鉻凍膠調(diào)驅(qū)體系實驗研究

李桂峰

（中國石化中原油田分公司采油二廠，河南范縣 457532）

鉻凍膠調(diào)驅(qū)體系實驗研究

李桂峰

（中國石化中原油田分公司采油二廠，河南范縣 457532）

針對油藏非均質(zhì)性特點，進(jìn)行了鉻凍膠調(diào)驅(qū)實驗研究。研究表明：隨著聚合物濃度和交聯(lián)劑用量的增加，調(diào)驅(qū)體系成膠時間減小，體系的成膠強度和穩(wěn)定性增加；隨著促凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，調(diào)驅(qū)體系成膠時間和成膠強度增加，穩(wěn)定性隨交聯(lián)劑和促凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增加后減小。對優(yōu)選出的最佳成膠體系配方性能評價表明：體系的成膠時間和成膠強度隨著礦化度的增加均先減小后增加；隨著pH值的增加，體系的成膠時間增長，成膠強度先增加后下降。該體系的耐沖刷性好，最終采收率在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高21.26 %，在非均質(zhì)地層中具有良好的調(diào)驅(qū)效果。

鉻凍膠；體系優(yōu)選；性能評價；采收率

我國是世界上注水開發(fā)油田比例較高的國家之一，陸上各主要油田相繼進(jìn)入高含水采油期，綜合含水90 %以上，采出程度僅為30 %左右，大量原油剩余在地下[1–4]。我國油田多為陸相沉積，儲層非均質(zhì)嚴(yán)重，水驅(qū)不均的現(xiàn)象普遍存在，為了提高高含水期的水驅(qū)采收率，改善地層的非均質(zhì)性，常采用水井調(diào)剖和油井堵水的工藝技術(shù)來改善水驅(qū)開發(fā)效果[5–7]。眾多堵劑中，鉻凍膠是一種由聚丙烯酰胺與鉻的多核羥橋鉻離子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成的堵劑，具有成凍時間可調(diào)、強度可控、能封堵距井眼不同距離的特點[8–11]。本文以無機(jī)交聯(lián)劑CrCl3為研究對象，考察了礦化度、溫度、pH值等多個因素對鉻凍膠的影響，并研究了鉻凍膠的封堵及驅(qū)油能力。

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 實驗藥品

CrCl3，乳酸，部分水解聚丙烯酰胺（工業(yè)級），硫脲（分析純），氯化鈉（分析純），氯化鈣（分析純），目標(biāo)區(qū)塊脫水脫氣原油，模擬地層水pH值5.5，總礦化度14 000 mg/L，其中Na+含量12 000 mg/L，Ca2+含量 1 150 mg/L。

1.2 實驗材料

恒溫箱，平流泵，中間容器，布氏黏度計，恒溫水浴鍋，填砂管，壓力表，量筒，玻璃棒等。

1.3 調(diào)剖劑的制備

（1）交聯(lián)劑的配制：將一定量的 CrCl3溶解于水中，加入乳酸，攪拌溶解，在45 ℃恒溫箱中放置3 d后備用（隨著體系老化時間的延長，溶液中的環(huán)狀乳酸鉻三聚體含量增多，聚丙烯酰胺/交聯(lián)劑體系的成膠時間隨老化時間的延長而增加），可以觀察到交聯(lián)劑溶液從綠色變?yōu)樗{(lán)黑色。

（2）鉻凍膠的制備：取一定量已配好的聚丙烯酰胺母液和硫脲穩(wěn)定劑母液混合并稀釋，邊攪拌邊加入一定量配制好的交聯(lián)劑，繼續(xù)攪拌使交聯(lián)劑均勻分散在溶液中，得到一系列不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉻凍膠調(diào)剖劑。

