三元復(fù)合驅(qū)后微膨型封竄劑體系的研制及應(yīng)用*

吳晨宇

（1.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453；2.黑龍江省油氣藏增產(chǎn)增注重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163453）

目前，強(qiáng)堿/表面活性劑/聚合物三元復(fù)合驅(qū)（以下簡(jiǎn)稱為三元驅(qū)）技術(shù)被推廣應(yīng)用于大慶油田的礦場(chǎng)試驗(yàn)中［1-2］，取得了顯著效果，進(jìn)一步提高了水驅(qū)后原油的采收率。然而由于水驅(qū)油井固井質(zhì)量差、強(qiáng)堿三元驅(qū)注入井與水驅(qū)油井存在共射層等原因，部分井管外竄造成層間強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)體系竄槽嚴(yán)重［3-6］，造成極大浪費(fèi)，影響強(qiáng)堿三元驅(qū)的開發(fā)效果。由于強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)體系中的堿含量較高，常規(guī)的封竄劑體系在此環(huán)境中不成膠或成膠較弱，固化強(qiáng)度不高，封竄劑會(huì)出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，封堵長(zhǎng)期穩(wěn)定性無法保證［7］。利用水泥進(jìn)行封堵封竄后需進(jìn)行射孔，而且若封堵效果不理想還需進(jìn)行二次封堵，對(duì)套管損傷大，極大影響了封竄劑體系的封堵效果。本文通過調(diào)研封堵封竄劑［8-13］及相關(guān)技術(shù)［14-18］，并結(jié)合大慶油田三元驅(qū)區(qū)塊的特點(diǎn)［19-20］，開展了適合三元復(fù)合驅(qū)后的微膨型封竄劑體系研究，研究了封竄劑固化體在三元復(fù)合驅(qū)體系中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、封竄劑與三元復(fù)合驅(qū)體系的配伍性以及封竄劑在三元復(fù)合驅(qū)體系環(huán)境下對(duì)巖心的封堵性能，并在油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了封堵封竄試驗(yàn)，以驗(yàn)證三元復(fù)合驅(qū)后現(xiàn)場(chǎng)封堵封竄效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

微膨型封竄劑由主劑、交聯(lián)劑、增強(qiáng)劑、微膨添加劑等組成，主劑：經(jīng)過輻照后的丙烯酰胺與膨潤(rùn)土的接枝半共聚高分子衍生物混合物，大慶輻照中心；交聯(lián)劑：過硫酸銨，分析純，泉瑞試劑廠；增強(qiáng)劑：N，N-甲叉基雙丙烯酰胺，天津福晨化學(xué)試劑廠，分析純；微膨劑1：OP-10，有效含量≥99%，泉瑞試劑廠；微膨劑2：十二烷基苯磺酸鈉，化學(xué)純，沈陽市華東試劑廠；硬化劑：G 級(jí)水泥，大慶昆侖集團(tuán)水泥有限公司。聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量25×106，水解度28%，北京恒聚化工基團(tuán)有限責(zé)任公司；重烷基苯磺酸鹽（HABS），工業(yè)純，大慶助劑廠；NaOH，分析純，天津市巴斯夫化工有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為模擬地層水，礦化度8217.5 mg/L，主要離子質(zhì)量濃度（單位mg/L）：K++Na+2732.6，Ca2+11.6，Mg2+7.9，Cl-2101.6321.0實(shí)驗(yàn)用巖心為石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)人造巖心，直徑3.8 cm、長(zhǎng)度30 cm，滲透率1.357 μm2。

BHC-II型抽空飽和裝置，江蘇華安科研儀器有限公司；260D 型Isco 驅(qū)替泵，美國(guó)Teledyne 公司；Sundoo型電子數(shù)顯彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)，溫州山度儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）微膨型封竄劑懸浮液的配制

