海上油田深部調(diào)驅(qū)用凍膠體系強(qiáng)度調(diào)控機(jī)制及運(yùn)移特性

何　宏，王業(yè)飛*，張　健，徐曉麗，唐恩高，朱玥珺

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100027；3.中海油研究總院，北京100027）

海上油田深部調(diào)驅(qū)用凍膠體系強(qiáng)度調(diào)控機(jī)制及運(yùn)移特性

何宏1，王業(yè)飛1*，張健2，3，徐曉麗1，唐恩高2，3，朱玥珺2，3

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580；2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100027；3.中海油研究總院，北京100027）

針對(duì)海上油田儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)、油層厚和井距大等特點(diǎn)，研制了一種適合于深部調(diào)驅(qū)的強(qiáng)度可控凍膠體系，即在常規(guī)有機(jī)酚醛凍膠基礎(chǔ)上，加入強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑叔丁基過(guò)氧化氫，調(diào)控凍膠強(qiáng)度。研究了叔丁基過(guò)氧化氫對(duì)凍膠體系成膠時(shí)間和強(qiáng)度的影響，利用掃描電鏡分析不同老化時(shí)間下凍膠的微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化機(jī)理，研究多孔介質(zhì)中靜態(tài)成膠后水驅(qū)壓力隨老化時(shí)間的變化，分析其在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移特性。結(jié)果表明，強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑對(duì)成膠時(shí)間影響不大，隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)和強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑質(zhì)量濃度的增加，在強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑和油藏溫度作用下，凍膠強(qiáng)度逐漸降低。常規(guī)有機(jī)酚醛凍膠加入強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑叔丁基過(guò)氧化氫，使其老化30 d后，凍膠的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞程度較高，能夠在多孔介質(zhì)中發(fā)生運(yùn)移。

海上油田凍膠強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑微觀結(jié)構(gòu)運(yùn)移特性

渤海油田屬于常規(guī)砂巖稠油油藏，具有儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)、膠結(jié)疏松等特點(diǎn)。隨著油田進(jìn)入中高含水期開(kāi)發(fā)階段，注入流體的長(zhǎng)期沖刷作用，再加上油藏沉積環(huán)境及非均質(zhì)性的影響，層間、平面矛盾越來(lái)越突出，注入井和采油井之間形成了優(yōu)勢(shì)滲流通道，注入的聚合物溶液在注采井組之間進(jìn)行低效或無(wú)效循環(huán)，出現(xiàn)竄流現(xiàn)象，采油井含水率上升加快，嚴(yán)重影響了聚合物驅(qū)開(kāi)發(fā)效果。調(diào)驅(qū)技術(shù)作為一項(xiàng)油田改善水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果、實(shí)現(xiàn)油藏穩(wěn)產(chǎn)的重要技術(shù)措施，已經(jīng)在中外高含水油田得到廣泛應(yīng)用［1-3］。針對(duì)海上油田儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)、油層厚和井距大等特點(diǎn)［4-6］，以及常規(guī)的有機(jī)酚醛樹(shù)脂凍膠深部調(diào)驅(qū)體系存在用量大、成本高等缺點(diǎn)［7-9］，筆者研究了一種適合于油藏深部調(diào)驅(qū)的強(qiáng)度可控式凍膠調(diào)驅(qū)體系，即在常規(guī)有機(jī)酚醛凍膠基礎(chǔ)上加入強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑叔丁基過(guò)氧化氫，研究強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的自發(fā)熱分解反應(yīng)和對(duì)凍膠成膠時(shí)間和強(qiáng)度的影響，分析凍膠體系的強(qiáng)度調(diào)控機(jī)制；并研究多孔介質(zhì)中靜態(tài)成膠后水驅(qū)壓力隨老化時(shí)間的變化，分析其在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移特性。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)藥劑與儀器

實(shí)驗(yàn)藥劑主要包括：聚合物FP，固含量為88.46%，相對(duì)分子質(zhì)量為2 200×104，水解度為24.35%；有機(jī)酚醛交聯(lián)劑，由間苯二酚與六亞甲基四胺組成，質(zhì)量濃度比為1∶4；助劑乙酸，分析純；強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑叔丁基過(guò)氧化氫，化學(xué)純；實(shí)驗(yàn)所用有機(jī)酚醛凍膠待成膠液配方為2 000mg/L聚合物、1 250 mg/L交聯(lián)劑和1 250mg/L助劑；實(shí)驗(yàn)用水為油田模擬注入水，其礦化度為1 678.83mg/L；Na+和K+質(zhì)量濃度為489.9mg/L，Ca2+質(zhì)量濃度為72.14mg/L，Mg2+質(zhì)量濃度為17.02mg/L，CO32-質(zhì)量濃度為63.0mg/L，HCO3-質(zhì)量濃度為414.94 mg/L，SO42-質(zhì)量濃度為19.18mg/L，Cl-質(zhì)量濃度為602.65mg/L。

