適用于海上油田的耐溫抗鹽速溶凍膠堵劑的研究

黎 慧 戴彩麗 魏子揚 王 凱 劉逸飛 丁琴芳

（中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580）

凍膠是溶液中的聚合物分子被交聯(lián)劑交聯(lián)形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體系，由于凍膠成本低，成凍時間和強度可調(diào)，可進行不同深度的封堵，因此廣泛應(yīng)用于堵水調(diào)剖［1-3］。但常用的鉻凍膠、鋯凍膠、鋁凍膠、復(fù)合交聯(lián)凍膠等耐溫能力和抗鹽能力有限［4-6］，在高溫高鹽油藏中，存在強度低、穩(wěn)定性差、成膠時間短等問題。此外，交聯(lián)用聚合物多為粉劑，分散溶解困難，導(dǎo)致現(xiàn)場施工不方便，難以滿足海上油田作業(yè)空間有限、作業(yè)時間短的特殊開發(fā)要求［7］。而南海西部潿洲12-1油田北塊屬于典型的高溫高鹽海上油田，非均質(zhì)現(xiàn)象嚴重并且二價金屬離子Ca2+、Mg2+含量高，注水開發(fā)過程中高滲孔道發(fā)育，導(dǎo)致注入水波及能力有限，常用的聚合物凍膠堵劑均不能滿足其注水開發(fā)過程中調(diào)剖堵水的需要。因此，需要針對目標油藏特點，研究一種具有速溶、耐溫抗鹽、施工簡單方便等特點的新型凍膠堵劑。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品與儀器

實驗藥品：乳液聚丙烯酰胺，相對分子質(zhì)量約為760×104，水解度低于20%，北京恒聚化工集團有限責任公司生產(chǎn)；單體交聯(lián)劑，河南濱海實業(yè)有限責任公司生產(chǎn)；穩(wěn)定劑PE，工業(yè)品；氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀、硫酸鈉，分析純，西隴化工股份有限公司生產(chǎn)；六水合氯化鎂、碳酸氫鈉，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；配制水為潿洲12-1油田北塊注入水，總礦化度33 351 mg/L，成分分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 潿洲12-1油田北塊注入水成分分析

實驗儀器：電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，上海南陽儀器有限公司生產(chǎn)；METTLER TOLEDO電子天平，廣州市利百特通用設(shè)備有限公司生產(chǎn)；BROOKFIELD黏度計，上海楚柏實驗室設(shè)備有限公司生產(chǎn)；JB50-S型數(shù)顯電動攪拌機，上海索映儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)；JJ-1電動攪拌器，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠生產(chǎn)；填砂管（直徑為2.5 cm，長度為20 cm）；高溫罐，安瓿瓶，酒精噴燈，注射器，燒杯等。

1.2 實驗方法

1.2.1 交聯(lián)體系配制 在一定濃度的加有適當穩(wěn)定劑的乳液型聚丙烯酰胺溶液中加入一定質(zhì)量分數(shù)的單體交聯(lián)劑，攪拌均勻后使用。

1.2.2 成膠時間確定 將配制的交聯(lián)體系加入安瓿瓶，封口，置于高溫罐中，放入130 ℃恒溫烘箱中恒溫，定期取出觀察。采用目測代碼法確定凍膠成凍時間。目測代碼法如下［8-9］：A.檢測不出連續(xù)凍膠形成：與不加交聯(lián)劑的聚合物溶液的黏度相同；B.高度流動凍膠：比不加交聯(lián)劑的相同質(zhì)量分數(shù)聚合溶液的黏度稍有增加；C.流動凍膠：將試樣瓶倒置時，大部分凍膠流至瓶蓋；D.中等流動凍膠：將試樣瓶垂直倒置時，只有少部分凍膠不流至瓶蓋；E.難流動凍膠：將試樣瓶垂直倒置，凍膠不能流至瓶蓋；F.高度變形不流動凍膠：將試樣瓶倒置，凍膠不能流至瓶蓋；G.中等變形不流動凍膠：將試樣瓶垂直倒置，凍膠向下變形至約一半的位置處；H.輕微變形不流動凍膠：將試樣瓶垂直倒置，只有凍膠表面發(fā)生輕微變形；I.剛性凍膠：將試樣瓶垂直倒置時，凍膠表面不發(fā)生變形。本實驗以凍膠強度級別穩(wěn)定的時間作為成凍時間。

