弱凝膠體系成膠性能影響因素研究

張 宇

中國石油遼河油田公司金馬油田開發(fā)公司，遼寧 盤錦 124010

0 前言

所謂弱凝膠體系［1］是由較低濃度的聚合物與交聯(lián)劑形成的以分子間交聯(lián)為主、分子內(nèi)交聯(lián)為輔，具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的弱交聯(lián)體系。其驅(qū)油機理為：一方面，弱凝膠是一種可動凝膠，其特性介于本體凝膠和分散凝膠之間，注入地層后優(yōu)先進入高滲透層，完全交聯(lián)后即可產(chǎn)生一定強度的封堵作用，降低高滲透層吸水能力，在縱向上改善注水井吸水剖面吸水能力。后續(xù)注入流體將對弱凝膠產(chǎn)生驅(qū)替作用，使弱凝膠被剪切、破碎，形成更小的凝膠團，并向地層深部運移，堵塞地層深部孔道，改變后續(xù)注入流體微觀和宏觀流向，擴大注入流體波及體積。另一方面，由于弱凝膠可移動，能在后續(xù)注入流體前緣形成高黏度驅(qū)油界面，降低原油與驅(qū)替液流度比，提高驅(qū)油效率［2-3］，主要應(yīng)用于油田三次采油及深部調(diào)驅(qū)提高采收率技術(shù)中［4-6］。

海外河油田海1塊為一注水開發(fā)普通稠油油藏，目前已進入高含水、高采出程度階段，采出程度36.5%，綜合含水86.5%，長期水驅(qū)開發(fā)加劇了儲層非均質(zhì)性，注入水波及體積難以提高，依靠常規(guī)注水技術(shù)難以大幅度提高油藏采收率。針對上述矛盾，該油藏2012年開展了弱凝膠體系深部調(diào)驅(qū)先導(dǎo)試驗，取得了一定效果。現(xiàn)場應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，弱凝膠體系的成膠性能（包括成膠強度、穩(wěn)定性等）會受到多種因素影響，成膠質(zhì)量直接影響深部調(diào)驅(qū)效果。為此，針對影響弱凝膠體系成膠性能的主要因素進行研究，為礦場應(yīng)用弱凝膠體系進行深部調(diào)驅(qū)提供了依據(jù)。

1 實驗材料和儀器

1.1 實驗材料

研究中采用的聚合物為部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），由遼河油田海瀾化工有限公司生產(chǎn)，實驗樣品編號P1、P2、P3，各自相對分子量分別為1 500、2 000、2 500，水解度為23%～35%。交聯(lián)劑采用山東東營芳華石化科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的羥酸鉻乳液，Cr3+濃度≥40%，實驗用編號為NJ-5，Cr3+濃度為2.5%。

1.2 實驗儀器

黏度測定使用Brookfield DV-Ⅱ+pro布氏黏度計，轉(zhuǎn)速為20 r/min。

2 弱凝膠體系交聯(lián)反應(yīng)機理

弱凝膠體系采用的交聯(lián)劑一般有Al3+、Cr3+、酚醛等［7］。Cr3+交聯(lián)劑由于原料易得，合成工藝簡單，成本低廉，常用于弱凝膠體系研究中。未經(jīng)處理的鉻離子與聚合物交聯(lián)反應(yīng)幾乎在瞬間完成，無法滿足現(xiàn)場應(yīng)用需要。Cr3+預(yù)先與羧酸等形成配位絡(luò)合物（羧酸鉻），可以有效控制成膠速度［8］。鉻交聯(lián)劑與聚合物的交聯(lián)反應(yīng)機理可看作是Cr3+的配位體與聚合物的官能團（-COO-）爭奪水合Cr3+離子的結(jié)果；通過調(diào)整配位絡(luò)合物的類型、用量，鉻交聯(lián)劑和聚合物的濃度等因素，能有效減緩Cr3+／聚合物交聯(lián)反應(yīng)速度和成膠強度［9-11］。

3 影響弱凝膠體系成膠性能的主要因素

弱凝膠體系自配制、注入到從油井中采出，需經(jīng)過一個復(fù)雜過程，會受到聚合物分子量、聚合物/鉻交聯(lián)劑濃度、溫度、pH值、機械剪切、巖心剪切等多種因素影響。

3.1 聚合物分子量

實驗給出了恒溫放置16 h、不同凝膠體系黏度變化曲線，見圖1。從圖1可見，在相同溫度條件下，聚合物分子量越高，成膠后凝膠體系黏度越大，成膠效果越好。因此在確定聚合物品種時首選高分子量的聚合物。

圖1 聚合物分子量對弱凝膠體系黏度影響圖

3.2 聚合物/鉻交聯(lián)劑濃度

實驗選用分子量為2 000×104的聚合物P2，分別從高、低兩方面拓寬聚合物/鉻交聯(lián)劑濃度，將二者進行交聯(lián)反應(yīng)，通過長期熱穩(wěn)定實驗來考察凝膠穩(wěn)定性，確定性能較穩(wěn)定的弱凝膠體系組合見表1。

