耐溫耐鹽乳液聚合物凍膠在線調(diào)驅(qū)體系研制

張艷輝，陳維余，羅昌華，孟科全，朱立國，吳清輝，魏子揚

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

隨著海上油田注水開發(fā)的不斷深入，油田開發(fā)逐漸進入中高含水期，調(diào)驅(qū)措施已經(jīng)成為南海西部油田越來越重要的降水增油措施。隨著調(diào)驅(qū)技術(shù)在海上油田的不斷應(yīng)用，聚合物凍膠類調(diào)驅(qū)體系由于其良好的過篩管能力及封堵性能，逐漸得到推廣應(yīng)用[1]。但南海西部油田油藏溫度高，地層水和注入海水礦化度高，現(xiàn)有耐溫耐鹽聚合物凍膠體系無法實現(xiàn)在線注入，長期占用平臺大量空間，與修井作業(yè)沖突，已經(jīng)嚴(yán)重影響海上高溫高鹽油藏調(diào)驅(qū)技術(shù)的規(guī)模化實施。目前，海上油田聚合物凍膠在線調(diào)驅(qū)體系主要采用乳液聚合物與液體交聯(lián)劑，配套破乳及在線注入設(shè)備，實現(xiàn)調(diào)驅(qū)體系的在線注入。因此，海上油田急需能夠用于高溫高鹽油藏條件的在線調(diào)驅(qū)體系，降低調(diào)驅(qū)施工占用平臺空間，保證與修井作業(yè)能夠同時施工。

叔丁基丙烯酰胺磺酸(AMPS)，是在提高采收率用聚合物改性中被廣泛應(yīng)用的耐鹽單體，它與丙烯酰胺聚合后形成的AM-AMPS乳液型共聚物可作為耐溫耐鹽聚合物凍膠的主劑，使聚合物在高溫高鹽油藏條件下保持分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[2]，并可實現(xiàn)在線破乳、溶解[3]。復(fù)合酚醛樹脂交聯(lián)劑由酚醛樹脂交聯(lián)劑與穩(wěn)定劑組成,其中酚醛樹脂交聯(lián)劑是采用甲醛和苯酚形成的預(yù)縮聚體;穩(wěn)定劑是一種離子螯合劑，主要作用是通過螯合反應(yīng)，包裹部分高價金屬離子，如Ca2+、Mg2+等，降低高價金屬離子在高溫條件下，對凍膠體系穩(wěn)定性的影響，起到穩(wěn)定作用。

根據(jù)AMPS和酚醛樹脂預(yù)縮聚體分子結(jié)構(gòu)，認(rèn)為AM-AMPS乳液型共聚物分子中的酰胺基與酚醛樹脂交聯(lián)劑分子中的—CH2OH發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成整體的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而將水束縛在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，交聯(lián)反應(yīng)如圖1所示。

圖1 AM-AMPS乳液型共聚物和酚醛樹脂交聯(lián)劑的反應(yīng)機理

1 實驗部分

1.1 設(shè)備與材料

化學(xué)驅(qū)物理模擬裝置，海安石油儀器廠；恒溫烘箱，德國MEMMERT；SCOTT玻璃試樣瓶，油水分離裝置，巖心夾持器，石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)非均質(zhì)多層巖心(4.5 cm×4.5 cm×30 cm)，一維石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)均質(zhì)巖心(φ38 mm×100 mm)。

AM-AMPS多元乳液共聚物(ZJTP-01)，Mr=(1 000～1 200)×104，海油發(fā)展工程技術(shù)公司；復(fù)合酚醛樹脂交聯(lián)劑(ZJTP-04)，固含量20%～30%，海油發(fā)展工程技術(shù)公司；南海西部某油田原油，地下原油黏度0.71 mPa·s；某油田現(xiàn)場注入海水，水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 某油田注入海水性質(zhì)

1.2 實驗方法

1.2.1 凍膠體系成膠時間和成膠強度測定方法

按照不同配方比例濃度，配制乳液聚合物凍膠體系成膠液，在恒溫烘箱中靜置不同時間后，使用布氏黏度計測定不同恒溫時間后的試樣黏度。當(dāng)黏度達到最大值時，記錄凍膠體系恒溫時間，即為凍膠體系成膠時間，測定的黏度值即為凍膠體系成膠強度。海上調(diào)驅(qū)施工要求凍膠體系成膠時間在1～3 d可調(diào)，成膠強度在10～100 Pa·s可調(diào)，實驗用水為現(xiàn)場注入海水，實驗溫度為120 ℃。

1.2.2 凍膠體系物理模擬實驗方法

按照優(yōu)化后的凍膠體系濃度配制成膠液，通過化學(xué)驅(qū)物理模擬裝置，向巖心中注入一定體積的成膠液，測定調(diào)驅(qū)體系的注入性能。停止注入后，將巖心恒溫一定時間，再次水驅(qū)，測定調(diào)驅(qū)體系的封堵性能，物理模擬實驗流程見圖2，實驗用水為現(xiàn)場注入海水，實驗溫度120 ℃。

