調(diào)剖用凝膠的吸水溶脹特性評(píng)價(jià)及改進(jìn)

吳 剛 田利民 王克濤 朱國良 李勝華 陳善峰

（中國石油華北油田分公司，河北任丘 062552）

調(diào)剖用凝膠的吸水溶脹特性評(píng)價(jià)及改進(jìn)

吳 剛 田利民 王克濤 朱國良 李勝華 陳善峰

（中國石油華北油田分公司，河北任丘 062552）

針對(duì)常規(guī)聚丙烯酰胺凝膠在化學(xué)剖面調(diào)整中逐漸暴露出的技術(shù)局限性，開展了50～90 ℃溫度范圍內(nèi)的鉻交聯(lián)體系和酚醛樹脂交聯(lián)體系的水浸泡及黏度損失研究，并遵循“達(dá)西定律”基本理論，從增加交聯(lián)密度、降低凝膠溶脹度的角度入手，引入新的可溶性高分子材料來改善常規(guī)凝膠交聯(lián)強(qiáng)度。結(jié)果表明，凝膠在水中充分浸泡時(shí)，黏度會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而降低，凝膠在水中存在溶脹作用及黏度損失。添加劑PVA 易與聚丙烯酰胺分子間形成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)氫鍵或纏繞，起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，使凝膠黏度提高30%，考察180 d后黏度損失小于10%。該研究可為解決層間矛盾、啟動(dòng)低滲透層段的生產(chǎn)潛力提供技術(shù)支持。

調(diào)剖；凝膠；黏度；浸泡；溶脹

化學(xué)剖面調(diào)整技術(shù)作為華北油田改善水驅(qū)開發(fā)效果主要挖潛手段，為穩(wěn)油降水、提高油藏采收率起到了重要作用。隨著油田開發(fā)的不斷深入，常規(guī)的化學(xué)剖面調(diào)整技術(shù)逐漸暴露出一些技術(shù)局限性，即使通過提高常規(guī)凝膠體系中聚合物質(zhì)量濃度和聚交比，也難以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。針對(duì)華北油田油藏非均質(zhì)性強(qiáng)、層間滲透率級(jí)差大的特點(diǎn)，從調(diào)剖機(jī)理出發(fā)，開展調(diào)剖材料的研究探索，形成了有針對(duì)性的調(diào)剖技術(shù)體系，為解決華北油田層間矛盾、啟動(dòng)低滲透層段的生產(chǎn)潛力，提供了有效的技術(shù)支撐手段。

1 常規(guī)凝膠吸水溶脹特性評(píng)價(jià)

1.1 實(shí)驗(yàn)物品和實(shí)驗(yàn)方法

在50～90 ℃溫度范圍內(nèi)，華北油田常用的調(diào)剖體系有兩類，分別是中溫的鉻交聯(lián)體系和高溫的酚醛樹脂交聯(lián)體系，由聚合物、交聯(lián)劑等組成，形成非牛頓流體增大注入液黏度［1］。在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，分別開展這兩類凝膠的水浸泡實(shí)驗(yàn)，研究凝膠的吸水溶脹特性。

實(shí)驗(yàn)試劑：聚丙烯酰胺，工業(yè)品；鉻交聯(lián)劑，工業(yè)品；酚醛樹脂交聯(lián)劑，工業(yè)品；其余試劑為分析純。

實(shí)驗(yàn)儀器：BS423S電子天平，101A_IE恒溫干燥箱，MARS流變儀等。

實(shí)驗(yàn)方法：按照常規(guī)配方配制凝膠溶液，放置烘箱中，待成膠后取出測(cè)黏度，稱取凝膠20 g浸泡于200 g水中（凝膠與水質(zhì)量比1∶10），做若干個(gè)平行樣，依次放入烘箱中，每隔一段時(shí)間取出一瓶測(cè)黏度及溶脹倍數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1.2.1 不同水浸泡評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)條件：聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25 %，實(shí)驗(yàn)溫度90 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。

圖2 常規(guī)酚醛樹脂交聯(lián)凝膠污水浸泡評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在90 ℃恒溫條件下，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，常規(guī)酚醛樹脂交聯(lián)體系凝膠在清水或污水中浸泡，黏度均會(huì)逐漸降低。清水中凝膠在反應(yīng)到16 d時(shí)溶脹到未浸泡時(shí)的5.2倍，達(dá)到最大溶脹倍數(shù)，但黏度僅為未浸泡時(shí)的76%。污水中凝膠在反應(yīng)到13 d時(shí)溶脹到未浸泡時(shí)的4.2倍，達(dá)到最大溶脹倍數(shù)，但黏度僅為未浸泡時(shí)的66%。隨后凝膠黏度仍逐漸降低，膠體從邊緣處逐漸破膠。