實(shí)驗(yàn)儀器包括：UV2802型紫外分光光度計(jì)，尤尼柯上海儀器有限公司；METLER TOLEDO電子天平；DY-Ⅲ型多功能物理模擬裝置，江蘇南通華興石油儀器；平流泵，北京衛(wèi)星儀器廠；直徑為2.5 cm，長(zhǎng)度分別為10和100 cm的填砂管；安瓿瓶；Brookfield DVII型粘度計(jì)；JJ-1型攪拌器；恒溫水浴鍋；冷凍干燥器；掃描電子顯微鏡。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑質(zhì)量濃度測(cè)定方法

利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度［10-11］，其原理是在酸性條件下，叔丁基過(guò)氧化氫溶液能夠?qū)⒌矸邸饣k中的碘離子氧化生成碘，形成藍(lán)色絡(luò)合物，在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)存在吸光度峰值，在吸光度峰值波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度，在一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，吸光度與叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度之間呈線(xiàn)性關(guān)系。

測(cè)定步驟為：①取5個(gè)50mL容量瓶將其編號(hào)為1—5號(hào)，利用移液管分別加入1，2，3，4和5mL質(zhì)量濃度為1 000mg/L的叔丁基過(guò)氧化氫溶液；②向5個(gè)容量瓶中分別加入1mL濃度為0.5mol/L的標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液，混合搖勻；③再向5個(gè)容量瓶中分別加入5mL的淀粉—碘化鎘試劑，并用蒸餾水將50mL容量瓶定容到刻度線(xiàn)，將其混合；④顯色反應(yīng)100min后，用UV2802型紫外分光光度計(jì)測(cè)量5個(gè)容量瓶溶液波長(zhǎng)為300～1 100 nm的吸光度曲線(xiàn)，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)為580～585 nm時(shí)出現(xiàn)吸光度峰值，波長(zhǎng)較穩(wěn)定，最后選用測(cè)量波長(zhǎng)為582 nm；⑤用UV2802型紫外分光光度計(jì)在波長(zhǎng)為582 nm時(shí)測(cè)定5個(gè)容量瓶溶液的吸光度，以叔丁基過(guò)氧化氫質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

1.2.2成膠時(shí)間和凍膠強(qiáng)度確定方法

采用Sydansk的GSC（Gel Strength Codes）目測(cè)代碼法確定凍膠成膠時(shí)間和突破壓力梯度表征凍膠強(qiáng)度［12］。以?xún)瞿z強(qiáng)度達(dá)到F級(jí)的時(shí)間為成膠時(shí)間。利用長(zhǎng)度為10 cm的填砂管模擬油藏多孔介質(zhì)，測(cè)定凍膠在多孔介質(zhì)中的強(qiáng)度。凍膠突破壓力梯度測(cè)定方法［13］為：①利用80～120目的石英砂填制滲透率為2μm2的填砂管；②填砂管飽和水，計(jì)算孔隙體積，測(cè)定滲透率；③利用平流泵以1mL/min的速度注入2倍孔隙體積的聚合物凍膠待成膠液，在模擬油藏溫度57℃的恒溫水浴中放置待其成凍；④體系成膠后以1mL/min的速度水驅(qū)，當(dāng)填砂管出口端流下第1滴液體且以后不斷有液體流出，此時(shí)填砂管進(jìn)口端壓力表的讀數(shù)為凍膠的突破壓力，凍膠的突破壓力梯度即為凍膠的突破壓力與填砂管長(zhǎng)度的比值。

1.2.3聚合物凍膠的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)表征方法

利用掃描電鏡分析不同老化時(shí)間條件下的凍膠微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)［14-17］。掃描電鏡實(shí)驗(yàn)中首先用導(dǎo)電膠將干凈的毛玻璃片固定在冷凍臺(tái)上，然后滴入少量的聚合物凍膠；灌注液氮抽真空將樣品中的水分子升華除去，得到干樣；將制得的干樣置于一定真空度的高壓電場(chǎng)中，高壓電場(chǎng)使空氣電離，然后在干樣表面鍍上一層可以導(dǎo)電的金屬膜，噴金分2次進(jìn)行，每次30 s；將樣品從冷凍室中取出直接移入S-4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，對(duì)其進(jìn)行觀察并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑質(zhì)量濃度隨老化時(shí)間的變化關(guān)系