1.2.3 凍膠強度的確定 通過目測代碼法測得的穩(wěn)定的強度級別作為成凍強度。

1.2.4 封堵性能測定 采用單管實驗?zāi)Ｐ?，將成膠液注入填砂管中，置于鼓風(fēng)恒溫干燥箱中，達到成凍時間，測定封堵后的滲透率。用封堵率表征堵劑的封堵性能，設(shè)初始滲透率為kw0，成凍后測定滲透率為kw1， 封堵率計算公式如下

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液聚合物性能評價

2.1.1 乳液聚合物的溶解性 用潿洲油田12-1北塊模擬水配制質(zhì)量分數(shù)為3.0%的乳液聚合物溶液，在30 ℃下，勻速攪拌聚合物溶液，每攪拌3 min測量樣品的黏度，直到黏度不再變化或變化很小，實驗結(jié)果如圖1。由圖1可看出，乳液聚合物溶液黏度隨著溶解時間增加而增大，充分溶解后溶液的黏度則趨于穩(wěn)定。實驗結(jié)果表明乳液聚合物在30 ℃下的溶解時間約為20 m in左右，比干粉狀聚丙烯酰胺的溶解時間短，符合海上油田現(xiàn)場施工要求。

圖1 乳液聚合物溶解時間

2.1.2 乳液聚合物的黏濃關(guān)系 采用潿洲12-1油田北塊模擬水配置乳液聚合物溶液，30 ℃下測定質(zhì)量分數(shù)為 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0% 的聚合物的黏濃關(guān)系曲線，實驗結(jié)果如圖2。由圖2可以看出，隨著乳液聚合物質(zhì)量分數(shù)的增加，相應(yīng)聚合物溶液的黏度呈上升趨勢，但整體黏度仍然較低，在常溫下便于泵送和施工。

圖2 乳液聚合物黏濃關(guān)系

2.2 凍膠堵劑配方優(yōu)化

凍膠體系在成凍過程中，其形態(tài)、黏度和流動狀況都在發(fā)生變化。當交聯(lián)體系未形成足夠強度的體相凍膠時，體系流動類似于黏性流體；當交聯(lián)時間足夠長，使得凍膠的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)得以形成，則凍膠流動具備彈性流體性質(zhì)。根據(jù)凍膠在形成過程中的不同階段，用凍膠的不同特征描述所對應(yīng)的強度等級。本實驗研究中，在130 ℃、地層水礦化度33 351 mg/L（鈣、鎂離子含量1 613 mg/L）條件下，考查了乳液聚合物與單體交聯(lián)劑加穩(wěn)定劑后的交聯(lián)體系的成凍性能及熱穩(wěn)定性能，其中單體交聯(lián)劑由MNE和REL組成，MNE和REL質(zhì)量分數(shù)比控制在1∶1。乳液聚合物、交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑PE的用量對凍膠成凍性能的影響見表2。

表2 乳液聚合物、交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑PE用量對凍膠成凍性能的影響（130 ℃）

由表2可看出，隨著乳液聚合物和交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)的增加，凍膠成凍時間縮短，凍膠強度增大。這是因為隨著聚合物和交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)的增加，分子之間相互纏繞的幾率增多；同時參加交聯(lián)的結(jié)點或提供交聯(lián)的結(jié)點增多，結(jié)點之間相互作用幾率增強，成凍時間變短，交聯(lián)體系由平面二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，強度增強［10-11］。從表2還可以看出，配制好的交聯(lián)體系在130 ℃下放置90 d，僅低質(zhì)量分數(shù)配方發(fā)生脫水現(xiàn)象，說明乳液聚合物凍膠具有較好的長期熱穩(wěn)定性，其耐溫能力可達130 ℃，適用地層水礦化度33 351 mg/L。因此，針對目標油藏條件，可選擇不同成凍時間和凍膠強度的凍膠配方進行深部調(diào)驅(qū)。較適宜的配方為：2.0%～3.0%乳液聚合物+0.6%～1.2%單體交聯(lián)劑+2.0%～3%穩(wěn)定劑PE。