常規(guī)酚醛樹脂交聯(lián)體系凝膠浸泡評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該體系無論在清水還是污水中浸泡，黏度都會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而降低，凝膠在水中存在溶脹作用及黏度損失。

1.2.2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)凝膠的水浸泡評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn) 為考察同一凝膠體系中不同聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間是否遵循上述溶脹規(guī)律，開展了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)凝膠的水浸泡評(píng)價(jià)試驗(yàn)。以鉻交聯(lián)體系凝膠為例，清水配液，60℃恒溫條件，聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.2%、0.3%，鉻交聯(lián)凝膠體系污水不易成膠，因此只開展清水浸泡實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的凝膠浸泡評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

圖4 聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的凝膠浸泡評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在60 ℃恒溫條件下，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，不同聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉻交聯(lián)體系凝膠在清水中浸泡，黏度均會(huì)逐漸降低。當(dāng)反應(yīng)到16 d時(shí)聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%凝膠溶脹到未浸泡時(shí)的5.4倍，達(dá)到最大溶脹倍數(shù)，但黏度僅為未浸泡時(shí)的74%。反應(yīng)到13 d時(shí)聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%凝膠溶脹到未浸泡時(shí)的2.7倍，達(dá)到最大溶脹倍數(shù)，但黏度僅為未浸泡時(shí)的71%。隨后凝膠黏度仍逐漸降低，膠體從邊緣處逐漸破膠。

由以上實(shí)驗(yàn)可見，常規(guī)聚丙烯酰胺水凝膠中的親水基團(tuán)易與水相互作用，表現(xiàn)出親水性強(qiáng)的特點(diǎn)，因水合作用而充分伸展，分子鏈呈擴(kuò)展構(gòu)象。凝膠中親水基團(tuán)與水分子之間形成的氫鍵隨著浸泡時(shí)間的延長而增多，增強(qiáng)了凝膠的親水作用，使更多的水進(jìn)入凝膠發(fā)生溶脹，使凝膠的黏度大大降低，縮短了措施的有效期，影響了施工效果。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以聚丙烯酰胺為主體的水凝膠，無論添加哪種交聯(lián)劑，即使改變聚合物的用量，在水中充分浸泡時(shí)，均遵循上述溶脹規(guī)律，使得其在深部調(diào)剖的應(yīng)用中受到很大限制。

2 有機(jī)高分子凝膠體系的研制

影響凝膠膨脹的因素較復(fù)雜，主要包括水溶液的pH值、鹽離子作用、溫度和凝膠的交聯(lián)度等［2］。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，在不考慮pH值、鹽離子、溫度的影響因素情況下，為改善常規(guī)凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和親水性，可通過引入新的纖維狀增強(qiáng)劑PVA來增加交聯(lián)密度、降低凝膠溶脹度［3-7］。PVA是一種具有水溶性的高分子聚合物，抗拉強(qiáng)度和成膜性良好，耐沖擊、耐磨，絕緣性良好，在形成凝膠的過程中，鏈間羥側(cè)基間形成的氫鍵締可形成纏結(jié)結(jié)構(gòu)，作用類似于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的交聯(lián)點(diǎn)［8-11］。PVA自交聯(lián)后形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對(duì)水凝膠機(jī)械強(qiáng)度的提高具有決定性作用［12］。

2.1 改進(jìn)凝膠體系的吸水溶脹特性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?duì)比體系改進(jìn)前后凝膠體系水浸泡強(qiáng)度損失情況。

樣品1：質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%聚丙烯酰胺，質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%PVA，交聯(lián)劑以及添加劑。

樣品2：質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.25%聚丙烯酰胺，添加交聯(lián)劑以及添加劑。

實(shí)驗(yàn)方法：按上述組分配比制備樣品1、樣品2，在90 ℃下清水浸泡，每隔一定時(shí)間取出測(cè)試黏度和溶脹倍數(shù)，繪制黏度、溶脹倍數(shù)隨時(shí)間變化曲線（見圖5、圖6）。

圖5 改進(jìn)體系黏度和溶脹倍數(shù)隨水浸泡時(shí)間變化關(guān)系

圖6 改進(jìn)體系初始、180 d水浸溶脹形態(tài)