圖2 物理模擬實驗流程1—恒流泵；2—六通閥；3—中間容器；4、5—藥劑罐；6—精密壓力表；7—巖心夾持器；8—回壓閥；9—量筒

1.2.3 提高采收率性能評價

根據(jù)南海西部某油田地層特性，使用石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)非均質(zhì)多層巖心，評價凍膠體系在驅(qū)油實驗中的提高采收率增幅，實驗溫度為120 ℃。非均質(zhì)巖心各層基本參數(shù)見表2。

表2 巖心模型基本參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)剖劑成膠的影響因素

2.1.1 AM-AMPS乳液聚合物

AM-AMPS乳液聚合物是聚合物凍膠調(diào)驅(qū)體系的主劑，能夠在油藏溫度條件下，與酚醛樹脂交聯(lián)劑反應(yīng)形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。因此，乳液聚合物的濃度大小將影響凍膠的強度。復(fù)配不同含量的ZJTP-01與0.6%ZJTP-04，不同配方試樣的成膠時間、成膠強度和黏度保持率數(shù)據(jù)見表3。由表3可知，乳液聚合物含量增加，成膠時間降低，成膠后黏度上升，黏度保持率增加，熱穩(wěn)定性逐漸變好。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.2%時，6個月后黏度保持率超過85%，達到現(xiàn)場使用要求。這主要是由于乳液聚合物濃度增加后，增加交聯(lián)點，單位體積內(nèi)的交聯(lián)強度逐漸增加，從而提高交聯(lián)密度，增強三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主體強度[4]。當(dāng)濃度過低時，交聯(lián)密度下降，在高溫條件下，不足以保持長時間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，束縛水從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中逸出，從而造成凍膠脫水，黏度下降。因此，ZJTP-01的適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%～1.6%，現(xiàn)場應(yīng)用可根據(jù)目標(biāo)井調(diào)驅(qū)要求調(diào)節(jié)最佳濃度。

表3 AM-AMPS乳液聚合物濃度對凍膠的影響

2.1.2 酚醛樹脂交聯(lián)劑

酚醛樹脂交聯(lián)劑能夠在油藏溫度條件下與乳液聚合物反應(yīng)，為凍膠體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供交聯(lián)點，因此交聯(lián)劑濃度的高低將直接影響凍膠的成膠時間和成膠強度。復(fù)配不同含量的ZJTP-04與1.4%ZJTP-01，不同配方試樣的成膠時間、成膠強度和黏度保持率數(shù)據(jù)見表4。由表4可知，酚醛樹脂交聯(lián)劑濃度增加，成膠時間降低，成膠后黏度上升，黏度保持率增加，熱穩(wěn)定性逐漸變好。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%時，6個月后黏度保持率超過85%，達到現(xiàn)場使用要求。這主要是由于交聯(lián)劑濃度增加后，增加—CH2OH交聯(lián)點，單位體積內(nèi)的交聯(lián)強度逐漸增加，提高交聯(lián)密度，增強三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主體強度[5]。當(dāng)濃度過低時，交聯(lián)密度下降，聚合物分子中的酰胺基不能夠全部參與反應(yīng)，造成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)構(gòu)強度下降從而造成凍膠脫水，黏度下降。因此，ZJTP-04的適宜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%～0.8%，現(xiàn)場應(yīng)用可根據(jù)目標(biāo)井調(diào)驅(qū)要求調(diào)節(jié)最佳濃度。

表4 酚醛樹脂交聯(lián)劑濃度對凍膠性能的影響

2.1.3 溫 度

南海西部油田油藏溫度高是限制常規(guī)凍膠體系應(yīng)用的最主要因素，因此評價不同溫度條件下，乳液聚合物凍膠體系的性能指標(biāo)就顯得格外重要。復(fù)配1.4%的ZJTP-01、0.7%的ZJTP-04，在不同恒定溫度烘箱中放置，間隔一定時間測定成膠液試樣的黏度，不同溫度條件下試樣的成膠時間、成膠強度和黏度保持率數(shù)據(jù)見表5。由表5可知，實驗溫度增加，凍膠體系的成膠時間縮短，成膠強度小幅增加，6個月后黏度保留率小幅降低，但仍保持在95%以上，滿足現(xiàn)場使用要求。這主要是因為環(huán)境溫度增加，使凍膠體系的分子熱運動增加，分子在碰撞過程中相遇交聯(lián)的可能性增加[6]，且溫度能夠加快交聯(lián)反應(yīng)速率，直觀的反應(yīng)就是成膠時間縮短，成膠強度增大。