常溫下，將一定量的主劑加入模擬地層水中，充分?jǐn)嚢柚林鲃┩耆芙?，然后依次加入交?lián)劑、增強(qiáng)劑、微膨添加劑及硬化劑，體系呈均勻的懸浮液狀態(tài)后，將體系放置于45 ℃烘箱中。

（2）固化強(qiáng)度測(cè)定

將配制的微膨型封竄劑懸浮液置于標(biāo)準(zhǔn)模具中，待體系完全固化后，將其取出放于電子數(shù)顯彈簧拉壓試驗(yàn)機(jī)上，向下按壓手柄對(duì)單位面積的微膨型封竄劑進(jìn)行施壓，使封竄劑在高度上產(chǎn)生1 cm的形變，此時(shí)顯示屏上的承壓值即為該封竄劑的固化強(qiáng)度（單位N）。

（3）浸泡膨脹性測(cè)定

在45 ℃下，將封竄劑體系的固化體浸泡在三元復(fù)合驅(qū)體系（0.3% HABS+1.2% NaOH+0.2%HPAM）中，一段時(shí)間后測(cè)定固化體的強(qiáng)度和體積，由膨脹后體積與膨脹前體積之比計(jì)算膨脹倍數(shù)。

（4）長(zhǎng)期穩(wěn)定性

在45 ℃下，將封竄劑體系的固化體浸泡在5種不同濃度的三元復(fù)合驅(qū)體系中365 d，一定時(shí)間后測(cè)定固化體的強(qiáng)度和體積，以評(píng)價(jià)封竄劑固化體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

（5）配伍性實(shí)驗(yàn)

將主劑、交聯(lián)劑、增強(qiáng)劑、微膨劑及硬化劑依次加入5 種不同濃度的三元復(fù)合驅(qū)體系中，并攪拌均勻，測(cè)定固化時(shí)間和固化強(qiáng)度，根據(jù)固化情況評(píng)價(jià)封竄劑與三元復(fù)合驅(qū)體系的配伍性

（6）封堵性能測(cè)定

封竄劑在巖心中的封堵強(qiáng)度以突破壓力來表示。首先將巖心抽真空，水測(cè)滲透率，飽和三元復(fù)合體系，以注入速率2 mL/min 注入2 PV 的配制好的微膨型封竄劑，并在45 ℃恒溫箱內(nèi)候凝24 h；最后以注入速率0.1 mL/min 反向注入三元復(fù)合驅(qū)體系，驅(qū)替壓力從零開始直至出口端流出第一滴液體，記錄進(jìn)口端壓力即突破壓力（MPa）。實(shí)驗(yàn)采用恒速法，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程由壓力傳感器自動(dòng)采集壓力。

2 結(jié)果與討論

2.1 體系各組分含量?jī)?yōu)選

2.1.1 主劑含量?jī)?yōu)選及其對(duì)固化效果的影響

要保證封竄劑在油田現(xiàn)場(chǎng)可起到較好的封堵效果，其性能既要滿足固化時(shí)間的要求，又要滿足固化后強(qiáng)度的要求。配制配方為主劑+0.12%交聯(lián)劑+0.09%增強(qiáng)劑的封竄劑體系，不同主劑加量（分別為5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%）下的固化時(shí)間和固化強(qiáng)度見圖1。由圖1可以看出，固化時(shí)間隨主劑加量的增加而縮短，固化強(qiáng)度隨主劑濃度的增加而顯著增強(qiáng)；主劑加量低于13%時(shí)，固化時(shí)間隨主劑濃度增加而急劇縮短，當(dāng)主劑加量超過13%后，固化時(shí)間縮短的程度隨主劑濃率增加而趨于平緩。主劑加量越大，高分子衍生物在交聯(lián)劑作用下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)越充分，反應(yīng)速率越快，通過增強(qiáng)劑的連接形成三維網(wǎng)狀體，網(wǎng)狀體內(nèi)空間由更多帶有多價(jià)陽離子或極性基團(tuán)的分子填充，體系越穩(wěn)定。主劑加量超過17%后，隨主劑加量的增大，固化強(qiáng)度的增加幅度不明顯。由此，主劑加量范圍以13%～17%為宜，既可滿足固化時(shí)間要求又保證了固化強(qiáng)度。