2 體系成膠配方確定

2.1 聚合物濃度2 000 mg/L時成膠配方確定

實驗溫度為30 ℃，礦化度為14 000 mg/L，聚合物濃度2 000 mg/L的體系初始黏度14.7 mPa·s，設(shè)置了交聯(lián)劑和促凝劑不同配比的三組實驗：實驗1∶2 000 mg/L聚合物 + 0.2 %交聯(lián)劑 + 0.05 %促凝劑；實驗 2∶2 000 mg/L聚合物 + 0.3 %交聯(lián)劑 +0.09 %促凝劑；實驗3∶2 000 mg/L聚合物 + 0.4 %交聯(lián)劑 + 0.13 %促凝劑，成膠過程見圖1。

由于主劑聚合物溶液的濃度限制，以及高礦化度下聚合物分子鏈由于靜電屏蔽作用蜷縮嚴(yán)重，聚合物分子卷曲程度相對較高，導(dǎo)致聚合物分子間溶液的降黏特性明顯，宏觀上體系初期黏度較低，距離相對較大，起到交聯(lián)質(zhì)點橋梁作用的交聯(lián)劑不能很好發(fā)揮作用，體系成膠時間較長。實驗1和實驗2成膠強度達(dá)到8 000 mPa·s以上，成膠時間10~15 d，凍膠穩(wěn)定性較好。實驗1的交聯(lián)劑和促凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，黏度也略低于實驗2。對于實驗3，鉻凍膠黏度先增加，維持一段時間后急劇下降，主要原因是由于交聯(lián)劑和促凝劑用量過多，凝膠交聯(lián)過度，穩(wěn)定性下降，脫水現(xiàn)象嚴(yán)重，體系黏度降低。

圖1 交聯(lián)劑和促凝劑不同配比條件下體系黏度變化

2.2 聚合物濃度3000 mg/L時成膠配方確定

實驗溫度為30 ℃，礦化度為1 4000 mg/L，聚合物濃度3 000 mg/L的體系初始黏度38.0 mPa·s，設(shè)置了交聯(lián)劑和促凝劑不同配比的三組實驗：實驗4：3000 mg/L聚合物 + 0.2 %交聯(lián)劑 + 0.09 %促凝劑；實驗5：3000 mg/L聚合物 + 0.3 %交聯(lián)劑 + 0.13 %促凝劑；實驗6：3000 mg/L聚合物 + 0.4%交聯(lián)劑 +0.05%促凝劑，成膠過程見圖2。

圖2 交聯(lián)劑和促凝劑不同配比條件下體系黏度變化

可以看出，實驗6成膠時間為8~10 d，成膠強度達(dá)到12 000 mPa·s以上，鉻凍膠穩(wěn)定性較好。觀察20 d后，實驗4未能形成穩(wěn)定凍膠，黏度幾乎無變化；實驗5在觀察13 d后黏度緩慢增加，20 d后穩(wěn)定在2 000 mPa·s左右，并伴有促凝劑結(jié)塊沉淀現(xiàn)象。初步分析認(rèn)為，當(dāng)促凝劑用量相對交聯(lián)劑用量較大時（交聯(lián)劑與促凝劑比例小于3∶1），且在低溫（交聯(lián)劑及促凝劑分子反應(yīng)活化能降低，導(dǎo)致反應(yīng)緩慢或長時間不反應(yīng)）及大量二價金屬離子作用下，促凝劑難與交聯(lián)劑發(fā)生作用，兩者都失去交聯(lián)活性，長時間不交聯(lián)，促凝劑以沉淀形式出現(xiàn)，最終導(dǎo)致交聯(lián)失敗。將實驗1~6進(jìn)行匯總對比，見表1所示，可以看出:

（1）成膠強度隨聚合物濃度和交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低時（＜0.3%），其對交聯(lián)過程作用不明顯，當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.3%后，其交聯(lián)作用特性顯著增加。

（2）鉻凍膠穩(wěn)定性隨聚合物濃度的增加而增加，隨交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增加后減小，隨促凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加先增加后減小，減小原因均是由于過度交聯(lián)使凝膠產(chǎn)生脫水現(xiàn)象而降黏。

