張 洪,鄭繼龍,宋志學(xué),陳 平,胡 雪,趙 軍
(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司;2.中海油能源發(fā)展股份有限公司鉆采工程研究院:天津塘沽 300452)
交聯(lián)聚合物驅(qū)可充分發(fā)揮交聯(lián)聚合物的優(yōu)勢,實現(xiàn)高注入能力和大規(guī)模注入,對油藏內(nèi)部流體起到調(diào)節(jié)作用[1]。交聯(lián)聚合物驅(qū)不僅能起到調(diào)剖、堵水的作用,同時能調(diào)節(jié)層間或?qū)觾?nèi)矛盾,增加波及體積[2]。按聚合物使用濃度分類,交聯(lián)聚合物可分為2種:一是膠態(tài)分散凝膠或可流動凝膠等低濃度聚合物體系;二是弱凝膠調(diào)驅(qū)體系。
弱凝膠[3]是一種由低濃度聚合物和交聯(lián)劑形成的凝膠體系,可大幅度降低化學(xué)劑用量。大量研究表明,弱凝膠或膠態(tài)分散凝膠(CDG)深部調(diào)剖技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行,具有較好的應(yīng)用前景[4]。與常規(guī)聚合物相比,弱凝膠體系具有成膠時間長、成膠強(qiáng)度小、聚合物用量低、選擇性強(qiáng)、耐高溫高鹽、阻力系數(shù)和殘余阻力系數(shù)低、剪切穩(wěn)定性好、對地層不會造成永久傷害等特點[5]。
交聯(lián)弱凝膠驅(qū)油技術(shù)是在聚合物驅(qū)技術(shù)和凝膠堵水技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù),其驅(qū)油體系是一種由低濃度聚合物和交聯(lián)劑形成的以分子間交聯(lián)為主、分子內(nèi)交聯(lián)為輔的凝膠體系。宏觀上,凝膠線團(tuán)之間靠化學(xué)鍵作用連成整體;微觀上,凝膠線團(tuán)由聚合物分子交聯(lián)而成,線團(tuán)間靠化學(xué)鍵和氫鍵連接,這種連接受剪切作用后易破壞。因此,一方面交聯(lián)弱凝膠會對高滲通道產(chǎn)生封堵作用,使后驅(qū)流體流向改變,對低滲層中未波及或波及程度低的區(qū)域產(chǎn)生驅(qū)替作用,起到調(diào)剖作用;另一方面,由于凝膠線團(tuán)間靠少量化學(xué)鍵和氫鍵相連,在后續(xù)注入流體的推動下,凝膠線團(tuán)間的化學(xué)鍵和氫鍵易被破壞,使弱凝膠向儲層深部運(yùn)移。在運(yùn)移過程中,弱凝膠受地層剪切形成體積小的凝膠團(tuán),這些凝膠團(tuán)在向儲層深部運(yùn)移過程中會重新分布、聚集,從而改變多孔介質(zhì)中的微應(yīng)力分布,在后注驅(qū)替液粘滯力的作用下,對剩余油產(chǎn)生驅(qū)替作用[6]。
乳酸鈉,化學(xué)純,淄博天智化工有限公司;結(jié)晶氯化鋁,化學(xué)純,南通金鼎化工有限公司;檸檬酸三鈉,分析純,上海之臻化工有限公司;乙酸鈉,化學(xué)純,廊坊天科生物科技有限公司;硫脲,山東振華工業(yè)股份有限公司;聚丙烯酰胺,法國。
恒溫箱,揚(yáng)州華寶石油儀器有限公司;JJ-3六聯(lián)電動攪拌器,上海汗諾儀器有限公司;Sartorius電子天平,精度0.001 g;移液管;洗瓶;玻璃棒;燒杯;量筒等。
1)聚合物主劑的配制。根據(jù)所需溶液濃度及用量,稱取聚丙烯酰胺粉末,配制聚丙烯酰胺溶液母液,備用;將配制好的母液稀釋為所需的含量(文中百分?jǐn)?shù)均指質(zhì)量分?jǐn)?shù))。