圖1 主劑加量對(duì)固化時(shí)間和固化強(qiáng)度的影響

2.1.2 交聯(lián)劑加量對(duì)固化效果的影響

固定主劑加量為15%、增強(qiáng)劑加量為0.09%，不同交聯(lián)劑加量（0.06%、0.09%、0.12%、0.15%、0.18%、0.24%）下封竄劑體系的固化時(shí)間和固化強(qiáng)度見圖2。由圖2 可以看出，隨交聯(lián)劑加量的增大，固化時(shí)間縮短，固化強(qiáng)度增強(qiáng)。交聯(lián)劑加量超過0.12%后，隨交聯(lián)劑加量的增大，固化強(qiáng)度超過8 N 且增幅趨勢(shì)明顯，此變化趨勢(shì)表明交聯(lián)劑加量達(dá)到0.12%后，交聯(lián)劑加量的增大，促進(jìn)了更多的高分子衍生物參與交聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)速率增大，三維網(wǎng)狀體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，體系強(qiáng)度不斷增加。交聯(lián)劑加量超過0.18%后，封竄劑體系強(qiáng)度增加幅度放緩。由此，交聯(lián)劑加量以0.12%～0.18%較為合適。

圖2 交聯(lián)劑加量對(duì)固化時(shí)間和固化強(qiáng)度的影響

2.1.3 增強(qiáng)劑加量對(duì)固化效果的影響

固定主劑加量為15%、交聯(lián)劑加量為0.15%，不同增強(qiáng)劑加量下封堵劑的固化時(shí)間和固化強(qiáng)度見圖3。由圖3可以看出，增強(qiáng)劑加量對(duì)固化時(shí)間的影響較小，固化強(qiáng)度隨增強(qiáng)劑加量的增大而增強(qiáng)，但整體增幅比較平緩。增強(qiáng)劑加量超過0.075%（即增強(qiáng)劑占交聯(lián)劑劑質(zhì)量的50%）后，隨固化劑加量的增加，固化強(qiáng)度變化不大。此變化趨勢(shì)表明當(dāng)增強(qiáng)劑占交聯(lián)劑質(zhì)量的50%時(shí)，體系中多價(jià)陽離子或極性基團(tuán)與主鏈和增強(qiáng)劑上的極性基團(tuán)通過配位鍵或基團(tuán)的極性作用使得體系的穩(wěn)定性及強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，進(jìn)而形成了穩(wěn)定的高彈性橡膠狀封竄體，因此，增強(qiáng)劑加量定為交聯(lián)劑加量的50%較為合適。

圖3 增強(qiáng)劑加量對(duì)固化時(shí)間和固化強(qiáng)度的影響

2.1.4 微膨劑及硬化劑對(duì)封竄劑體系性能的改善

（1）微膨劑對(duì)體系性能的改善

封竄劑在三元復(fù)合驅(qū)體系中長(zhǎng)期浸泡后，會(huì)出現(xiàn)明顯的膨脹現(xiàn)象且體積顯著增加，其固化強(qiáng)度也會(huì)隨體積不斷增大而顯著降低，封堵強(qiáng)度隨之下降。微膨劑的加入可以改善封竄體系在三元復(fù)合驅(qū)體系中浸泡時(shí)的膨脹程度，解決注入過程中的封竄劑吸水膨化較快、膨脹體積過大的問題。選取OP-10、十二烷基苯磺酸鈉2 種微膨劑，向配方為15%主劑+0.15%交聯(lián)劑+0.075%增強(qiáng)劑的封竄劑體系中加入一定量的微膨劑，待體系固化后置于三元復(fù)合驅(qū)體系中10 d，不同微膨劑及加量下封竄劑體系的體積膨脹倍數(shù)見表1。由表1可以看出，浸泡膨脹倍數(shù)隨著微膨劑加量的增大而不斷減小：加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%～0.5%的微膨劑OP-10，封竄體系固化后在三元復(fù)合驅(qū)體系中浸泡10 d時(shí)的膨脹倍數(shù)＜1倍；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%～1.0%的微膨劑十二烷基苯磺酸鈉，封竄體系固化后在三元復(fù)合驅(qū)體系中浸泡10 d 時(shí)的膨脹倍數(shù)＜1 倍。