（3）交聯(lián)劑與促凝劑比例小于3∶1，在低溫高礦化度條件下，交聯(lián)劑和促凝劑不發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而不能與聚合物產(chǎn)生交聯(lián)。

（4）綜合考慮，最佳體系配方為：3000 mg/L聚合物 + 0.4 %交聯(lián)劑 + 0.05 %促凝劑。

3 凝膠體系性能評價

針對優(yōu)選出的體系：3000 mg/L聚合物 + 0.4 %交聯(lián)劑 + 0.05 %促凝劑，分別進(jìn)行礦化度、溫度、剪切速率等影響因素的考察。

3.1 礦化度影響

模擬地層水礦化度分別為 2 000 mg/L，3 500 mg/L，7 000 mg/L，15 000 mg/L，20 000 mg/L，30 000 mg/L，配制交聯(lián)體系溶液，調(diào)節(jié)溶液的 pH值為中性，觀察成膠情況。見圖3，礦化度20 000 mg/L體系小部分成膠，30 000 mg/L體系不成膠。

表1 地層水條件下不同聚合物濃度時成膠配方

由圖3可以看出，隨著礦化度的增加，成膠時間先減少后增加，鉻凍膠強度先增強后減弱；當(dāng)?shù)V化度超過20 000 mg/L，交聯(lián)體系不成膠。表明適量鹽的存在有利于交聯(lián)，因為鹽可以降低聚丙烯酰胺分子間的靜電排斥作用，從而加強分子間的交聯(lián)強度。當(dāng)體系中鹽的含量過少時，會使HPAM分子線團(tuán)過度擴(kuò)張，增加HPAM單分子球間的靜電排斥作用，從而使分子間的交聯(lián)強度變?nèi)?。鹽濃度過大時，會壓迫凝膠分子層，使水分子從凝膠分子層中脫出，大幅度降低未交聯(lián)溶液的黏度，使HPAM分子線團(tuán)收縮，不利于聚丙烯酰胺分子間的交聯(lián)反應(yīng)，破壞凝膠體系的穩(wěn)定性。

圖3 不同礦化度溶液對凝膠形成時間及黏度的影響

3.2 溫度影響

考察溫度對體系成膠情況的影響，結(jié)果見表2。由表2可以看出，在溫度為40~100 ℃時，均能形成一定強度的鉻凍膠，且隨著溫度的升高，成膠時間縮短，成膠強度增加；40~60 ℃內(nèi)生成的鉻凍膠體系最佳。

表2 溫度對體系成膠的影響

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時存在著一個最低能量(活化能)，低于此能量，物質(zhì)間不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。溫度太低時，聚合物分子和交聯(lián)劑分子熱運動的能量不足以克服反應(yīng)的活化能，交聯(lián)反應(yīng)不能進(jìn)行。隨著溫度的升高，分子間的碰撞加劇，有足夠的能量克服交聯(lián)反應(yīng)的活化能，溫度越高交聯(lián)反應(yīng)越劇烈，更容易形成連續(xù)性較強的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此，體系的最高成膠強度隨溫度的升高而增加，但溫度太高時，聚合物易發(fā)生熱氧化而降解；因此，高溫時形成的鉻凍膠體系的穩(wěn)定性有所下降。

3.3 pH值影響

改變成膠液的pH值，考察pH值對體系成膠強度的影響，結(jié)果見表3。

表3 pH值對體系成膠的影響

由表3可以看出，隨著pH值的增加，體系的成膠時間增長，成膠強度先增加后下降，pH值在5~6時，調(diào)剖劑成膠強度最好，膠體穩(wěn)定；因此，成膠液的最佳pH值應(yīng)為5~6。

3.4 封堵能力研究

封堵率和殘余阻力系數(shù)常用來表征凍膠的封堵性能。實驗采用單管模型，在一定溫度下測定注入凝膠前后的填砂管滲透率，封堵率為封堵前后滲透率之差比堵前滲透率，殘余阻力系數(shù)為封堵前后滲透率之比。封堵率越大，滲流阻力越高，殘余阻力系數(shù)越大，滲透率下降幅度越大，凍膠性能越好。實驗測定了 4組巖心的封堵率、殘余阻力系數(shù)（表 4）。

