海上油田剖面調(diào)整用分散共聚物顆粒體系的研制

于 萌， 鐵磊磊， 李 翔， 劉文輝

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300450）

油田長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)導(dǎo)致地層的非均質(zhì)性加劇，注入水沿高滲透層突入油井，導(dǎo)致油井含水率升高、產(chǎn)油量降低，增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)面臨的難度很大。注水井深部調(diào)剖是油田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要技術(shù)措施之一，但對(duì)調(diào)剖劑的要求較高。凍膠型堵劑具有成膠時(shí)間可調(diào)、成膠強(qiáng)度高和價(jià)格便宜的特點(diǎn)，在油田調(diào)剖作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但凍膠在注入地層的過(guò)程中受機(jī)械剪切、色譜分離和地層水稀釋等多種因素的影響，其成凍時(shí)間、形成凍膠的強(qiáng)度和進(jìn)入地層的深度難以控制，導(dǎo)致凍膠在地下的成膠效果變差，影響了調(diào)剖效果和有效期[1-7]。為解決以上問(wèn)題，將水膨體發(fā)展為地面成膠體系，解決了地下成膠效果不可控的問(wèn)題，但其初始粒徑較大、且制備工藝復(fù)雜，影響了其在海上油田調(diào)剖調(diào)驅(qū)中的應(yīng)用[8-12]。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)聚合物微球調(diào)驅(qū)技術(shù)很好地解決了上述問(wèn)題，但其采用乳液聚合方式進(jìn)行制備，要求引發(fā)時(shí)間、聚合時(shí)間及聚合溫度精準(zhǔn)，對(duì)制備設(shè)備要求高，制備工藝相對(duì)復(fù)雜，不能在線生成注入，且合成原料中包含表面活性劑，增大了制備成本[13-16]。

針對(duì)目前凍膠、水膨體和聚合物微球調(diào)剖存在的問(wèn)題，筆者采用機(jī)械剪切法制備了一種新的海上油田剖面調(diào)整用分散共聚物顆粒體系，不僅具有凍膠的特點(diǎn)，還不受地面剪切、稀釋和色譜分離等因素的影響，能夠變形進(jìn)入地層深部，封堵地層深部的大孔道，調(diào)整滲流剖面，實(shí)現(xiàn)深部液流轉(zhuǎn)向。同時(shí)，對(duì)制備工藝進(jìn)行了探索和優(yōu)化，為分散共聚物顆粒體系的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 分散共聚物顆粒體系的制備

根據(jù)共聚物黏度的變化情況，制備過(guò)程分為共聚物制備和分散共聚物顆粒制備2個(gè)階段。

1.1 共聚物的制備

化學(xué)材料：丙烯酰胺（AM），工業(yè)品；丙烯酸，工業(yè)品；N, N亞甲基雙丙烯酰胺（MBA），分析純；AMPS，分析純；其余試劑均為分析純。

以丙烯酰胺為主要原料，按比例加入其他添加劑，在水中溶解后置于65 ℃恒溫水浴中，聚合物進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，形成黏度極高的高分子聚合物。其交聯(lián)反應(yīng)式為：

共聚物形成階段分為引發(fā)階段、快速交聯(lián)階段和穩(wěn)定階段。共聚物成膠后，形成三維凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，黏度不再增加。單體AM質(zhì)量分?jǐn)?shù)選用3%～6%，AM與MBA的質(zhì)量比為250∶1～100∶1。不同AM/MBA質(zhì)量比的共聚物樣品合成時(shí)間及合成后的黏度如表1所示。

表 1 共聚物的制備參數(shù)Table 1 Preparation parameters of the copolymer

1.2 分散共聚物顆粒的制備

分散共聚物顆粒形成階段分為破碎階段、研磨階段和穩(wěn)定階段，研磨轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，研磨時(shí)間為3～15 min，制得不同粒徑分布的均一分散共聚物顆粒水相溶液。為了更好地了解影響分散共聚物顆粒制備的因素，測(cè)試了制備過(guò)程中體系黏度、粒徑分布的變化情況。

1.2.1 制備過(guò)程中黏度的變化

分散共聚物顆粒制備過(guò)程中，體系黏度的變化是表征其性能的主要指標(biāo)。研磨時(shí)間為1，5，10和15 min 時(shí)的黏度分別為 9.8，3.9，3.8 和 3.7 mPa·s。由此可以看出，將共聚物溶液（AM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，AM/MBA質(zhì)量比為250∶1）加入膠體磨中高速研磨，其黏度在 5 min 后就迅速降至 5.0 mPa·s以下，得到分散共聚物顆粒。

