聚合物凝膠改善水驅(qū)波及技術(shù)現(xiàn)狀及展望

(東北石油大學(xué) 黑龍江 大慶 163318)

聚合物凝膠改善水驅(qū)波及技術(shù)現(xiàn)狀及展望

何子昂

(東北石油大學(xué)黑龍江大慶163318)

聚合物凝膠體系以其優(yōu)秀的擴(kuò)大波及體積的效果已經(jīng)被廣大油田所應(yīng)用。按照組成成分和應(yīng)用條件，聚合物凝膠體系主要分為單體凝膠、聚合物凝膠和預(yù)交聯(lián)凝膠3種。最早使用的地下單體凝膠聚合堵水調(diào)剖劑為丙烯酰胺；傳統(tǒng)的地下交聯(lián)聚合物凝膠技術(shù)包括金屬交聯(lián)聚丙烯酰胺本體膠和有機(jī)交聯(lián)聚丙烯酰胺本體膠；預(yù)交聯(lián)凝膠體系包括預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒、微凝膠及透明水。基于對(duì)三大凝膠體系成分及應(yīng)用條件的分析，提出未來(lái)新型凝膠研究應(yīng)加強(qiáng)深部液流轉(zhuǎn)向用凝膠的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用于惡劣油藏環(huán)境凝膠的研制。

單體凝膠；地下交聯(lián)聚合物凝膠；預(yù)交聯(lián)凝膠；展望

一、引言

通過(guò)提高采收率技術(shù)提高油田產(chǎn)量已經(jīng)成為各大油田的首要任務(wù)。而油氣井出水是成熟油氣藏存在的主要問(wèn)題，有效地控制油氣井出水量對(duì)于該階段油田的穩(wěn)油控水具有十分重要的意義。油氣藏的非均質(zhì)性是油田采收率較低和含水過(guò)高的重要原因之一。目前通常采用注入化學(xué)劑從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大注入水波及體積進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)油降水的目的，如聚合物驅(qū)、聚合物-堿-表面活性劑復(fù)合驅(qū)、泡沫驅(qū)、凝膠堵水調(diào)剖等。其中，聚丙烯酰胺類(lèi)聚合物凝膠作為一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)有效的產(chǎn)品已得到廣泛應(yīng)用。聚合物凝膠主要通過(guò)改變液流轉(zhuǎn)向從而達(dá)到顯著降低產(chǎn)水率的目的。從應(yīng)用的角度講，聚合物凝膠可以分為兩類(lèi)：一是滲透率降低劑，二是相對(duì)滲透率改善劑(RPM)，又稱(chēng)為滲透率不均衡改善劑(DPR)。本文闡述目前國(guó)內(nèi)外常用凝膠體系的發(fā)展歷史及開(kāi)發(fā)過(guò)程，以便更好地了解每種聚合物凝膠體系的主要優(yōu)缺點(diǎn)，從而為管理者決策和科研人員研制更好的產(chǎn)品提供技術(shù)參考。

二、聚合物凝膠技術(shù)現(xiàn)狀

(一)地下交聯(lián)單體凝膠技術(shù)

丙烯酰胺單體凝膠是最早使用的地下聚合堵水調(diào)剖劑。該體系的優(yōu)點(diǎn)是未成膠前，交聯(lián)體系溶液的初始黏度很低，與水相似，因此很容易進(jìn)入地層。另外，由于丙烯酰胺具有毒性，是潛在的致癌物，因此哈里伯頓公司研制出一種低毒性的溫度敏感型單體凝膠體系，該體系在溫度高達(dá)93.3℃時(shí)成膠時(shí)間仍可控，在溫度高至148.9℃的環(huán)境下可以穩(wěn)定1年。這種膠體需要較高的單體濃度，在單體濃度低時(shí)，成膠后膠體微溶于水且強(qiáng)度較低，因而膠體對(duì)單體濃度要求高。因此有必要研制性?xún)r(jià)比更高的新型凝膠技術(shù)以滿(mǎn)足石油工業(yè)的需要。

(二)傳統(tǒng)地下交聯(lián)聚合物凝膠技術(shù)