2.3 凍膠的抗剪切性能

室溫條件下，將3.0%乳液聚合物+0.9% 單體交聯(lián)劑+3%PE的交聯(lián)體系放在轉(zhuǎn)速為1 000 r/min高速攪拌器中剪切，每隔10 m in取樣測定剪切后成膠液的黏度，并評價不同剪切時間的凍膠體系在130℃的成凍性能，與未剪切的凍膠體系的成凍情況對比，實驗結(jié)果見表3?？梢钥闯?，成膠液經(jīng)機械剪切后黏度下降90%左右，但130 ℃下形成的凍膠強度級別保持為F，成凍時間略有延長，與未剪切樣品具有相近的穩(wěn)定性，表明一定的剪切對體系的成凍時間和穩(wěn)定性影響不大，成膠液抗剪切能力較強。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是聚合物受到剪切時其分子鏈發(fā)生斷裂而變小，因此成膠液黏度降低，但乳液聚丙烯酰胺分子量不高，剪切造成的分子量降低幅度小，對交聯(lián)反應(yīng)和凍膠化作用的影響較?。?2-13］。

表3 剪切對凍膠成凍的影響

2.4 凍膠的封堵性能

用潿洲12-1油田北塊模擬水配制不同質(zhì)量分數(shù)的乳液聚丙烯酰胺溶液，加入不同質(zhì)量分數(shù)的交聯(lián)劑，固定穩(wěn)定劑PE質(zhì)量分數(shù)為3%，形成不同配方的凍膠體系。采用單管填砂模型，在填砂管中充填不同粒徑的砂，得到不同滲透率的模擬巖心。實驗時先將填砂管水驅(qū)至穩(wěn)定，測定填砂管堵前滲透率，然后在填砂管中注入0.3 PV的凍膠成膠液，密封置于130 ℃烘箱中待其成凍后，再轉(zhuǎn)水驅(qū)，穩(wěn)定后測定填砂管的堵后滲透率，測其對地層的封堵率，實驗結(jié)果見表4。由表4可知，該凍膠體系具有較強的封堵能力，封堵性能可以滿足現(xiàn)場深部調(diào)驅(qū)作業(yè)的需要，并且凍膠體系的封堵率隨著聚合物與交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，因為在其余條件相同的條件下，凍膠強度隨聚合物和交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，凍膠強度的增加必然增加該凍膠體系的封堵率。

表4 凍膠封堵性能

2.5 凍膠的耐沖刷性能

采用單管模型，測定凍膠的耐沖刷性能。向滲透率約為0.3 D的填砂管中注入0.3 PV不同配方的成膠液，分別為配方1：2.0%乳液聚合物+0.6%交聯(lián)劑+3.0%PE，配方2：2.5%乳液聚合物+0.6%交聯(lián)劑+3.0%PE，配方3：3.0%乳液聚合物+0.6% 交聯(lián)劑+3.0%PE，將填砂管密封置于130 ℃烘箱中，待成膠液成凍后水驅(qū)多個孔隙體積，測定壓力，觀察堵后壓力隨注入孔隙體積的變化趨勢，實驗結(jié)果見圖3。

圖3 壓力隨注入孔隙體積的變化

由圖3可知，隨著水驅(qū)體積的增加壓力先上升后下降。注入體積為0.15 PV左右時壓力達到最大，此時達到突破壓力；超過0.15 PV，水流重新沖出孔道，因此壓力下降；注入1 PV后壓力基本不變。未注入凍膠前，地層的壓力應(yīng)維持在0.02 MPa左右，注入凍膠后壓力一直維持在0.5 MPa以上，封堵率大于95%，表明乳液聚合物凍膠具有良好的耐沖刷性能。

3 結(jié)論

（1）與常規(guī)干粉狀聚合物相比，乳液聚合物溶解時間短、地面黏度低、泵注性能好，可以實現(xiàn)在線配注，便于海上平臺施工操作。

（2）以乳液聚合物為主劑，研發(fā)了一種適用于海上油田的耐溫抗鹽速溶凍膠堵劑，耐溫130 ℃，礦化度為33 351 mg/L（鈣、鎂離子含量1 613 mg/L）的地層水條件下優(yōu)選堵劑配方為：2.0%～3.0%乳液聚合物+0.6%～1.2%交聯(lián)劑+2.0%～3%穩(wěn)定劑PE。

（3）堵劑長期熱穩(wěn)定性好，并且剪切對堵劑穩(wěn)定性影響不大；堵劑在高溫高鹽條件下具有較強的封堵能力及耐沖刷性能，可以滿足現(xiàn)場應(yīng)用的需求。

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