提高采收率研究中心，山東 青島266555；2.吉林油田勘察設(shè)計(jì)院，吉林 松原 138000）

研究了適合北布扎奇油田地層水油藏條件下的聚合物與酚醛樹脂交聯(lián)的弱凝膠體系.利用黏度法篩選出了弱凝膠調(diào)驅(qū)體系的配方，其中聚合物主劑SD6800的質(zhì)量濃度為1 500mg／L，酚醛樹脂交聯(lián)劑TD-2A和TD-2B的質(zhì)量濃度分別為300和200mg／L；SEM圖片證實(shí)了其凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的存在.同時(shí)利用MCR 301流變儀測(cè)定了最佳凝膠體系的動(dòng)態(tài)黏彈性，發(fā)現(xiàn)交聯(lián)反應(yīng)7d時(shí)體系的黏彈性達(dá)到最大，且G′＜0.1Pa.溫度越高，凝膠體系的黏度越低，90℃時(shí)，最低黏度保持在500mPa·s以上.確定了高礦化度油田產(chǎn)出水配制較高黏度的弱凝膠體系是可行的.

北布扎奇油田；聚合物弱凝膠；酚醛樹脂；動(dòng)態(tài)黏彈性

在水溶性聚合物（如聚丙烯酰胺）溶液中，加入有機(jī)或無機(jī)化合物作為交聯(lián)劑所形成的聚合物凝膠體系已廣泛應(yīng)用于油田的調(diào)剖堵水措施中.北布扎奇油田儲(chǔ)層為細(xì)－粗粒碎屑砂巖，儲(chǔ)集空間以粒間孔為主，非均質(zhì)性強(qiáng)，油藏埋深400～600m，地層溫度約為32℃，原油黏度、地層水礦化度高.北布扎奇油田自注水開發(fā)以來，油井產(chǎn)量有所提高，但井組注水見效期短，綜合含水由2007年初的48.6%上升至2009年的66.1%，含水上升速度快，油田的可開采程度低，僅為7.8%.對(duì)于常規(guī)的堵水技術(shù)效率較低，難于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水的目標(biāo)，采用單一的聚合物驅(qū)油效果不理想.因此，提出了北布扎奇油田的弱凝膠體系調(diào)驅(qū)方法，弱凝膠是以分子間交聯(lián)為主、分子內(nèi)交聯(lián)為輔的交聯(lián)程度較弱的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有一定的完整性，可以流動(dòng).弱交聯(lián)體系黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相同濃度聚合物溶液，在油田控水穩(wěn)油提高采收率方面得到了廣泛應(yīng)用［1－3］.注入地層以后，弱凝膠溶液優(yōu)先進(jìn)入高滲透層，并借助少量延緩型交聯(lián)劑的交聯(lián)作用，在地層運(yùn)移的過程中緩慢生成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的弱凝膠，封堵高滲透通道，使后續(xù)注入水轉(zhuǎn)向至中低滲透層，起到調(diào)剖作用，有效改善油層非均質(zhì)性；同時(shí)，在后續(xù)注入水的推動(dòng)下，弱凝膠又可以作為驅(qū)替相緩慢地向地層深部移動(dòng)并驅(qū)替出原油，擴(kuò)大波及體積和提高了驅(qū)油效率［4－5］.本文利用酚醛樹脂作為交聯(lián)劑，與聚丙烯酰胺形成弱凝膠體系，研究出適合于北布扎奇油田儲(chǔ)層的弱凝膠體系，并對(duì)該體系性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

部分水解聚丙烯酰胺為SD6800，SDSH-28，SD-XPAM和SD6000等系列聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量大于1 500×104的抗鹽聚合物；苯酚、甲醛為濟(jì)南凱龍化工有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為北布扎奇油田模擬地層水，礦化度為61 000mg／L左右，其離子組成見表1.

表1 北布扎奇油田地層水離子的組成 mg／L

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及儀器

1.2.1 酚醛樹脂交聯(lián)劑的制備

取適量苯酚，在一定溫度下將其融成液體，并稱取一定量的催化劑，使苯酚和甲醛在反應(yīng)釜中發(fā)生分子間反應(yīng)，約1.5h后，即得到純度為45%的酚醛樹脂產(chǎn)品.1.2.2 弱凝膠體系篩選及性能評(píng)價(jià)

恒溫30℃條件下，利用模擬地層水，配制聚合物溶液及弱凝膠體系，使用Brookfield黏度計(jì)（美國(guó)Brookfield公司）測(cè)定聚合物體系及形成的凝膠體系的黏度，剪切速率為7.34s－1，最終確定弱凝膠體系的配方；利用Physica MCR 301流變儀（奧地利安東帕公司），測(cè)定最佳配方下的弱凝膠體系的動(dòng)態(tài)黏彈性，并測(cè)定不同溫度時(shí)弱凝膠體系的黏度.

