預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

于 萌, 鐵磊磊, 張 博, 李 翔, 劉文輝, 鄭玉飛

(中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)事業(yè)部 研發(fā)應(yīng)用部，天津 300450)

·綜合評(píng)述·

預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

于 萌, 鐵磊磊*, 張 博, 李 翔, 劉文輝, 鄭玉飛

(中海油田服務(wù)股份有限公司 油田生產(chǎn)事業(yè)部 研發(fā)應(yīng)用部，天津 300450)

綜述了預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑的實(shí)驗(yàn)室合成研究和礦場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了PPG性能改良(包括耐溫耐鹽性能、柔性彈性及小尺度智能材料及緩膨性能改良)及預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑在高鹽高溫油藏、低溫低鹽砂巖厚油層、聚驅(qū)應(yīng)用及復(fù)合使用弱凝膠封堵高滲區(qū)域和大裂縫中的應(yīng)用。并對(duì)預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。參考文獻(xiàn)48篇。

預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑; 合成； 調(diào)剖調(diào)驅(qū); 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用; 深部液流轉(zhuǎn)向; 綜述

預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)剖調(diào)驅(qū)技術(shù)是一項(xiàng)針對(duì)非均質(zhì)性強(qiáng)、高含水、存在大孔道發(fā)育的油田深部調(diào)剖、改善注水開發(fā)效果的技術(shù)。預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑遇油體積不變而吸水膨脹變軟，在外力作用下，發(fā)生變形運(yùn)移至地層深部，在高滲層或大孔道中產(chǎn)生流動(dòng)阻力，使后續(xù)注入水分流轉(zhuǎn)向，進(jìn)而達(dá)到深部調(diào)剖、提高波及體積、改善水驅(qū)效果的目的。經(jīng)過十多年的發(fā)展，預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。通過對(duì)預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑的實(shí)驗(yàn)室研制和礦場(chǎng)應(yīng)用的改進(jìn)和開發(fā)等方面開展系統(tǒng)的研究，可為提高調(diào)剖調(diào)驅(qū)效果、改善油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)提供一定的參考和依據(jù)。

本文對(duì)預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的合成方法進(jìn)行了概述，重點(diǎn)關(guān)注性能改良手段，在各類油藏調(diào)剖調(diào)驅(qū)中的應(yīng)用，并對(duì)其未來的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要展望。

1 預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑的合成進(jìn)展

近二十年來，國(guó)內(nèi)外研制了一系列用于調(diào)剖和調(diào)驅(qū)的預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑[1-7]。1996年，中國(guó)

Scheme 1

石油勘探開發(fā)研究院研究提出了采用預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒(PPG)用于深部調(diào)剖的技術(shù)研究課題[8-9]。2007年，白寶君等[10-13]使用單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑和粘土等材料合成聚合物-粘土復(fù)合凝膠，地層水下膨脹率從幾倍至100倍可控，耐溫達(dá)120 ℃，成為2009年后在中國(guó)應(yīng)用最廣泛的預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑類型，其主要過程見Scheme 1所示。

近20年，預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑的研究取得了重大進(jìn)展，新興的預(yù)交聯(lián)凝膠體系，使得反應(yīng)產(chǎn)物流動(dòng)性、可變形性、彈性、化學(xué)和熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，緩膨性能增強(qiáng)。本文依據(jù)常規(guī)PPG存在問題的類型，闡述了PPG性能改良的方法及其改進(jìn)后取得的效果。

1.1 耐溫耐鹽性能改良

針對(duì)常規(guī)預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒耐溫耐鹽性較差的缺陷，1996年，王富華等引入帶有苯環(huán)和磺酸基基團(tuán)的單體與丙烯酸鈉、丙烯酰胺等引發(fā)共聚合，研制了JAW水膨體，可以耐130 ℃的高溫[14]。

2004年，勝利油田的李云渤、張桂意[14-20]將HPAM溶于水中，調(diào)節(jié)pH至9～11，加入適量交聯(lián)劑及交聯(lián)促進(jìn)劑，再加入適量CaCO3和鈉土，攪拌均勻，于45 ℃反應(yīng)3 h制得膠狀產(chǎn)品，經(jīng)干燥、粉碎得到顆粒狀產(chǎn)物即水膨體。該吸水劑-無機(jī)復(fù)合材料耐溫達(dá)120 ℃、耐鹽達(dá)1.8×104mg·L-1，具有較強(qiáng)的吸附性、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