將不同質(zhì)量濃度的叔丁基過(guò)氧化氫溶液注入到安瓿瓶中，放置在溫度為57℃的恒溫水浴中，在不同老化時(shí)間后取出，并測(cè)定叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度（圖1）。由圖1可知，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，叔丁基過(guò)氧化氫溶液的質(zhì)量濃度逐漸降低，在油藏溫度下，叔丁基過(guò)氧化氫溶液的自發(fā)熱分解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度與老化時(shí)間之間具有良好的指數(shù)衰減關(guān)系，叔丁基過(guò)氧化氫溶液的半衰期與其初始質(zhì)量濃度無(wú)關(guān)。

圖1　不同老化時(shí)間條件下叔丁基過(guò)氧化氫溶液的質(zhì)量濃度（57℃）Fig.1　The concentration of tert-butylhydroperoxide atdifferentaging times（57℃）

2.2強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑質(zhì)量濃度對(duì)成膠時(shí)間和強(qiáng)度的影響

叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度對(duì)成膠時(shí)間的影響在油藏溫度下，研究叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度對(duì)體系成膠時(shí)間的影響（圖2）。由圖2可知，隨著叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度的升高，體系的成膠時(shí)間變化不大，這是因?yàn)樵谝欢囟葪l件下，叔丁基過(guò)氧化氫溶液自發(fā)分解釋放自由基，對(duì)體系成膠時(shí)間的影響較小。

圖2　叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度對(duì)成膠時(shí)間的影響Fig.2　The effectof the tert-butylhydroperoxide concentration on gelation time

凍膠強(qiáng)度隨老化時(shí)間和強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑質(zhì)量濃度變化規(guī)律在滲透率為2μm2的填砂管中分別注入2倍孔隙體積的不同強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑質(zhì)量濃度的聚合物溶液，等待其成膠液濃度體系時(shí)，再放置在油藏溫度下靜態(tài)成膠，每隔一段時(shí)間取出并測(cè)定其突破壓力梯度（圖3）。在強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑和油藏溫度作用下，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)和強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑質(zhì)量濃度的增加，強(qiáng)度可控式凍膠調(diào)驅(qū)體系強(qiáng)度逐漸降低。因此，凍膠調(diào)驅(qū)體系進(jìn)入地層后，當(dāng)凍膠調(diào)驅(qū)體系的突破壓力梯度與地層某一位置處壓力梯度相等時(shí)，凍膠調(diào)驅(qū)體系就停留在該位置使后續(xù)液流轉(zhuǎn)向；當(dāng)凍膠調(diào)驅(qū)體系在強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑和油藏溫度作用下，凍膠強(qiáng)度降低，在后續(xù)水驅(qū)作用下，向地層深部運(yùn)移，再次停留在與其突破壓力梯度相等的位置，實(shí)現(xiàn)更深部地層的液流轉(zhuǎn)向作用。

圖3　不同老化時(shí)間和叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度下凍膠的突破壓力梯度Fig.3　The breakthrough pressure gradientofgelatdifferent aging timesand various concentrationsof the tert-butylhydroperoxide

2.3凍膠微觀結(jié)構(gòu)

利用掃描電鏡研究有機(jī)酚醛凍膠和強(qiáng)度可控凍膠微觀結(jié)構(gòu)隨老化時(shí)間的變化，分析叔丁基過(guò)氧化氫對(duì)凍膠微觀結(jié)構(gòu)的影響。由圖4可知，加入與未加入強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑，凍膠初始結(jié)構(gòu)均為致密網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而老化30 d后，加入強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的凍膠三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞程度較高，導(dǎo)致凍膠強(qiáng)度降低。

圖4　在不同老化時(shí)間加入與未加入強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑的凍膠微觀結(jié)構(gòu)Fig.4　Themicriostructure ofgelwith and withoutgelstrength modifieratdifferentaging times

2.4多孔介質(zhì)中靜態(tài)成膠后運(yùn)移特性

利用多孔測(cè)壓巖心流動(dòng)裝置研究?jī)瞿z加入強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑后的運(yùn)移特性。多孔測(cè)壓填砂管的直徑為2.5 cm，長(zhǎng)度為100 cm，測(cè)壓點(diǎn)1和2與注入端的距離分別為30和70 cm。多孔測(cè)壓填砂管水測(cè)滲透率為2μm2，在其中以1mL/min的速度注入0.3倍孔隙體積的強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑制成膠液，油藏溫度條件下，恒溫72 h后靜置成膠后，測(cè)定填砂管不同位置處（注入端、測(cè)壓點(diǎn)1和測(cè)壓點(diǎn)2）壓力隨老化時(shí)間的變化（圖5），分析其在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移特性。