20世紀(jì)70年代，Philips公司初次嘗試運(yùn)用部分水解聚丙烯酰(HPAM)和檸檬酸鋁合成地下聚合物凝膠，成為首個(gè)應(yīng)用調(diào)剖技術(shù)的公司。之后，地下聚合物凝膠調(diào)剖技術(shù)得到了更多的關(guān)注。這一類(lèi)凝膠體系由大分子聚合物和交聯(lián)劑組成。在內(nèi)部或外部刺激作用下，一個(gè)交聯(lián)劑分子與兩個(gè)鄰近的聚合物分子締合或配合，在油藏條件中形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在分子層面呈一種獨(dú)特的流體狀態(tài)，而在宏觀上則呈類(lèi)固態(tài)。

有機(jī)交聯(lián)聚丙烯酰胺體系。為了滿(mǎn)足惡劣環(huán)境下(如高溫、高鹽、高PH值)的凝膠處理需要，Chang等根據(jù)酚類(lèi)化合物和甲醛之間的交聯(lián)反應(yīng)合成了一種聚丙烯酰胺凝膠一些油田已應(yīng)用該體系進(jìn)行油氣井堵水和封堵誤射層。隨后研制的磺甲基酚醛樹(shù)脂系統(tǒng)有更高的抗鹽、抗堿能力，其成膠時(shí)間更長(zhǎng)，凝膠適用的PH值范圍也更大。然而，這兩種凝膠體系的交聯(lián)劑具有一定的毒性，因此應(yīng)用時(shí)需謹(jǐn)慎。為延緩有機(jī)交聯(lián)PAM凝膠體系的成膠反應(yīng)時(shí)間，Hutchins等開(kāi)發(fā)了一種在高溫油藏中應(yīng)用的有機(jī)交聯(lián)凝膠。該凝膠體系由HPAM和對(duì)苯二酚(HQ)與環(huán)六亞甲基四胺(HMTA)的交聯(lián)物合成。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，該凝膠體系在149℃下可穩(wěn)定12個(gè)月以上，在176.7℃下穩(wěn)定5個(gè)月以上。

(三)預(yù)交聯(lián)凝膠技術(shù)

盡管地下凝膠體系由于價(jià)格較低而得到廣泛應(yīng)用，但地下凝膠體系存在一些固有的缺點(diǎn)，如成膠時(shí)間難以控制，剪切降解導(dǎo)致膠凝作用存在不確定性，地層水的稀釋影響凝膠質(zhì)量等。為避免地下交聯(lián)體系存在的上述缺點(diǎn)，近年來(lái)，預(yù)交聯(lián)凝膠得到重視和推廣。該凝膠體系在地面設(shè)備中合成，為便于注入，一般采用顆粒形式注入地層，通過(guò)顆粒架橋或堆積等物理堵塞減小大孔道滲透率。這類(lèi)凝膠的熱穩(wěn)定性對(duì)于物理化學(xué)環(huán)境(PH值、礦化度、多價(jià)陽(yáng)離子、H2S、溫度和切應(yīng)變、剪切)不太敏感。注膠過(guò)程往往只注入一種成分，因此注入過(guò)程更簡(jiǎn)單。預(yù)交聯(lián)凝膠體系包括預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒、微凝膠及透明水(Bright WaterTM)。這幾種凝膠顆粒體系的主要區(qū)別在于顆粒大小、膨脹倍數(shù)和膨脹時(shí)間。所有用于堵水調(diào)剖的預(yù)交聯(lián)凝膠分散體系都屬于高吸水聚合物(SAP)。SAP為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可吸水但不溶于水，吸水后體積可膨脹10倍以上。

三、新型凝膠的開(kāi)發(fā)展望

水驅(qū)開(kāi)發(fā)油田注入水水竄是影響原油產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的主要問(wèn)題之一，因此，開(kāi)發(fā)低成本、適合多類(lèi)油田堵水調(diào)剖的凝膠體系十分關(guān)鍵。表1總結(jié)了現(xiàn)有的幾種常見(jiàn)凝膠體系的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍，包括地下凝膠、部分預(yù)交聯(lián)凝膠和預(yù)交聯(lián)顆粒凝膠。