2)交聯(lián)劑的制備。稱取一定量的檸檬酸三鈉、乙酸鈉、乳酸鈉和氯化鋁,加蒸餾水分別溶解在燒杯中,并分別移入250 mL的容量瓶中,配制成10%的鹽溶液。按物質(zhì)的量比為1∶1將氯化鋁分別與檸檬酸三鈉、乙酸鈉和乳酸鈉配制成交聯(lián)劑,并標(biāo)記為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,靜置3天后使用。
3)交聯(lián)劑種類的篩選。分別取一定量聚丙烯酰胺溶液(pH為7),各加入0.3%交聯(lián)劑Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,混合搖勻后裝入標(biāo)有代號的密封玻璃瓶中,放入65 ℃烘箱內(nèi)靜置,觀察其成膠情況。
4)交聯(lián)體與配位體物質(zhì)的量比的確定。配制物質(zhì)的量比不同的有機(jī)交聯(lián)劑,靜置3天后使用。聚丙烯酰胺含量為0.17%,混合搖勻后裝入標(biāo)有代號的密封玻璃瓶中,放入65 ℃烘箱內(nèi)靜置,觀察其成膠情況。
5)交聯(lián)劑含量的確定。配制含量為0.11%和0.17%的聚丙烯酰胺溶液,交聯(lián)劑中交聯(lián)體與配位體物質(zhì)的量比為1∶1,交聯(lián)劑含量分別為5%,8%,10%,12%,15%?;旌蠐u勻后裝入標(biāo)有代號的密封玻璃瓶中,放入65℃烘箱內(nèi)靜置,觀察其成膠情況。
6)交聚比的確定。加入0.1%硫脲為穩(wěn)定劑,聚丙烯酰胺含量為0.11%。交聚比為0.1%,0.2%,0.3%,0.4%,0.5%,混合搖勻后裝入標(biāo)有代號的密封玻璃瓶中,放入65 ℃烘箱內(nèi)靜置,觀察其成膠情況。
7)聚合物主劑含量范圍的確定。聚丙烯酰胺含量在0.05%~0.18%之間變化。交聚比為0.3%,硫脲加量為0.1%,混合搖勻后裝入標(biāo)有代號的密封玻璃瓶中,放入65℃烘箱內(nèi)靜置,觀察其成膠情況。
受條件限制,實驗采用目測分級方法評價弱凝膠成膠后的強(qiáng)度變化情況。成膠分級見表1[7]。
表1 凝膠強(qiáng)度代碼標(biāo)準(zhǔn)
配制含量分別為0.10%,0.12%,0.15%聚丙烯酰胺溶液。分別加入0.3%交聯(lián)劑Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,觀察其成膠情況,結(jié)果見表2。交聯(lián)劑I(即氯化鋁與檸檬酸三鈉配制的交聯(lián)劑)的交聯(lián)效果優(yōu)于其他2種交聯(lián)劑,能達(dá)到延緩交聯(lián)的目的。
表2 不同交聯(lián)劑的成膠情況
各種配位劑的配位能力不同,因而交聯(lián)劑的成膠情況也不同。配位劑配位能力的強(qiáng)弱一般用配位常數(shù)[8]來表示。表3列舉了幾種常用配位劑的配位常數(shù)。
表3 常用配位劑的配位常數(shù)
檸檬酸的配位常數(shù)高于乙酸和乳酸的配位常數(shù)。一般配位常數(shù)越高,配位體和交聯(lián)體形成的化合物穩(wěn)定性就越好,釋放交聯(lián)體的速度就越慢。由于檸檬酸三鈉的配位能力很強(qiáng),它能控制鋁離子的釋放速度,從而達(dá)到延緩交聯(lián)的目的。其他幾種配位劑配位能力相對較弱,在實驗條件下,不能達(dá)到延長交聯(lián)時間的目的。因此,本實驗采用檸檬酸鋁作為交聯(lián)劑。
有機(jī)交聯(lián)劑的交聯(lián)體與配位體之比對成膠性能有較大影響。配制了氯化鋁和檸檬酸鈉物質(zhì)的量分別為1∶1,2∶1和3∶1的有機(jī)交聯(lián)劑,靜置3天后使用。實驗中,聚合物含量為0.17%。將交聯(lián)劑與聚合物混合搖勻后裝入標(biāo)有代號的密封玻璃瓶中,放入65 ℃烘箱內(nèi)靜置,觀察成膠情況,結(jié)果見表4。