表5 實驗溫度對凍膠性能的影響

2.1.4 礦化度

南海西部油田主要使用過濾海水及生產(chǎn)污水開展注水開發(fā)，但海水及生產(chǎn)污水礦化度高，尤其是鈣、鎂離子含量高，將不可避免的對調(diào)驅(qū)體系的選擇造成影響，因此評價不同礦化度組合條件下，乳液聚合物凍膠體系的性能指標(biāo)也是十分重要的。使用不同礦化度模擬水，復(fù)配1.4%的ZJTP-01、0.7%的ZJTP-04，在120 ℃恒定溫度烘箱中放置，間隔一定時間測定成膠液試樣的黏度，不同礦化度條件下試樣的成膠時間、成膠強度和黏度保持率數(shù)據(jù)見表6。由表6可知，在60 000 mg/L礦化度以內(nèi)，實驗配液用水礦化度增加，成膠時間和成膠強度變化不大，且黏度保留率均保持在90%以上，滿足現(xiàn)場使用條件，說明該乳液聚合物凍膠體系耐鹽性能良好。

表6 礦化度對凍膠性能的影響

2.2 性能評價

實驗中，低強度配方(20～40 Pa·s)：1.2%乳液聚合物+0.6%復(fù)合交聯(lián)劑；中等強度配方(40～80 Pa·s)：1.4%乳液聚合物+0.7%復(fù)合交聯(lián)劑；高強度配方(>80 Pa·s)：1.6%乳液聚合物+0.8%復(fù)合交聯(lián)劑。

2.2.1 溶解性

利用攪拌法，考察不同溫度下的1.4%的乳液聚合物溶液黏度確定其溶解性能。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn):溫度由20 ℃上升至90 ℃，乳液聚合物溶液黏度由48 mPa·s下降至35 mPa·s。隨著溫度升高，乳液聚合物溶解后黏度降低，大于20 ℃時，黏度值低于50 mPa·s，黏度值越低，選擇性封堵性能越好，滿足調(diào)驅(qū)要求。

2.2.2 抗剪切性能

按照低、中和高強度凍膠體系配方要求，使用現(xiàn)場注入水配制成膠液，借助Waring高速剪切機對三種不同配方成膠液進行不同時間剪切，在120 ℃恒溫烘箱中放置一定時間，測定3種配方在剪切后的成膠時間及成膠強度，實驗結(jié)果見表7。由表7可知，3種強度配方成膠液經(jīng)過不同時間機械剪切后，凍膠成膠效果均較好，抗剪切能力較強，滿足調(diào)驅(qū)作業(yè)要求。

2.2.3 注入性能

使用現(xiàn)場注入水配制中等強度配方成膠液，利用凍膠體系物理模擬實驗方法，注入巖心中，記錄成膠液在巖心注入過程中各測壓點的壓力變化，測定新型乳液聚合物凍膠體系的注入性能，注入速度1 mL/min，溫度為120 ℃，結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著注入聚合物成膠液的增加，各測壓點壓力均有所增大，后趨于平穩(wěn)，說明成膠液能夠逐漸進入巖心深部，壓力平穩(wěn)后，壓力值低，說明乳液聚合物凍膠體系注入性能良好[7]。

表7 抗剪切性能評價

圖3 不同測壓點注入壓力與注入體積的關(guān)系

2.2.4 封堵性能

使用現(xiàn)場注入水配制中等強度配方成膠液，利用凍膠體系物理模擬實驗方法，注入巖心中0.3 PV體積凍膠，在120 ℃恒溫烘箱中放置2 d，待凍膠體系成膠后繼續(xù)水驅(qū)，測定后續(xù)水驅(qū)壓力，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著后續(xù)水驅(qū)不斷進行，各測壓點壓力逐漸增大，說明凍膠體系在后續(xù)水驅(qū)作用的沖刷下，逐漸向巖心深部運移[8]，并引起后部測壓點壓力升高，后續(xù)壓力趨于平穩(wěn)，且壓力相較注入過程上升明顯，說明乳液聚合物凍膠體系具有良好的封堵性能。

圖4 系不同測壓點注入壓力與注入體積的關(guān)系

2.2.5 選擇封堵性能

使用現(xiàn)場注入水配制中等強度配方成膠液，利用凍膠體系物理模擬實驗方法[9]，將高滲透率巖心與低滲透率巖心并聯(lián)，同時注入成膠液0.3 PV后，在120 ℃恒溫烘箱中放置2 d，待凍膠體系成膠后繼續(xù)水驅(qū)，分別測試不同巖心堵后的封堵率，結(jié)果見表8。由表8可知，乳液聚合物凍膠體系中等強度配方具有良好的選擇封堵能力，能夠優(yōu)先進入高滲層，剖面改善率達到99%以上,顯著改善吸水剖面。

表8 調(diào)驅(qū)體系封堵實驗結(jié)果

3 結(jié) 論

AM-AMPS乳液聚合物凍膠調(diào)驅(qū)體系能夠?qū)崿F(xiàn)耐溫130 ℃，耐鹽60 000 mg/L，耐二價離子2 000 mg/L，調(diào)驅(qū)性能良好，能夠滿足海上平臺在線調(diào)驅(qū)作業(yè)要求。