表1 不同微膨劑加量下封竄劑體系的體積膨脹倍數(shù)

封竄劑體系中引入OP-10或十二烷基苯磺酸鈉后，其在聚合物分子鏈中形成致密的水化溶劑層，水分子被更好地束縛在體系中，以此抗衡鹽離子的去水化作用。同時(shí)，酰胺基耐水解能力的大幅度提升也增強(qiáng)了金屬離子對(duì)聚合物分子鏈破壞的抵抗作用。

此外，OP-10 或十二烷基苯磺酸鈉能起到有效抑制酰胺基水解并增強(qiáng)熱穩(wěn)定性的作用，同時(shí)分子鏈的剛性不斷增加，使其耐堿性顯著提高，改善了HPAM 耐堿性差的缺陷，保證了封竄劑固化后在三元復(fù)合驅(qū)體系中的體積膨脹倍數(shù)可控。由此表明，加入OP-10或十二烷基苯磺酸鈉的封竄劑體系微膨性能較好，OP-10 加量定為0.3%～0.5%、十二烷基苯磺酸鈉加量定為0.8%～1.0%較為合適。

（2）硬化劑對(duì)體系性能的改善

在封竄體系中加入硬化劑，使得各組分更好地膠結(jié)在一起，增加封竄劑固化強(qiáng)度。向體系Ⅰ（15%主劑+0.15%交聯(lián)劑+0.075%增強(qiáng)劑+0.4%微膨劑1）和體系Ⅱ（15%主劑+0.15%交聯(lián)劑+0.075%增強(qiáng)劑+0.9%微膨劑2）中分別加入一定量（1%、3%、5%、7%）的硬化劑G 級(jí)水泥，待體系固化后置于三元復(fù)合驅(qū)體系中30 d，不同硬化劑加量下封竄劑體系浸泡不同時(shí)間后的強(qiáng)度和體積膨脹倍數(shù)見表2 和表3。固化強(qiáng)度隨硬化劑加量的增大而增強(qiáng)，硬化劑加量超過5%時(shí)，固化強(qiáng)度＞20 N，硬化劑的加入極大提升了封竄劑體系的固化強(qiáng)度。硬化劑加量在1%～3%范圍內(nèi)，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，固化強(qiáng)度明顯地下降；而硬化劑加量在5%～7%范圍內(nèi)，體系浸泡30 d后，強(qiáng)度下降幅度很小。封竄劑固化體在三元復(fù)合驅(qū)體系中浸泡30 d后，體積膨脹倍數(shù)隨硬化劑加量的增加而減小，硬化劑加量在5%～7%范圍內(nèi)，體積膨脹倍數(shù)＜1.5倍。硬化劑的自應(yīng)性能增加了體系的熱穩(wěn)定性，使得體積膨脹倍數(shù)達(dá)到可控。由此，硬化劑加量以5%～7%較為合適。

表2 硬化劑加量對(duì)封竄劑體系Ⅰ固化強(qiáng)度和體積膨脹倍數(shù)的影響

表3 硬化劑加量對(duì)封竄劑體系Ⅱ固化強(qiáng)度和體積膨脹倍數(shù)的影響

水泥作為一種水硬性膠凝材料，加入封竄劑體系后，增強(qiáng)了主劑與主劑、主劑與增強(qiáng)劑、增強(qiáng)劑與增強(qiáng)劑之間的連接，又限制了主體鏈段的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)，最終使封竄劑強(qiáng)度顯著增大。