與圖1對(duì)比，添加PVA顆粒后凝膠體系黏度增加30%以上，180 d后膨脹倍數(shù)小于1.7，黏度損失下降小于10%。實(shí)驗(yàn)表明，在常規(guī)凝膠中添加疏水材料能顯著提高凝膠強(qiáng)度、降低水浸溶脹度。

2.2 改進(jìn)體系水驅(qū)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

分別向1#、2#巖心注入2 PV的上述樣品1和樣品2凝膠，巖心置于90 ℃恒溫箱內(nèi)24 h待成膠，進(jìn)行200 PV的水驅(qū)實(shí)驗(yàn)，記錄不同時(shí)刻的驅(qū)替壓力，繪制驅(qū)替壓力、滲透率隨水驅(qū)體積變化曲線。

圖7 1#、2#巖心驅(qū)替壓力與水驅(qū)體積關(guān)系曲線

圖8 1#、2#巖心滲透率與水驅(qū)體積關(guān)系曲線

由圖7、圖8可知，在常規(guī)凝膠體系中引入了增強(qiáng)劑，其分子中存在的骨架結(jié)構(gòu)能很好地分散在凝膠中，和聚丙烯酰胺通過物理纏繞的方式結(jié)合在一起，起到了支撐作用，改善了凝膠強(qiáng)度，對(duì)大孔道及裂縫均有較好的物理堵塞作用，增強(qiáng)劑在水中溶解過程很緩慢，同時(shí)延長了凝膠在地層中的穩(wěn)定期限。物模實(shí)驗(yàn)中經(jīng)過200 PV水驅(qū)，常規(guī)凝膠對(duì)1#巖心的封堵率降低了57.8%，改進(jìn)凝膠對(duì)2#巖心的封堵率降低了22.7%。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）常規(guī)聚丙烯酰胺水凝膠在水中充分浸泡時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長會(huì)出現(xiàn)溶脹現(xiàn)象，致使凝膠黏度降低，影響施工效果，在常規(guī)聚丙烯酰胺水凝膠中添加可溶性高分子材料PVA能顯著提高凝膠強(qiáng)度、降低水浸溶脹度。

（2）調(diào)剖堵水屬于二次采油的配套技術(shù)，與化學(xué)驅(qū)油等三次采油技術(shù)相結(jié)合，即“2+3”技術(shù)，這種技術(shù)既能發(fā)揮調(diào)剖堵水提高波及系數(shù)的優(yōu)勢(shì)，又能發(fā)揮化學(xué)驅(qū)油提高洗油效率的優(yōu)勢(shì)，能更大幅度地提高油田采收率。

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（修改稿收到日期 2014-06-03）

〔編輯 景 暖〕

Evaluation and improvement of swelling characteristics of gel used for profile control

WU Gang,TIAN Limin,WANG Ketao,ZHU Guoliang,LI Shenghua,CHEN Shanfeng
（Huabei Oilfield Company,CNPC,Renqiu062552,China）

In view of the technical limitations of ordinary polyacrylamide hydrogel revealed gradually in the chemical profile control,a research was conducted on water soaking and viscosity loss of chrome crosslinking system and phenolic resin crosslinking system within a temperature range of 50 ℃ to 90 ℃;and following the basic theory of Darcy’s Law,a new soluble polymer material was introduced to improve the strength of ordinary gel crosslinking strength starting from increasing the crosslinking density and reducing gel swelling degree.The results show that,when gel is adequately soaked in water,its viscosity will decrease with the extension of reaction time,and that the gel has swelling function and its viscosity loses.Addition of PVA can easily create in-grid hydrogen bond or winding with polyacrylamide molecules,which plays the role of physical crosslinking point and improves the gel viscosity by 30%.After observation for 180 days,its viscosity loss is less than10%.The research results can provide technical support for solving interlayer contradictions and initiating the production potential of low-permeability sections.

profile control;gel;viscosity;soak;swell

吳剛，田利民，王克濤，等.調(diào)剖用凝膠的吸水溶脹特性評(píng)價(jià)及改進(jìn)［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：109-111，125.

TE357.4；TE39

：B

1000–7393（2014）04–0109–04

10.13639/j.odpt.2014.04.027

吳剛，1965年生。1989年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油地質(zhì)專業(yè)?，F(xiàn)為采油工程研究院副院長。電話：0317-2756901。E-mail：cyy_wug@petrochina.com.cn。