2 結(jié)果與討論

2.1 弱凝膠體系配方的確定

表2為利用北布扎奇油田模擬地層水配制的不同類型聚合物在不同濃度下的黏度.從表2可以看出，在質(zhì)量濃度分別為1 000，1 500和2 000mg／L時(shí)，SD6800較其他聚合物的黏度高，因此初步選擇SD6800作為弱凝膠體系的聚合物主劑.實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)交聯(lián)劑與聚合物不能形成穩(wěn)定的凝膠體系，因此只列出了2種交聯(lián)劑復(fù)配后形成的凝膠體系的結(jié)果.在不同濃度的聚合物SD6800條件下，加入不同濃度的交聯(lián)劑TD-2A和交聯(lián)劑TD-2B，成膠7d后測(cè)試弱凝膠的黏度見圖1，從圖1中可以看出：TD-2B質(zhì)量濃度為200mg／L較100mg／L成膠黏度高；提高聚合物濃度成膠黏度升高；TD-2B質(zhì)量濃度為200mg／L時(shí)交聯(lián)劑比例變化后，表觀黏度變化不大，聚合物質(zhì)量濃度為1 500和2 000mg／L凝膠的表觀黏度相近.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選用聚合物質(zhì)量濃度為1 500mg／L，交聯(lián)劑TD-2A質(zhì)量濃度為300mg／L，交聯(lián)劑TD-2B質(zhì)量濃度為200mg／L作為驅(qū)油用弱凝膠實(shí)驗(yàn)的配比濃度.

表2 聚合物初選實(shí)驗(yàn)結(jié)果 mPa·s

圖1 不同聚交比條件下弱凝膠黏度對(duì)比圖

2.2 弱凝膠體系的黏彈特性及微觀結(jié)構(gòu)

圖2為最佳凝膠體系的黏度隨交聯(lián)反應(yīng)的時(shí)間變化曲線.從圖2可以看出，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，體系的黏度先增加，在第7天時(shí)達(dá)到最大值（最高黏度為1 133mPa·s）后又降低，說明聚合物與交聯(lián)劑已發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng).圖3為凝膠體系在不同時(shí)間下的動(dòng)態(tài)黏彈性.從圖3可以看出，在成膠前后，體系表現(xiàn)出不同的黏彈特性，交聯(lián)反應(yīng)開始第1天，體系的彈性模量G′小于損耗模量G″，表現(xiàn)為黏性流體的特征；而從第3天開始，體系的G′大于G″，則表現(xiàn)出彈性行為，說明溶液中已形成了具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠體系.時(shí)間越長(zhǎng)，體系的黏彈性越大，同時(shí)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，此凝膠體系的黏彈性達(dá)到最大的時(shí)間為7d，在7d之后，凝膠體系的黏彈性逐漸降低.這是由于聚合物與交聯(lián)劑水溶液在放置過程中隨著交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，聚合物分子體積增大，導(dǎo)致體系宏觀性質(zhì)如表觀黏度、彈性的增加.根據(jù)有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，弱凝膠的G′＜1Pa，中強(qiáng)凝膠的1＜G′＜10Pa，而強(qiáng)凝膠的G′＞10Pa，對(duì)于本文研究的凝膠體系，第7天時(shí)的最大彈性模量G′＜0.1Pa，說明此體系屬于弱凝膠體系.聚丙烯酰胺與酚醛樹脂反應(yīng)主要形成的是一種復(fù)合凝膠體系，如圖7所示為交聯(lián)反應(yīng)7d時(shí)弱凝膠體系的SEM圖片.從圖4可以看出，溶液中已形成了明顯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并且放大倍數(shù)越高，形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越明顯.

