耐高溫調(diào)剖體系在多孔介質(zhì)內(nèi)的匹配性研究

肖麗華，劉常青，權(quán)佳美，李彥閱，周 振，趙立雷

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300450；2.東北石油大學(xué)提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江大慶 163318）

渤海油田是中國(guó)最大的海上油田之一，溫度處于90～135 ℃的油田達(dá)17 個(gè)。在注水開發(fā)后期，含水上升速度加快，高滲層吸液量增加，以致低效或無效循環(huán)，平面、縱向矛盾日益顯現(xiàn)[1，2]。聚合物凝膠因其獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)成為該技術(shù)的一種有效藥劑，在油田增產(chǎn)方面應(yīng)用廣泛，在降低水相滲透率，改善水的波及效率以及油藏的深部調(diào)剖等方面均表現(xiàn)良好[3-5]。

由于聚合物凝膠相互交聯(lián)形成三維籠狀結(jié)構(gòu)的黏彈體，通過外力擠壓變形進(jìn)入多孔介質(zhì)，在滯留位置發(fā)生固化反應(yīng)或者膨脹作用從而建立有效封堵。但儲(chǔ)層環(huán)境是影響成膠效果和熱穩(wěn)定性的重要因素之一。高溫條件下常規(guī)調(diào)剖體系會(huì)因交聯(lián)過度，黏度比預(yù)期值增大很多，成膠強(qiáng)度也會(huì)變大，導(dǎo)致后續(xù)注入也會(huì)非常困難。即使增大外力作用迫使其進(jìn)入孔隙，其分子結(jié)構(gòu)也會(huì)被破壞，致使滯留時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，耐沖刷性和封堵功能都不會(huì)理想。而當(dāng)凝膠強(qiáng)度過低時(shí)又不能有效啟動(dòng)低滲層[6-11]。且分子結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其在多孔介質(zhì)內(nèi)的滲流特性和非均質(zhì)條件下的原油驅(qū)替特征的影響不容忽視[12]。因此，只有當(dāng)調(diào)剖體系與儲(chǔ)層個(gè)性化匹配度較高時(shí)，耐溫調(diào)剖體系才能取得最理想的封堵性能和液流轉(zhuǎn)向效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

AS 干粉聚合物、交聯(lián)劑A、交聯(lián)劑B、除氧劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為99%；無機(jī)填充劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%。填砂管尺寸為25 mm×300 mm，實(shí)驗(yàn)室自制。實(shí)驗(yàn)用水為目標(biāo)油田模擬水，總礦化度為5 222.27 mg/L，pH 值為8.38。

SIRION 200 掃描電鏡，美國(guó)FEI 公司；傅里葉紅外光譜分析儀，Spectro One 珀金埃爾默有限公司；BY-Ⅱ型多功能巖心驅(qū)替系統(tǒng)，東北石油大學(xué)、南通北巖實(shí)驗(yàn)設(shè)備科技有限公司聯(lián)合研制。巖心夾持器、手搖泵、平流泵、中間容器等置于恒溫箱內(nèi)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備流程（見圖1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 凝膠溶液配制 根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)優(yōu)選凝膠配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，凝膠配方組成包括聚合物、交聯(lián)劑A 和交聯(lián)劑B、除氧劑、無機(jī)填充劑和水。將燒杯置于磁力攪拌器上，加入目標(biāo)油層模擬地層水1 000 mL，在攪拌條件下加入4 g 實(shí)驗(yàn)用耐溫抗鹽聚丙烯酰胺粉末，攪拌2 h，得到完全溶解的凝膠主劑溶液，在主劑溶液中加入2 g 交聯(lián)劑A 和2 g 交聯(lián)劑B，5 g 除氧劑和5 g無機(jī)填充劑，充分?jǐn)嚢枞芙獾玫侥z溶液。

1.2.2 滲流特性實(shí)驗(yàn) 建立雙巖心實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M地層的非均質(zhì)性。定制兩種不同滲透率級(jí)差的巖心管并聯(lián)起來接入驅(qū)替系統(tǒng)，在恒定流速（0.25 mL/min）下注入地層水，記錄注入壓力和高、低巖心管分流體積；以同樣的速度注入一定量（0.3 PV）的體系溶液，在120 ℃下恒溫一段時(shí)間，候凝，待體系成膠后再進(jìn)行水驅(qū)，記錄注入壓力和高、低滲巖心分流量，測(cè)定突破壓力和封堵后水相滲透率。

1.2.3 凝膠封堵機(jī)理表征 配制聚合物溶液和凝膠溶液，采用美國(guó)FEI 公司SIRION 200 型掃描電鏡進(jìn)行冷凍電鏡掃描。將凝膠溶液置于安瓿瓶中，在90 ℃、100 ℃和120 ℃條件下進(jìn)行成膠，對(duì)比48 h 后凝膠的冷凍電鏡掃描圖像，并結(jié)合凝膠主劑聚合物、交聯(lián)劑及助劑的結(jié)構(gòu)對(duì)凝膠的成膠封堵機(jī)理進(jìn)行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 封堵性能分析