表4 封堵率、殘余阻力系數(shù)測定結(jié)果

由表4可以看出，調(diào)剖前水相滲透率具有較大差別，但調(diào)剖后基本保持在一定數(shù)值；在一定范圍內(nèi)，隨著巖心滲透率的增加，鉻凍膠的殘余阻力系數(shù)減小。經(jīng)過5 PV鹽水沖刷后，封堵率仍能達(dá)到98 %以上，具有很好的耐沖刷性。

3.5 提高采收率研究

利用滲透率級差為 7∶1的雙管并聯(lián)模型模擬地層的非均質(zhì)性，考察鉻凍膠提高采收率能力。飽和水、飽和油老化一定時間后水驅(qū)至含水率 98 %，注入0.3 PV的3 000 mg/L HPAM + 0.4 %交聯(lián)劑 +0.05 %促凝劑，在地層溫度下，侯凝24小時，后續(xù)水驅(qū)至含水率98 %，實驗結(jié)束。整個實驗過程每隔一定時間記錄產(chǎn)出液、產(chǎn)出油，計算采收率增值。

由圖4可以看出，在水驅(qū)階段，含水率和采收率均先上升并逐漸平穩(wěn)，高滲巖心分流率所占比例遠(yuǎn)高于低滲巖心，注入水90 %進(jìn)入高滲透巖心，而進(jìn)入低滲透巖心的注入水低于10 %，高、低滲巖心的水驅(qū)采收率分別為58.42 %和11.20 %，水驅(qū)綜合采收率33.26 %。注入凍膠后，含水率明顯下降，高低滲巖心分流率所占比例發(fā)生明顯改變，說明凍膠的注入有效的調(diào)整了滲流剖面，液流轉(zhuǎn)向低滲層，將低滲巖心中更多的液體驅(qū)替出來。后續(xù)水驅(qū)階段，綜合采收率進(jìn)一步上升，并逐漸穩(wěn)定，綜合含水率在下降一定幅度后逐漸回升并最終達(dá)到 100 %，低滲巖心的分流率仍明顯高于高滲巖心，說明凍膠具有良好的調(diào)剖作用和液流轉(zhuǎn)向能力。非均質(zhì)巖心的最終綜合采收率達(dá)到54.52 %，在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高了21.26 %，顯示出凍膠在非均質(zhì)地層中具有良好的調(diào)驅(qū)效果。

圖4 凍膠驅(qū)油實驗

4 結(jié)論

（1）調(diào)驅(qū)體系成膠時間隨聚合物濃度的增加和交聯(lián)劑用量增加而減??；隨促凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而略有增加，成膠強度隨聚合物濃度和交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。

（2）鉻凍膠穩(wěn)定性隨聚合物濃度的增加而增加，隨交聯(lián)劑和促凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增加后減小。

（3）優(yōu)選出的最佳體系配方：3 000 mg/L聚合物 + 0.4 %交聯(lián)劑 + 0.05 %促凝劑。隨著礦化度的增加，體系的成膠時間和成膠強度均先減小后增加。隨著pH值的增加，體系的成膠時間增長，成膠強度先增加后下降。

（4）隨著巖心滲透率的增加，鉻凍膠的殘余阻力系數(shù)減小，具有很好的耐沖刷性。實驗條件下，最終采收率在水驅(qū)基礎(chǔ)上提高了21.26 %，顯示出凍膠在非均質(zhì)地層中具有良好的調(diào)驅(qū)效果。

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TE357

A

1673–8217（2017）06–0112–04

2016–05–26

李桂峰，工程師，1972年生，1993年畢業(yè)于中原石油學(xué)校化工機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)主要從事三次采油工作。

編輯∶張 凡