1.2.2 粒徑分布

使用馬爾文3000激光粒度儀測(cè)試分散共聚物顆粒溶液的粒徑分布情況，測(cè)量前使用蒸餾水將分散共聚物顆粒溶液稀釋至400 mg/L，每個(gè)待測(cè)樣品測(cè)3個(gè)平行樣，得到研磨時(shí)間對(duì)體系粒徑分布的影響結(jié)果，如圖1和表2所示。

圖 1 分散共聚物顆粒的粒徑分布隨研磨時(shí)間變化情況Fig.1 The change of particle size distribution of dispersed copolymer with grinding time

表 2 分散共聚物顆粒粒徑隨研磨時(shí)間的變化Table 2 Viscosity change of dispersed copolymer particles in grinding process

從圖1可以看出，研磨1 min時(shí)，體系的粒徑分布范圍較廣，平均粒徑為 1 520 μm；持續(xù)研磨 5 min后，體系的粒徑分布變窄，平均粒徑降至135 μm，說(shuō)明分散共聚物顆粒制備過(guò)程中，隨著研磨時(shí)間增長(zhǎng)，體系粒徑分布更為均一。另外，從表2可以看出，最大粒徑與最小粒徑的比值隨著研磨時(shí)間增長(zhǎng)而降低，進(jìn)一步驗(yàn)證了以上結(jié)果。

2 分散共聚物顆粒溶液性能評(píng)價(jià)

2.1 流變性測(cè)試

采用雙狹縫模型，剪切速率變化范圍為 1～1 000 s-1，測(cè)試質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的分散共聚物顆粒溶液的黏度隨剪切速率的變化情況。試驗(yàn)采用模擬墾利油田注入水，總礦化度 4 485.0 mg/L，鈣鎂離子含量為71.0 mg/L，pH 值為 7.34。使用 Anton Paar旋轉(zhuǎn)流變儀，測(cè)定了65 ℃下分散共聚物顆粒溶液的流變性能，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，在低剪切速率下，分散共聚物顆粒溶液的黏度隨剪切速率升高而降低；在中剪切速率下，其溶液黏度基本不受剪切速率的影響，呈現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì)；在高剪切流動(dòng)狀態(tài)下，其溶液黏度隨剪切速率升高而略有升高。分析認(rèn)為，在高剪切速率下，分散共聚物不斷重新排布、相互碰撞而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致黏度略有升高。剪切速率為 1～1 000 s-1時(shí)，3% 分散共聚物顆粒溶液的黏度低于 6.0 mPa·s；剪切速率為 7.34 s-1時(shí)，其溶液黏度為 1.1 mPa·s，略高于水。

圖 2 3%分散共聚物顆粒溶液的流變曲線Fig. 2 Rheological curve of 3% dispersed copolymer particles solution

2.2 分散穩(wěn)定性測(cè)試

使用Turbiscan多重光穩(wěn)定性分析儀，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的分散共聚物顆粒溶液放入分析儀中，每間隔15 min，對(duì)測(cè)試樣品從底部到頂部掃描一次，測(cè)試其背散射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)，并據(jù)此直接計(jì)算得到測(cè)試樣品的穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)。穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)累計(jì)了測(cè)試樣品所有光強(qiáng)的變化，反映了測(cè)試樣品的穩(wěn)定程度。穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)越大，測(cè)試樣品越不穩(wěn)定；穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)小于3.0時(shí)，測(cè)試樣品的穩(wěn)定性較好。采用高級(jí)分析模塊，計(jì)算分散共聚物顆粒溶液的穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)，得到其穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)隨時(shí)間的變化，如圖3所示。

圖 3 60 ℃下的分散共聚物顆粒溶液穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)測(cè)試結(jié)果Fig.3 The test results of stable dynamic index for dispersed copolymer particles solution at 60 ℃

從圖3可以看出，分散共聚物顆粒溶液的穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)指數(shù)小于3.0，性能較為穩(wěn)定，分散共聚物顆粒溶液從井口注入后運(yùn)移至井筒及近井地帶期間能夠保持良好的分散穩(wěn)定性能，不會(huì)發(fā)生沉降聚集。

3 封堵性和運(yùn)移性評(píng)價(jià)