圖5　強(qiáng)度可控式凍膠調(diào)驅(qū)體系在多孔介質(zhì)中的運(yùn)移特性Fig.5　The transportpropertiesofpolymergelwith controllable strength in porousmedia

強(qiáng)度可控式凍膠調(diào)驅(qū)體系靜態(tài)成膠老化3 d后，注入端壓力升高，測(cè)壓點(diǎn)1和2的壓力基本不變，表明該體系不發(fā)生運(yùn)移；當(dāng)體系靜態(tài)成膠老化30 d后，注入端壓力略有降低，測(cè)壓點(diǎn)1和2壓力升高，表明該體系在多孔介質(zhì)中發(fā)生了運(yùn)移。

3　結(jié)論

在常規(guī)的有機(jī)酚醛凍膠基礎(chǔ)上，加入強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑叔丁基過(guò)氧化氫，進(jìn)行調(diào)控凍膠強(qiáng)度。在油藏溫度條件下，隨著叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度的升高，體系的成膠時(shí)間變化不大，表明叔丁基過(guò)氧化氫溶液對(duì)體系成膠時(shí)間的影響較小。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)和叔丁基過(guò)氧化氫溶液質(zhì)量濃度的增加，在強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑和油藏溫度作用下，叔丁基過(guò)氧化氫溶液自發(fā)分解釋放自由基，強(qiáng)度可控式凍膠調(diào)驅(qū)體系強(qiáng)度逐漸降低，起到調(diào)控凍膠強(qiáng)度作用。掃描電鏡分析不同老化時(shí)間凍膠微觀結(jié)構(gòu)可知，凍膠調(diào)驅(qū)體系老化30 d后，強(qiáng)度可控式凍膠的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞程度較高。當(dāng)強(qiáng)度可控式凍膠調(diào)驅(qū)體系靜態(tài)成膠老化30 d后，注入端壓力略有降低，測(cè)壓點(diǎn)1和2壓力升高，表明該體系在多孔介質(zhì)中發(fā)生了運(yùn)移。強(qiáng)度可控式凍膠調(diào)驅(qū)體系區(qū)別于常規(guī)的有機(jī)酚醛凍膠調(diào)驅(qū)體系，其能夠在油藏溫度和強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑作用下，調(diào)控凍膠強(qiáng)度，在孔介質(zhì)中逐級(jí)運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)作用。

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編輯王星

Strength controlmechanism and transport propertiesof polymer gel for deep profile controland oil disp lacement in offshoreoilfield

He Hong1，Wang Yefei1，Zhang Jian2，3，Xu Xiaoli1，Tang Engao2，3，Zhu Yuejun2，3

（1.SchoolofPetroleum Engineering，China University ofPetroleum（EastChina），Qingdao City，Shandong Province，266580，China；2.State Key Laboratory ofOffshoreOil Exploitation，Beijing City，100027，China；3.CNOOCResearch Institute，Beijing City，100027，China）

In view ofstrong reservoir heterogeneity，thick oil layers and largewellspacing in the offshore oilfield，a polymer gelwith controllable gelstrength for deep profile controland oildisplacementwas developed.Gelstrengthmodifier tert-butyl hydroperoxide（TBHP）was added into common organic phenolic resin gel to adjust the gel strength.The effects of the tert-butylhydroperoxide（TBHP）on gelation time and gel strengthwere studied.Themicrostructuresof the novelgelatdifferent aging timeswere observed by scanning electron microscopy（SEM）to analyze the gel strength changemechanism. The transportproperties of the novelgel in porousmediawere evaluated bymonitoring the pressure distribution duringwater flooding after gelation in porousmedia at differentaging times.Results show that the effectof gel strengthmodifier on gelation time is notobvious.As the aging time and gel strengthmodifier concentration increase，the gel strength decreases gradually under reservoir temperature and the gel strengthmodifier.Compared with the conventionalgel，the network structureof thenovelgel isdestroyedmore seriously and itcanmigrate in porousmediaafteraging for 30 d.

offshoreoilfield；polymergel；strengthmodifier；microstructure；transportproperties

TE357.43

A

1009-9603（2015）02-0098-05

2015-01-12。

何宏（1986—），男，江西撫州人，在讀博士研究生，從事油田化學(xué)及提高采收率研究。聯(lián)系電話(huà)：15954083096，E-mail：he hong1103@163.com。

王業(yè)飛（1968—），男，湖北天門(mén)人，教授，博導(dǎo)，從事油田化學(xué)及提高采收率研究。聯(lián)系電話(huà)：15953230699，E-mail：wangyf@up c.edu.cn。

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“海上稠油化學(xué)驅(qū)油技術(shù)”（2011ZX05024-004），長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助（IRT1294）。