表4 交聯(lián)體與配位體的物質(zhì)的量比對成膠性能的影響
由實驗結(jié)果可知,當(dāng)有機(jī)交聯(lián)劑的交聯(lián)體與配位體的物質(zhì)的量比為1∶1時,配制的弱凝膠強(qiáng)度較好。一般而言,弱凝膠起始黏度要低,經(jīng)過一定時間后,達(dá)到一定黏度后方可保證其強(qiáng)度。
交聯(lián)劑含量對凝膠的成膠速度和強(qiáng)度的影響較大,因此通過實驗對交聯(lián)劑的含量進(jìn)行篩選。實驗中,聚合物含量為0.11%和0.17%,交聯(lián)劑中氯化鋁和檸檬酸鈉物質(zhì)的量為1∶1,交聯(lián)劑含量分別為5%,8%,10%,12%,15%,交聚比均為0.3%。將交聯(lián)劑與聚合物混合搖勻后裝入標(biāo)有代號的密封玻璃瓶中,在60 ℃恒溫條件下進(jìn)行實驗,結(jié)果見表5。
表5 交聯(lián)劑含量對成膠性能的影響
由表5可知,交聯(lián)劑的含量為8%~12%時,形成的弱凝膠效果較好。當(dāng)交聯(lián)劑含量低于8%時,交聯(lián)劑的有效成分偏低,因此交聯(lián)劑體系黏度低,達(dá)不到調(diào)剖的目的。當(dāng)交聯(lián)劑含量大于12%時,交聯(lián)劑體系中會出現(xiàn)多余的交聯(lián)劑分子,使體系不穩(wěn)定,長時間放置有脫水現(xiàn)象。
交聚比的確定可進(jìn)一步完善交聯(lián)劑的選擇和成膠結(jié)果。保持凝膠體系配方中其他組分加量不變,僅改變交聚比,體系成膠速率隨交聚比的增加而增大,交聚比過少時體系不能形成凍膠。
實驗中,加入0.1%硫脲作穩(wěn)定劑,聚合物含量為0.11%,實驗結(jié)果見表6。交聚比低于0.3%時,成膠緩慢;高于0.3%時,隨著時間延長凝膠有脫水現(xiàn)象。根據(jù)實驗結(jié)果并考慮經(jīng)濟(jì)成本,確定適宜的交聚比為0.3%。
表6 交聚比對成膠性能的影響
在交聯(lián)弱凝膠驅(qū)油提高采收率技術(shù)中,聚合物含量是確定凝膠成膠強(qiáng)度以及影響技術(shù)經(jīng)濟(jì)成果的關(guān)鍵參數(shù)[9]。因此,在室內(nèi)研究基礎(chǔ)上考察了聚合物主劑(聚丙烯酰胺)含量對交聯(lián)弱凝膠體系成膠性能影響,結(jié)果見表7。
表7 聚丙烯酰胺含量對成膠性能的影響
由表7可知,聚合物含量在0.08%~0.17%范圍內(nèi),均可形成穩(wěn)定性較好的弱凝膠,且隨聚合物含量增加,弱凝膠體系的成膠速度加快,形成的弱凝膠強(qiáng)度增加,穩(wěn)定性變好。當(dāng)聚合物含量高于0.17%時,形成的凝膠不穩(wěn)定,易脫水。當(dāng)聚合物含量低于0.08%時,形成的凝膠強(qiáng)度較低。根據(jù)實驗結(jié)果并綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本,確定聚合物主劑含量在0.08%~0.17%范圍內(nèi)。
1)研制的弱凝膠以聚丙烯酰胺為主劑,適宜的含量范圍是0.08%~0.17%;有機(jī)交聯(lián)劑的適宜含量為8%~12%,其中配位體檸檬酸三鈉與交聯(lián)體氯化鋁最佳物質(zhì)的量比為1∶1;適宜的交聚比為0.3%。
2)制得的弱凝膠具有較高的黏度和合適的成膠時間,可用于深部調(diào)剖。
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