一種復合凝膠堵水劑的研究

王代流 （中石化勝利油田分公司孤島采油廠，山東 東營257231）

李學佼，侯影飛 （中國石油大學（華東）化學工程學院，山東 青島288560）

油井出水是油田開發(fā)過程中普遍存在的現象，它不僅嚴重影響油井產量，減少原油的采出率，而且環(huán)境也會受到一定程度的影響。硅酸堵水劑具有耐溫耐鹽性能好、強度高、有效期長、成本低等優(yōu)點［1～3］，可以有效封堵油井的出水層位，達到降水增油的效果。硅酸堵水劑的缺點是在高溫下膠凝速度快［4～7］，這就影響了在油田井中的實際應用。

筆者針對硅酸膠凝堵水劑膠凝速度快、有機硅和硅酸鈉用量高等問題，進行了優(yōu)化研究，在降低有機硅和硅酸鈉用量的同時，實現凝膠時間在模擬地層溫度60℃下達到8h以上，這既降低了成本，又確保了增產效果。

1 試驗內容

1.1 試驗試劑

硅酸鈉，模數3.0；有機硅，固含量45%；孤島油田污水，懸浮物870～1250mg／L；磷酸，氯化銨，EDTA（防垢劑）分析純；去離子水，實驗室自制。

1.2 試驗方法

1）緩釋酸的配制 37.7gNH4Cl，80.6g緩釋劑，24.9g磷酸，856.8g水配制成1L酸液備用。

2）堵水劑的制備 先稱取一定量的甲基硅酸鈉、硅酸鈉，與污水混合；再加入0.15g EDTA，攪拌均勻；最后加入適量的緩釋酸，攪拌混合，常溫放置12h，觀察溶液變化。如果沒有膠凝，將混合液放入60℃的水浴鍋中加熱，觀察其膠凝時間和凝膠強度。

3）堵水劑性能的測試 將配制好的堵水劑移入恒溫水浴鍋中模擬地層溫度60℃，恒溫候凝至混合液形成具有一定強度的凝膠體。按文獻 ［8］中的凝膠強度等級劃分標準，通過觀察法確定堵劑的凝膠強度。

2 結果與討論

2.1 配方優(yōu)化

有機硅堵水劑配方：3～10mL有機硅＋5～15mL硅酸鈉＋10～40mL緩釋酸＋油田污水（總體積100mL），混合攪拌均勻。

2.1.1 不同硅源對凝膠性能的影響

考察不同硅源對凝膠性能的影響，如表1所示，在保證凝膠強度的前提下，加入有機硅可以提高堵劑凝膠的彈性。這是由于有機硅的主鏈十分柔順，其分子間的作用力比碳氫化合物要弱得多，因此，比同分子量的碳氫化合物黏度低，表面張力弱，當有機硅體積分數較高時，不易形成凝膠。而硅酸鈉黏結力強、強度較高，但當其體積分數較高時，形成的凝膠易碎。

2.1.2 硅酸鈉對膠凝時間的影響

當有機硅1.3mL，緩釋酸15mL時，硅酸鈉加量對膠凝時間的影響如表2所示，隨硅酸鈉加量的增加膠凝時間縮短。這是由于硅酸鈉的硅酸根離子遇H＋逐漸質子化，與有機硅形成二聚體，然后以相同的反應機制形成三聚體，直至形成具有空間體型的長鏈網狀結構的高聚體［9，10］。故硅酸鈉加量過低，則不足以形成高聚體；加量過高則膠凝速度過快，都不能達到要求。

2.1.3 有機硅對膠凝時間的影響

當硅酸鈉9.0mL，緩釋酸15.0mL時，有機硅加量對膠凝時間的影響如表3所示，隨著有機硅加量的增加，膠凝時間延長。當有機硅為1.5mL，硅酸鈉為9.0mL時，膠凝時間最長達到4.7h。這是因為有機硅的硅原子上充足的甲基將高能量的聚硅氧烷主鏈屏蔽起來，使得硅酸很難接近而發(fā)生聚合反應，從而降低了反應速率。因此，有機硅加量增加時，膠凝時間延長；而加量過高則很難形成具有良好強度的凝膠。

2.1.4 緩釋酸對膠凝時間的影響

當硅酸鈉7.5mL，有機硅1.4mL時，緩釋酸加量對膠凝時間的影響如表4所示，隨緩釋酸加量的增加，膠凝時間縮短。為適應高溫的需要加入緩釋劑以延遲膠凝，原因是緩釋劑的加入使得酸釋放H＋的速度減緩，整個反應速率降低。當緩釋酸加量過高時，即使釋放H＋速率緩慢，產生的H＋也足以產生硅酸進行聚合反應，膠凝時間短；而當緩釋酸加量過低時，則產生的H＋不足以參與反應，不能形成具有良好強度的凝膠。

表1 不同硅源對凝膠性能的影響

表2 硅酸鈉對膠凝時間的影響

表3 有機硅對膠凝時間的影響

2.2 膠凝時間

設計正交試驗，考察有機硅、硅酸鈉、緩釋酸3個因素（表5）。通過極差分析，有機硅1.5mL，硅酸鈉8.2mL，緩釋酸14.5mL時，膠凝時間最長（表6）。各因素對膠凝時間的影響大小順序為緩速酸、有機硅、硅酸鈉（表7）。

表4 緩釋酸對膠凝時間的影響

表5 正交試驗影響因素及因素水平取值

為了充分節(jié)約成本，在以上試驗結果的基礎上做了適當調整，當有機硅 1.5mL、緩釋酸 14.5mL時，減少硅酸鈉加量，當硅酸鈉加量在6.4～8.2mL時，膠凝時間均能達到13h以上。從經濟方面考慮，選擇硅酸鈉加量6.4mL為宜。因此，堵水劑優(yōu)化配方為有機硅1.5mL＋硅酸鈉6.4mL＋緩釋酸14.5mL＋EDTA 0.15g＋油田污水。

表6 正交試驗結果

表7 極差分析結果

3 結論

1）通過正交試驗分析了各因素對堵水劑膠凝時間的影響效果，堵水劑的最佳配方為有機硅1.3mL＋硅酸鈉6.4mL＋緩釋酸14.5mL＋EDTA 0.15g＋油田污水，膠凝時間13h。

2）堵水劑的設計既減少了硅源的用量，又保證膠凝效果，滿足現場施工強度，符合實際應用環(huán)境。

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