測試結(jié)果表明：

a）高、低濃度交聯(lián)體系1 d后均可成膠，區(qū)別在于高濃度交聯(lián)體系交聯(lián)反應(yīng)快，黏度大，成膠后強度大，但容易脫水，低濃度交聯(lián)體系成膠7 d后黏度會大幅度下降；對于同一交聯(lián)體系，溫度越高，體系黏度越大，成膠反應(yīng)越強烈。

b）可成膠的聚合物濃度范圍在0.05%～0.2%之間，交聯(lián)劑濃度范圍在0.03%～0.4%之間，在合適的聚交比下均可成膠，聚交比＞80∶1時成膠效果最好。

3.3 溫度

溫度是影響弱凝膠體系成膠性能的重要因素之一。實驗給出了不同凝膠體系、不同溫度下黏度變化結(jié)果見表2、圖2。從表2、圖2可以看出，在55℃下放置24～40 h后，各體系均成膠。在70℃下放置24～40 h后，各體系成膠強度增大，表現(xiàn)在黏度增加，到40 h后黏度略增。在78.8℃下放置24～40 h后，各體系成膠強度有所下降，結(jié)果表明：有機鉻交聯(lián)劑與聚合物組成的弱凝膠體系，在溫度55～78.8℃下放置16 h左右即可成膠，且溫度越高，成膠反應(yīng)越強烈。溫度在55～70℃時，弱凝膠體系較穩(wěn)定，當溫度升高到78.8℃時，體系成膠時間雖明顯縮短，但存在破膠現(xiàn)象且凝膠穩(wěn)定性變差。

表1 不同濃度弱凝膠體系成膠性能對比表

表2 不同溫度下弱凝膠體系黏度對比表

圖2 溫度對不同弱凝膠體系成膠性能影響

3.4 pH值

實驗采用海外河油田海1塊回注污水配制弱凝膠體系（0.2%P2+0.1%NJ-5），將 pH 值分別調(diào)至 5、6、7、8、9，在70℃下恒溫放置，觀察體系的成膠情況和凝膠穩(wěn)定性，結(jié)果見圖3。從圖3可見，當pH值＜6時不成膠，6＜pH 值＜9時成膠，7＜pH 值＜8時弱凝膠體系黏度最大，穩(wěn)定性最好。

圖3 pH值對弱凝膠體系成膠性能影響 （70℃）

3.5 剪切作用

弱凝膠體系經(jīng)配制、注入到從油井中采出整個過程會受到機械剪切和巖心剪切作用，實驗將未成膠的鉻交聯(lián)體系0.2%P2+0.1%NJ-5（黏度為215.2mPa·s）進行機械剪切，剪切后體系黏度為136.2mPa·s，黏度保留率63.29%，放在70℃地層溫度下觀察是否成膠，結(jié)果見圖4。由圖4可見，體系經(jīng)機械剪切后可以成膠，但強度較弱，成膠性能不如未剪切的。

圖4 機械剪切對弱凝膠體系成膠性能影響 （70℃）

巖心剪切實驗是將未成膠的鉻交聯(lián)體系經(jīng)過巖心后，收集采出液，同樣放在70℃地層溫度下觀察是否成膠，結(jié)果見圖5。由圖5可見，體系經(jīng)巖心剪切后仍可以成膠，30 d 后黏度仍保持＞1 000mPa·s。

圖5 巖心剪切對弱凝膠體系成膠性能影響 （70℃）

3.6 含油、油砂

為了考察有機鉻/聚合物溶液在油藏條件下形成弱凝膠的能力，采用海外河油田海1塊脫水原油、洗油后的巖心砂及鉻交聯(lián)體系（0.2%P2+0.1%NJ-5），三者按一定比例混合，放在70℃下的保溫箱中候凝24 h后混配體系成膠，凝膠體系有一定流動性。結(jié)果表明弱凝膠體系中含油、油砂對成膠性能影響較小。

3.7 水質(zhì)

實驗中采用回注污水、清水、地層采出污水配制弱凝膠體系，評價不同水質(zhì)對弱凝膠體系成膠性能的影響，結(jié)果表明：使用回注污水、清水、地層采出污水配制的弱凝膠體系均可成膠，黏度均達到設(shè)計要求，水質(zhì)對弱凝膠體系成膠性能基本沒有影響。

4 結(jié)論

a）針對影響弱凝膠體系成膠性能的主要因素進行了實驗研究，結(jié)果表明聚合物分子量、聚合物/鉻交聯(lián)劑濃度、溫度、pH值對弱凝膠體系的成膠性能影響較大，剪切作用對弱凝膠體系的成膠性能有一定影響，含油、油砂對弱凝膠體系的成膠性能影響較小，水質(zhì)對弱凝膠體系的成膠性能基本沒有影響。研究結(jié)果對礦場試驗中應(yīng)用弱凝膠體系進行深部調(diào)驅(qū)具有一定指導(dǎo)意義。

b）在實驗室內(nèi)開展的弱凝膠體系研究中，聚合物與交聯(lián)劑是靜態(tài)條件下的成膠實驗；而現(xiàn)場應(yīng)用過程中，交聯(lián)反應(yīng)是在地層多孔介質(zhì)中流動狀態(tài)下進行的，交聯(lián)聚合物中的組分會受到多孔介質(zhì)吸附、色譜分離及微生物等諸多不可控因素作用，對交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生影響。交聯(lián)聚合物體系在動態(tài)條件下能否成膠，成膠質(zhì)量如何以及成膠后的弱凝膠體系在多孔介質(zhì)中能否流動，是制約和影響現(xiàn)場應(yīng)用的關(guān)鍵因素，有待進一步研究。

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