2.2 微膨型封竄劑在三元復(fù)合驅(qū)環(huán)境中的性能

油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行封堵封竄施工后，有效期是衡量施工效果的一個(gè)重要指標(biāo)。由于竄流原因及竄流程度不同，管外竄導(dǎo)致三元復(fù)合驅(qū)替液的濃度也有所差異。利用聚合物、表面活性劑及堿配制5 種不同濃度的三元復(fù)合驅(qū)替液體系（見表4），用于進(jìn)行微膨型封竄劑長(zhǎng)期穩(wěn)定性及配伍性實(shí)驗(yàn)。

表4 不同濃度三元復(fù)合驅(qū)替體系組成

2.2.1 微膨型封竄劑在三元復(fù)合驅(qū)體系中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

在45 ℃下，將微膨型封竄劑體系Ⅰ（15%主劑+0.15%交聯(lián)劑+0.075%增強(qiáng)劑+0.4%微膨劑1+7%硬化劑）、體系Ⅱ（15%主劑+0.15%交聯(lián)劑+0.075%增強(qiáng)劑+0.9%微膨劑2+7%硬化劑）的固化體浸泡于5種不同濃度的三元復(fù)合驅(qū)替體系（見表4）中365 d，封竄劑固化體的強(qiáng)度和體積變化情況見表5。由表5 可以看出，兩種微膨型封竄劑固化體浸泡在三元復(fù)合驅(qū)體系中的強(qiáng)度隨三元復(fù)合驅(qū)體系濃度的增加而降低，在浸泡12 個(gè)月后，強(qiáng)度降低幅度在10%以內(nèi)，表明該封竄體系在不同濃度的三元復(fù)合驅(qū)體系環(huán)境中均保持較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，體系Ⅰ的強(qiáng)度穩(wěn)定性略優(yōu)于體系Ⅱ的。兩個(gè)體系的固化強(qiáng)度均＞20 N，浸泡12 個(gè)月后，強(qiáng)度最低仍能超過19 N，體積膨脹倍數(shù)＜1.5 倍，完全能夠滿足封堵強(qiáng)度的要求。

表5 封竄劑固化體在三元復(fù)合驅(qū)體系中長(zhǎng)期浸泡對(duì)強(qiáng)度和體積的影響

2.2.2 微膨型封竄劑與三元復(fù)合驅(qū)體系的配伍性

利用不同濃度的三元復(fù)合驅(qū)體系配制的微膨型封竄劑（體系Ⅰ：15%主劑+0.15%交聯(lián)劑+0.075%增強(qiáng)劑+0.4%微膨劑1+7%硬化劑、體系Ⅱ：15%主劑+0.15%交聯(lián)劑+0.075%增強(qiáng)劑+0.9%微膨劑2+7%硬化劑）的固化時(shí)間和固化強(qiáng)度見表6。由表6可以看出，隨著三元復(fù)合驅(qū)體系濃度的增加，兩種微膨型封竄劑體系的固化時(shí)間均有所減少，固化強(qiáng)度均有所降低，但整體降幅不大，仍保持了較高的固化強(qiáng)度。此外，在配制過程中沒有出現(xiàn)絮凝、分層等現(xiàn)象，微膨型封竄劑在不同濃度的三元復(fù)合驅(qū)體系中均勻懸浮，完全固化后亦沒有出現(xiàn)析出、脆化、破碎等現(xiàn)象，這表明微膨型封竄劑與三元復(fù)合驅(qū)體系的配伍性較好。

表6 微膨型封竄劑與三元復(fù)合驅(qū)體系的配伍性

2.2.3 微膨型封竄劑體系的封堵性能

微膨型封竄劑在三元復(fù)合驅(qū)體系環(huán)境下對(duì)巖心的封堵效果如表7 所示。由表7 可以看出，微膨型封竄劑體系在三元復(fù)合驅(qū)環(huán)境下對(duì)巖心的封堵能力較好，滲透率相差較大的2 組巖心封堵后的突破壓力均達(dá)到了10 MPa 以上，巖心封堵率超過97%。注入巖心中的微膨型封竄劑體系在三元復(fù)合驅(qū)替環(huán)境中固化后的膨脹體積適中，封堵強(qiáng)度未發(fā)生顯著下降。