3.1 封堵性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

采用填砂管驅(qū)替裝置，填砂管長(zhǎng)度50.0 cm，滲透率5 000 mD左右，測(cè)試相同用量條件下分散共聚物顆粒體系和聚合物凝膠體系在多孔介質(zhì)內(nèi)的封堵情況。在模擬地層溫度下，以2.0 mL/min的注入速度，分別注入1.0倍孔隙體積的分散共聚物顆粒體系和聚合物凝膠體系，記錄注入壓力的變化情況。后續(xù)水驅(qū)至壓力平穩(wěn)，記錄后續(xù)水驅(qū)階段壓力的響應(yīng)情況，結(jié)果如圖4所示。

圖 4 分散共聚物顆粒和聚合物凝膠體系入口壓力隨注入量的變化曲線Fig.4 Variation of inlet pressure of dispersed copolymer particles and polymer gel systems with the injection volume

從圖4可以看出，在用量相同條件下，注入1.0倍孔隙體積的1 500 mg/L聚合物凝膠體系時(shí)，注入壓力升至0.1 MPa；注入1.0倍孔隙體積的分散共聚物顆粒體系時(shí)，注入壓力升至0.5 MPa。后續(xù)水驅(qū)階段，2種體系均顯示出較高的殘余阻力系數(shù)，其中，聚合物凝膠體系的注入壓力升至0.9 MPa，分散共聚物顆粒體系的注入壓力升至2.8 MPa。

因此，滲透率大于5 000 mD的高滲透儲(chǔ)層進(jìn)行剖面調(diào)整時(shí)，在調(diào)剖劑用量相同的條件下，分散共聚物顆粒體系具有更低的注入壓力，即具有更優(yōu)的注入性能和更強(qiáng)的封堵能力。

3.2 模擬地層條件的長(zhǎng)填砂管運(yùn)移性試驗(yàn)

填砂模型封堵性試驗(yàn)結(jié)果表明，分散共聚合顆粒體系具有良好的封堵性能，為了更真實(shí)地反映其在地層條件下的封堵性，開(kāi)展了長(zhǎng)填砂管條件下的封堵運(yùn)移性試驗(yàn)。采用10.00 m填砂模型進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)移性試驗(yàn)，模型滲透率為6 009 mD，沿填砂管均布5個(gè)測(cè)壓點(diǎn)，評(píng)價(jià)其深部運(yùn)移及封堵性能。

試驗(yàn)時(shí)首先以1.5 mL/min的注入速度向填砂模型內(nèi)注入地層水，至模型內(nèi)部壓力平穩(wěn)；然后再以1.5 mL/min的注入速度向填砂模型內(nèi)注入1.0倍孔隙體積的分散共聚物顆粒體系；關(guān)閉注入端和采出端，在 65 ℃ 恒溫箱中放置 10 d，再以 1.5 mL/min 的注入速度向填砂模型內(nèi)注入后續(xù)水，記錄驅(qū)替過(guò)程中壓力的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖 5 后續(xù)水驅(qū)階段模型內(nèi)部壓力的變化Fig.5 Pressure change inside the model in the subsequent water flooding stage

從圖5可以看出，開(kāi)始注水后，各測(cè)壓點(diǎn)的壓力迅速上升；上升至一定壓力后，壓力逐漸降低；后續(xù)水突破后，距離注入端越遠(yuǎn)，壓力下降越緩慢。這說(shuō)明分散共聚合顆粒被注入水突破后，封堵體系在填砂模型內(nèi)仍保持良好的封堵性能。因此，在模擬地層條件下，分散共聚物顆粒體系對(duì)于滲透率大于5 000 mD的高滲透儲(chǔ)層具有良好的運(yùn)移性和封堵性。

4 結(jié)論與建議

1）通過(guò)采用特殊的交聯(lián)技術(shù)和分散技術(shù)，形成的高黏聚合物經(jīng)研磨后，制得納米-微米級(jí)的均一分散水溶液。

2）通過(guò)調(diào)節(jié)主劑AM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和AM/MBA的質(zhì)量比，可得到不同粒徑分布的分散共聚物顆粒溶液；其初始黏度可控制在10 mPa·s以內(nèi)，具有良好的注入性、深部運(yùn)移性和對(duì)高滲透儲(chǔ)層的有效封堵性能；制備的分散共聚物顆粒溶液經(jīng)高速剪切后，黏度和粒度變化較小，表現(xiàn)出良好的抗剪切性能。

3）分散共聚物顆粒體系的黏度可控，工藝上可實(shí)現(xiàn)在線注入，可進(jìn)入地層深部，對(duì)高滲透地層具有較好的封堵效果，可實(shí)現(xiàn)深部調(diào)剖。