(一)用于深部液流轉(zhuǎn)向凝膠的開(kāi)發(fā)

盡管地下交聯(lián)聚合物凝膠和凝膠顆粒作為深部液流轉(zhuǎn)向劑已經(jīng)得到了廣泛的研究，但要提高分流效率，還需要解決一些重要問(wèn)題。表2為幾種現(xiàn)有的深部液流轉(zhuǎn)向劑的對(duì)比。根據(jù)比較，認(rèn)為應(yīng)該在以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究工作。

1.地下交聯(lián)凝膠

關(guān)于地下交聯(lián)凝膠體系應(yīng)考慮以下問(wèn)題。①體系在油藏條件下的熱穩(wěn)定性。油藏條件主要指溫度、地層水礦化度(多價(jià)陽(yáng)離子濃度)和二氧化碳或硫化氫的存在。②交聯(lián)過(guò)程和在油藏中的成膠質(zhì)量。在注入聚合物、交聯(lián)劑和添加劑混合物的過(guò)程中，影響成膠過(guò)程和成膠質(zhì)量的因素有：泵送過(guò)程和通過(guò)孔喉時(shí)剪切力導(dǎo)致的聚合物性質(zhì)的改變、交聯(lián)體系各組分在地層中的吸附作用及相應(yīng)的層析分離、地層水稀釋導(dǎo)致的膠液成分改變及可能發(fā)生的pH值改變等。③凝膠體系對(duì)低滲透未波及帶的潛在損害。在成膠前，膠液與聚合物溶液性質(zhì)相似，根據(jù)聚合物驅(qū)油原理，聚合物比水更容易進(jìn)入低滲透地帶。如果成膠體系在未波及帶成膠，則會(huì)對(duì)地層造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，合理控制交聯(lián)體系在不同滲透層的注入量，對(duì)深部液流轉(zhuǎn)向技術(shù)的成功應(yīng)用具有十分重要的意義。

2.預(yù)交聯(lián)凝膠

預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒由于其自身的優(yōu)點(diǎn)而引起了廣泛研究和重視。然而，現(xiàn)有的產(chǎn)品仍具有一些局限性，阻礙了凝膠顆粒技術(shù)的發(fā)展。例如：毫米級(jí)顆粒在裂縫或者大孔道中的封堵作用有限。透明水和微米顆粒不能用于高滲透層的封堵。另外凝膠顆粒在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)機(jī)理及其評(píng)價(jià)方法還有待進(jìn)一步研究，這類(lèi)研究對(duì)凝膠顆粒的優(yōu)化將起到關(guān)鍵的推動(dòng)作用。

(二)惡劣油藏環(huán)境中的凝膠應(yīng)用

現(xiàn)有的凝膠體系通常無(wú)法在溫度高于100℃的油藏中保持1年以上，尤其當(dāng)聚合物(膠液主要成分)濃度低于0.5%時(shí)保持時(shí)間更短。但是，隨著常規(guī)油藏產(chǎn)量的降低，稠油油藏開(kāi)發(fā)更加重要，蒸汽驅(qū)是稠油油藏開(kāi)發(fā)最有效的手段，蒸汽驅(qū)過(guò)程中油藏溫度可升至300℃?，F(xiàn)有的低成本膠不適用于如此高的油藏溫度。另外，需研制適合高溫(90～170℃)高鹽(鹽濃度高達(dá)30%)油藏的低成本凝膠體系。

四、結(jié)語(yǔ)

聚丙烯酰胺聚合物凝膠在堵水、調(diào)剖等方面起到了顯著效果，提高了原油采收率。預(yù)交聯(lián)凝膠克服了地下凝膠的一些缺點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。凝膠體系的選擇主要依據(jù)油藏環(huán)境，包括地層溫度、壓力、礦化度、油藏巖性和地層流體性質(zhì)等。隨著聚合物凝膠體系應(yīng)用的增多及對(duì)其在多孔介質(zhì)中運(yùn)移機(jī)理研究的深入，聚合物凝膠在提高采收率中的應(yīng)用潛力將越來(lái)越大。

何子昂(1995-)，男，研究生，東北石油，研究方向油藏?cái)?shù)值模擬。