表7 微膨型封竄劑對(duì)巖心的封堵效果

2.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)區(qū)塊內(nèi)生產(chǎn)井的采劑濃度高于全區(qū)平均值，含水回升速率也較全區(qū)平均值高，部分井竄流嚴(yán)重。隨著三元復(fù)合驅(qū)段塞的不斷注入，區(qū)塊采出井地層內(nèi)三元復(fù)合驅(qū)體系含量高，pH值也高，因此封竄體系必須適合三元復(fù)合驅(qū)后的地層環(huán)境，才能對(duì)竄流部位進(jìn)行有效封堵。

采用微膨型封竄劑對(duì)該區(qū)塊內(nèi)9口井進(jìn)行封堵封竄后，平均單井日產(chǎn)液下降10 m3，日產(chǎn)油增加0.68 t，含水下降2.0 百分點(diǎn)。以該區(qū)塊內(nèi)一口竄流較為嚴(yán)重的生產(chǎn)井進(jìn)行分析，其采出液中的聚合物和堿的濃度均高于全區(qū)平均值，采出液中表面活性劑的濃度跟全區(qū)濃度相當(dāng)。該井的含水高，采劑濃度高，存在優(yōu)勢(shì)滲流通道，導(dǎo)致竄流嚴(yán)重，造成注入的三復(fù)合驅(qū)體系無效循環(huán)。依據(jù)該井所在區(qū)塊的地質(zhì)概況及井組的特征，確定了進(jìn)行封堵封竄的選層原則及段塞組合設(shè)計(jì)原則，并進(jìn)行段塞組合優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用微膨型封竄劑對(duì)竄流層位進(jìn)行封堵，封堵后全井日產(chǎn)液降低30.3%；日產(chǎn)油最高增加1.58 t，含水下降4.1百分點(diǎn)，目前持續(xù)有效。該井產(chǎn)液剖面測(cè)試結(jié)果表明，措施后封堵層位產(chǎn)液比例由35.2%降至16.1%，非目的層吸液比例增加。隨后對(duì)三元驅(qū)注入井注入示蹤劑，對(duì)三元連通油井及可能存在竄流的水驅(qū)井取樣監(jiān)測(cè)，封堵井封堵后均未見示蹤劑檢出，這證明該微膨型封竄劑在三元復(fù)合驅(qū)環(huán)境下穩(wěn)定性好，能長(zhǎng)時(shí)間保持封堵強(qiáng)度及封堵效果。

3 結(jié)論

配方為13%～17%主劑（經(jīng)過輻照后的丙烯酰胺與膨潤(rùn)土的接枝半共聚高分子衍生物混合物）+0.12%～0.18%交聯(lián)劑（過硫酸胺）+0.06%～0.09%增強(qiáng)劑（N，N-甲叉基雙丙烯酰胺）+0.3%～0.5%微膨劑OP-10（或0.8%～1.0%微膨劑十二烷基苯磺酸鈉）+5%～7%硬化劑（G 級(jí)水泥）的微膨型封竄劑體系的固化時(shí)間在1～5 h之內(nèi)可控，固化強(qiáng)度超過20 N。

該體系在強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)環(huán)境下的成膠效果好，固化強(qiáng)度不降低；體系具有很好的微膨特性，浸泡后體積膨脹倍數(shù)＜1.5倍，進(jìn)入地層后能很好地與地層進(jìn)行無縫連接。該體系依靠固化膨脹提高封堵強(qiáng)度，突破壓力達(dá)到了10.0 MPa 及以上，巖心封堵率超過97%。

該微膨型封竄劑對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)9口竄流井的封堵效果良好，且具有長(zhǎng)期封堵性。