2005年，劉永兵等[21]使用丙烯酸、丙烯酰胺及丙烯腈在溶液中共聚，并以鈉土、滑石粉、高嶺土為無機(jī)添加劑，合成了耐鹽的有機(jī)/無機(jī)吸水樹脂。該吸水樹脂在自來水中吸水倍率為138.67 g·g-1，在質(zhì)量濃度為5%NaCl鹽水中為46.8 g·g-1，在0.3%CaCl2溶液中為14.17 g·g-1。該研究的創(chuàng)新之處在于明確了幾種無機(jī)材料對(duì)提高耐鹽性的貢獻(xiàn)大小為：滑石粉>鈉土>膨潤(rùn)土。

從降低界面張力的角度出發(fā)，2011年，Cui等[22]研制了一種新型凝膠顆粒，分子結(jié)構(gòu)包含部分交聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò)和部分星形支化聚合物鏈條。在鹽水中浸泡后，PPG既表現(xiàn)為吸水聚合物，又表現(xiàn)為水溶性聚合物，類似于可變形的粘彈性核外包裹粘性液體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以增加預(yù)交聯(lián)凝膠的抗溫和抗鹽性能。

針對(duì)傳統(tǒng)凝膠顆粒熱穩(wěn)定性不足、降解時(shí)間短的問題，2015年，Tongwa等[23]使用丙烯酰胺單體AM(98.5%)，加入適量的交聯(lián)劑PEG-200、納米粘土L-XLG(0.2%)及引發(fā)劑K2S2O8，制備了存在高密度三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的納米材料預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒，凝膠強(qiáng)度較常規(guī)凝膠增加294%，膨脹特性、粘度和熱穩(wěn)定性比常規(guī)凝膠提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)；剪切后，納米凝膠的粘度為4 437 cP(常規(guī)凝膠降解后粘度為170 cP)。

1.2 柔性彈性改良

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的柔軟、可變形屬性，2006年，劉玉章等[27]將34%含芳基新型單體、60%DAP酯類單體及5%輔料加入特制的捏合機(jī)中，攪拌升溫至5 ℃，再加入1%過氧化二苯甲酰BPO引發(fā)聚合及交聯(lián)，制得柔性堵劑膠體。該產(chǎn)品在120 ℃下，具有超強(qiáng)的形變能力，可任意擠壓、拉伸產(chǎn)生形變；堵劑進(jìn)入地層后，可在油藏溫度的作用下二次黏結(jié)，形成連續(xù)膠體。柔性堵劑的這種特點(diǎn)可以使其在封堵裂縫或大孔道時(shí)封閉堵劑自身的縫隙，并借助于優(yōu)越的變形能力在油藏水體的壓力作用下形變，填塞所需封堵的縫隙或孔道，從而產(chǎn)生比普通預(yù)交聯(lián)體膨顆粒高得多的封堵效果，已在多個(gè)油田推廣應(yīng)用[24-28]。

2011年，楊輝等[29]在實(shí)驗(yàn)室合成了一種可任意拉伸、彈性強(qiáng)、抗拉強(qiáng)度高(>0.290 kg·cm-2)、耐溫350 ℃且耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿的柔性顆粒。

1.3 小尺度智能材料改良

2015年，董明哲等[30-32]研制了柔軟的、小尺度的(微米或納米級(jí))、膨脹速率可控的B-PPG支鏈凝膠，支鏈起增粘作用，成功將預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的應(yīng)用擴(kuò)展到不具備高滲通道或裂縫的地層中。

毫米級(jí)預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒雖可降低高滲透條帶、裂縫、水驅(qū)產(chǎn)生的大孔道和縫洞的滲透率，但是由于其粒徑大小的限制及顆粒自身的封堵特點(diǎn)，凝膠顆粒在地層的適用性受到限制，且機(jī)械強(qiáng)度易降低。2016年，白寶君等[33]使用丙烯酰胺(10%～30%)、陰離子單體(10%～30%)、陽離子單體(5%～10%)、pH調(diào)節(jié)劑適量、引發(fā)劑(0.01%～0.5%)、交聯(lián)劑(0.001%～1%)、穩(wěn)定劑(0.1%～1%)及納米顆粒材料(0%～10%)合成了一種可再交聯(lián)的智能凝膠顆粒，該凝膠顆粒進(jìn)入地層后，顆粒之間可重新進(jìn)行交聯(lián)，形成橡膠狀的整體凝膠，由此實(shí)現(xiàn)更有效的封堵效果。

1.4 緩膨性能改良

為了解決傳統(tǒng)預(yù)交聯(lián)凝膠顆?？焖倥蛎浀膯栴}，2007年，Tang等[34]研制了延緩膨脹類顆粒凝膠，膨脹時(shí)間高達(dá)20 d。該顆粒易懸浮、在水中擴(kuò)散。膨脹后，彈性模量(G’)達(dá)104 Pa，高于普通的可膨脹顆粒轉(zhuǎn)向劑。