圖2 最佳弱凝膠體系黏度隨時(shí)間變化曲線

圖3 弱凝膠體系不同交聯(lián)時(shí)間的動(dòng)態(tài)黏彈性

圖4 最佳弱凝膠體系成膠7d時(shí)的SEM圖片

2.3 溫度對(duì)弱凝膠體系黏度的影響

溫度是評(píng)價(jià)凝膠體系調(diào)驅(qū)效果的重要因素，圖5為最佳弱凝膠體系的黏度隨溫度的變化曲線.從圖5可以看出，弱凝膠體系在成膠后，其黏度隨溫度升高，表現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，在溫度為30℃～55℃時(shí)，體系黏度下降的速度較快，而繼續(xù)升高溫度后，黏度下降的速率開始變緩，在較高溫度下，黏度的最低值保持在500mPa·s以上.溫度對(duì)凝膠體系黏度的影響主要是由于溫度升高導(dǎo)致分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，增加了分子之間碰撞的機(jī)會(huì)，更有利于交聯(lián)反應(yīng)而形成三維網(wǎng)狀的凝膠結(jié)構(gòu)，但溫度太高也存在一定的問題，會(huì)導(dǎo)致體系的成膠不受控制，并因過度交聯(lián)而脫水，同時(shí)聚丙烯酰胺在高溫下也會(huì)緩慢水解，使體系的黏度降低［6］.

圖5 溫度對(duì)弱凝膠體系黏度的影響

3 結(jié)論

篩選出北布扎奇油田弱凝膠調(diào)驅(qū)體系的主劑為SD6800型聚合物，交聯(lián)劑酚醛樹脂TD-2A和TD-2B的質(zhì)量濃度分別為300和200mg／L；交聯(lián)反應(yīng)7d時(shí)體系的黏彈性達(dá)到最大，體系的G′＞G″，且G′＜0.1Pa，SEM圖片證實(shí)了溶液中已形成了明顯的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；溫度越高，凝膠體系的黏度越低，且溫度為90℃時(shí)，最低黏度保持在500mPa·s以上.

［1］ 顧錫奎，杜芳艷，王小泉.化學(xué)深部調(diào)驅(qū)技術(shù)現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.石油化工應(yīng)用，2009，28（3）：4-7.

［2］ 李洪璽，劉全穩(wěn)，王健，等.弱凝膠流動(dòng)規(guī)律及其提高采收率機(jī)理新認(rèn)識(shí)［J］.油氣地質(zhì)與采收率，2006，13（4）：85-88.

［3］ 陳鐵龍.弱凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1998：26-90.

［4］ 王平美，羅健輝，李宇鄉(xiāng)，等.弱凝膠調(diào)驅(qū)體系在巖心試驗(yàn)中的行為特性研究［J］.石油鉆采工藝，2000，22（5）：48-50，84.

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［6］ 康萬利，王軼男，孟令偉，等.疏水締合兩親聚合物凝膠的形成規(guī)律及性能［J］.高分子材料科學(xué)與工程，2011，27（2）：26-29.

Study on the polymer weak gel system in north buzachi oilfield

WU Rui-kun1，KANG Wan-li1，MENG Ling-wei1，WU Xiao-yan1，CAI Xiao-jun2

（1.China University of Petroleum，EOR Center，Qingdao 266555，China；
2.Survey and Design Institute of Jilin Oilfield，Songyuan 138000，China）

In view of the characteristics of strong heterogeneity for the reservoir and high salinity in formation in North Buzachi Oilfield，a weak gel system cross-linked by polymer and phenolic resin which could be adapted for the conditions of reservoir has been studied.Viscosity method was used to determine the optimal formula of the weak gel system and given as follows：the main agent of polymer SD6800with a concentration of 1 500mg／L；the cross-linking agent of phenolic resin，TD-2Aand TD-2Bwith the concentrations of 300and 200mg／L，respectively.SEM images confirmed the existence of networks in the weak gel.Furthermore，MCR 301rheometer was used to test dynamic viscoelastic properties of the weak gel and the results showed that the viscoelastic value reached a maximum after 7dfor cross-linking reaction，andG′＜0.1Pa.Furthermore，the weak gel viscosity decreased with increasing of temperature，however the lowest viscosity could still reach 500mPa·s even at 90℃.The feasibility of preparing high viscosity weak gel by using oilfield produced water has also been proved.Keywords：North Buzachi Oilfield；polymer weak gel；phenolic resin；dynamic viscoelastic properties

TE 357.46

440·50

A

1000-1832（2011）03-0097-04

2011-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20873181）；教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（200804250502）；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目

（Y2008F20）；山東省“泰山學(xué)者”建設(shè)工程項(xiàng)目（ts20070704）.

吳瑞坤（1973—），男，博士研究生；通訊作者：康萬利（1963—），男，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事提高采收率及油田化學(xué)研究.

石紹慶）