2005年，魏發(fā)林等[35]提出了一種膠囊化減緩水膨體膨脹速率的方法，以線性低密度聚乙烯為成膜材料，采用凝聚法制備了性能良好的緩膨顆粒。該顆粒開始出現(xiàn)膨脹的時(shí)間為30小時(shí)，緩膨作用是通過吸水面積的減少以及覆膜的阻擋作用實(shí)現(xiàn)的。

2009年，唐孝芬等[36-37]利用乳液聚合法在常規(guī)吸水網(wǎng)絡(luò)中引入控制吸水速度的高分子層，通過特殊工藝，制成吸水層與控制吸水層互相穿插的緩膨型水膨體，該系列水膨體緩膨時(shí)間為3～30 d，吸水體膨倍率為5～35倍，強(qiáng)度為20～60 kPa，于80 ℃長(zhǎng)期穩(wěn)定。該預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒在緩膨、提高強(qiáng)度和性能可調(diào)等方面均有了進(jìn)一步的改進(jìn)。

2013年，張建生等[38]在原料中引入了天然膠乳，制備的體膨顆粒浸水110 h后才開始膨脹，10 d后吸水倍率為50 g·g-1，耐溫性能提高。

2015年，李華斌等[39]研制了一種緩膨顆粒堵水劑，使用十二烷基苯磺酸鈉、NaCO3溶液、AM單體、引發(fā)劑合成。合成的聚合物為締合水溶性聚合物(空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受無機(jī)鹽影響小)，耐溫抗鹽性增強(qiáng)，由于疏水基團(tuán)的存在使凝膠顆粒膨脹速率減慢。

1997年，中石油勘探開發(fā)研究院提出將預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑用于調(diào)剖調(diào)驅(qū)技術(shù)，并于1999年在中原油田開展了預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)先導(dǎo)性試驗(yàn)。截止目前，中國(guó)大約有4 000口井使用預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑或?qū)⑵浠旌掀渌z，油藏條件涵蓋砂巖油藏和天然裂縫碳酸鹽油藏，溫度從20～120 ℃，地層礦化度從1 000～50 000 mg·L-1[40-41]。

2.1 在高鹽、高溫油藏的應(yīng)用

中原油田是典型的高溫高鹽油藏，其油藏溫度高達(dá)107 ℃，總礦化度達(dá)150 g·L-1；該條件下，任何低濃度的地下交聯(lián)凝膠均無法滿足熱穩(wěn)定性達(dá)到1年以上的要求。該油藏是砂巖油藏，平均滲透率是121 mD。 1979年開始水驅(qū)，從注水井剖面看出縱向非均質(zhì)性嚴(yán)峻。自1999年起，在兩口臨井中開展預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒調(diào)剖調(diào)驅(qū)試驗(yàn)，該兩口井連接三口生產(chǎn)井。通過對(duì)比措施前后中心生產(chǎn)井產(chǎn)油量的變化，采取預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑處理后增油控水效果明顯，之后預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑成為該油田的首選調(diào)驅(qū)技術(shù)[42-43]。

2.2 在低溫、低鹽砂巖厚油層的應(yīng)用

大慶油田地層溫度約45 ℃，礦化度約4.5 g·L-1，基于測(cè)井資料，油藏非均質(zhì)系數(shù)少于0.7。大慶油田的PPG應(yīng)用始于2000年。選取的注入井是興北油田的興-7-24井。剖面測(cè)試表明，約85%的注入水從高滲層通過。分4個(gè)階段共注入3 100 m3的預(yù)交聯(lián)凝膠懸浮物。措施后，注入壓力從最初的5 MPa上升至11.6 MPa，增油約2 400噸，含水率下降約8%。該技術(shù)成功應(yīng)用后，預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑在大慶油田得到廣泛應(yīng)用[44]。

2.3 聚驅(qū)應(yīng)用

預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑廣泛應(yīng)用于聚驅(qū)調(diào)剖措施中。于2002～2004年，國(guó)內(nèi)共對(duì)47口聚驅(qū)井采取預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)措施。例如，2003年，在大慶LMD油田，使用預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑對(duì)四口注入井采取措施。共向四口井注入18 400 m3的PPG。選取的4口注入井連通46口生產(chǎn)井，措施前平均含水率為95.4%，措施后含水率降低顯著，且有效性達(dá)半年以上，處理結(jié)果較成功[45]。

2.4 復(fù)合使用弱凝膠封堵高滲區(qū)域和大裂縫

由于單獨(dú)使用預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑封堵高滲通道的難度較大，因此，諸多油藏，如大港、中原和勝利油田，采用預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑和弱凝膠復(fù)合使用，用以增強(qiáng)預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑的處理效果。2003年，中原油田文12區(qū)塊8口井采用了混合注入的方式。措施后，產(chǎn)油量從150 t·d-1增加至190 t·d-1，遞減率從30.34%降至27.57%。 2006年在長(zhǎng)慶油田低滲裂縫油藏使用該復(fù)合注入技術(shù)，措施后注入壓力增加2.5 MPa，處理后產(chǎn)油量在13個(gè)月內(nèi)增至3 564 t[46-48]。

目前所用的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒尺寸普遍偏大，膨脹速率和倍數(shù)偏高，嚴(yán)重影響封堵半徑，甚至引起現(xiàn)場(chǎng)注入困難的問題；同時(shí)，高膨脹倍數(shù)的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒膨脹后強(qiáng)度大大降低，易破碎，特別是在大孔道或大裂縫中封堵的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒，因長(zhǎng)期受強(qiáng)水流的沖刷，一般有效期不超過一年；此外，膨脹后的預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒穩(wěn)定性不足，因此在凝膠調(diào)驅(qū)劑性能的改進(jìn)方面，需關(guān)注以下方面：

(1) 可考慮采用橡膠粉、塑料等材料作為預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的內(nèi)核。這類材料密度低，容易懸浮，耐溫性強(qiáng)，同時(shí)耐鹽性優(yōu)良，因此較適合用在高溫高鹽油藏中；另外，其強(qiáng)度明顯高于無機(jī)顆粒和體膨材料，適合用于封堵大孔道或裂縫性油藏。需要注意的是，內(nèi)核的粒度需根據(jù)油藏孔道大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，如針對(duì)大孔道可采用毫米級(jí)內(nèi)核，對(duì)低滲透油藏可采用微納米級(jí)內(nèi)核。

(2) 可考慮引入陽離子基團(tuán)作為合成預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的原料，顆粒上的陽離子可以和其它顆?；虻貙又械年庪x子結(jié)合，產(chǎn)生牢固封堵；同時(shí)，陽離子受礦化度影響較小，可擴(kuò)大凝膠顆粒的應(yīng)用范圍；此外，還需引進(jìn)耐溫耐鹽性增強(qiáng)和穩(wěn)定性更高的合成單體和交聯(lián)劑。

(3) 需進(jìn)一步優(yōu)化合成原料和合成工藝，研發(fā)膨脹速率可控、納微米尺度的凝膠顆粒，進(jìn)而將凝膠向相對(duì)低滲的儲(chǔ)層推廣。

(4) 根據(jù)油田和地層條件，可考慮將預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑與其它封堵技術(shù)結(jié)合使用，充分發(fā)揮各類調(diào)剖調(diào)驅(qū)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

(5) 需合成具有更高封堵強(qiáng)度且耐久性好的預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)劑：一種思路是制備二次交聯(lián)凝膠顆粒；另一種思路是將凝膠顆粒與表面活性劑復(fù)合使用，凝膠注入過程中，表活劑可改變裂縫附近巖石表面的潤(rùn)濕性，對(duì)提升凝膠處理效率有改善作用。

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Research Progress and Applications of Preformed Particle Gel

YU Meng, TIE Lei-lei*, ZHANG Bo, LI Xiang, LIU Wen-hui, ZHENG Yu-fei

(Application & Research Center, Oilfield Production Optimization, China Oilfield Services Co. Ltd., Tianjin 300450, China)

Laboratory studies and field applications of preformed particle gels(PPG) were reviewed with 48 references. This paper focused on improvements in preparation methods of PPGs(including progress in heat-resistant, salt resistant, and swelling rate controlled ability). Profile control treatments of PPGs in high-salinity, high-temperature reservoirs, thick low-temperature, low-salinity sand formations, polymer flooding reservoirs, and fractured reservoirs were presented in details. The future development was prospected as well.

preformed particle gel; synthesis; conformance control; field application; in-depth fluid diversion; review

2017-01-04；

2017-06-07

中海油“墾利油田群早期調(diào)驅(qū)控水技術(shù)研究”支持項(xiàng)目(YSB16YF001)

于萌(1989-)，女，漢族，山東青島人，碩士，主要從事化學(xué)材料的研究。 Tel. 022-59552386， E-mail: ymshida@126.com

鐵磊磊，工程師， Tel. 022-59552372， E-mail: tiell@cosl.com.cn

O632.1

A

10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2017.07.17001