2.1.1 阻力系數(shù)/殘余阻力系數(shù)與突破壓力/突破壓力梯度 成膠后進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)其殘余阻力系數(shù)高達(dá)430～7 820，表明高孔隙介質(zhì)內(nèi)孔隙間隔較大，可使分子間產(chǎn)生充分碰撞，利于凝膠充分成膠（見圖2、圖3）。殘余阻力系數(shù)的增大也反映出該體系成膠后在孔隙介質(zhì)中的滲流阻力在變大，同時(shí)孔隙介質(zhì)的滲透率下降幅度也增大，從而實(shí)現(xiàn)后續(xù)水的順利轉(zhuǎn)向。該凝膠體系在不同滲透率下的巖心突破壓力都在2 MPa 以上，突破壓力梯度均大于7 MPa/m，當(dāng)滲透率不低于1 000 mD時(shí)，突破壓力和突破壓力梯度均明顯提高且后期逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 突破壓力/突破壓力梯度變化曲線

2.1.2 封堵率與封堵選擇性 除滲透率為320 mD 的巖心外，滲透率在450 mD 以上巖心凝膠封堵率均在99%以上，可見注入該凝膠體系時(shí)巖心滲透率對(duì)巖心封堵率的影響不大，并對(duì)不同級(jí)別的滲透率巖心均表現(xiàn)較高的封堵能力（見表1）。

表1 調(diào)剖體系在不同滲透率下的封堵情況

不同滲透率級(jí)差的巖心在注入凝膠體系之后，進(jìn)行后續(xù)水驅(qū)時(shí)出口端的相對(duì)流量變化較大，由此可以推斷出凝膠在高滲透率巖心中形成有效滯留，注入水受壓力影響改變液流方向，低滲層吸液量明顯增加，儲(chǔ)量動(dòng)用程度提高。因此該凝膠體系對(duì)高、低滲層具有較好的選擇性，對(duì)滲透率級(jí)差范圍在5～20 的巖心均具有良好的調(diào)剖分流效果（見圖4）。

圖4 滲透率級(jí)差5.9、11.1、19.3 的分流率動(dòng)態(tài)波及效果

2.2 成膠封堵機(jī)理分析

對(duì)聚合物與交聯(lián)劑成膠前后的掃描電鏡進(jìn)行比較分析（見圖5），相比于聚合物單劑溶液體系，交聯(lián)現(xiàn)象明顯，且隨著溫度升高，交聯(lián)加密，在120 ℃成膠反應(yīng)后，在電鏡圖像上可以清晰觀察到三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。對(duì)成膠前后的聚合物和凝膠的紅外光譜進(jìn)行對(duì)比分析（見圖6），紅外譜圖上的基團(tuán)吸收情況也發(fā)生明顯改變，交聯(lián)作用的發(fā)生使1 550 cm-1處的C-N 吸收峰明顯增強(qiáng)。

圖6 AS 聚合物與凝膠的FT-IR 對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)中所用凝膠體系組成為耐溫耐鹽主劑聚合物、交聯(lián)劑A 和交聯(lián)劑B、除氧劑、無機(jī)填充劑和水。聚合物主劑為自身結(jié)構(gòu)上帶有耐溫耐鹽基團(tuán)的聚丙烯酰胺類聚合物，成膠前后高溫下聚合物骨架相對(duì)完整，但在凝膠調(diào)剖實(shí)驗(yàn)中，凝膠成膠后處于動(dòng)態(tài)剪切和沖刷過程中，凝膠體系保持穩(wěn)定的關(guān)鍵不只有聚合物，成膠機(jī)理也至關(guān)重要。

本文中所用交聯(lián)劑分為A 和B，屬于組合交聯(lián)劑，兩種交聯(lián)劑在高溫下發(fā)生反應(yīng)形成可交聯(lián)物質(zhì)，再與聚合物發(fā)生交聯(lián)，因?yàn)榻宦?lián)劑產(chǎn)生的反應(yīng)為分步進(jìn)行的，所以高溫下成膠反應(yīng)相對(duì)單劑交聯(lián)成膠速度慢，避免交聯(lián)速度快，成膠不均勻，凝膠穩(wěn)定性差的問題，可以實(shí)現(xiàn)凝膠溶液注入后的原位成膠。除交聯(lián)劑外，凝膠體系中加入了可參與交聯(lián)作用的除氧劑，在發(fā)揮除氧作用的同時(shí)，與交聯(lián)劑B 發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生具有交聯(lián)性能的物質(zhì)，輔助交聯(lián)聚合物，加密交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

交聯(lián)劑和除氧劑的協(xié)同作用使交聯(lián)反應(yīng)可以分步、多級(jí)進(jìn)行，但凝膠的聚合物主鏈?zhǔn)蔷哂邢鄬?duì)高相對(duì)分子質(zhì)量的聚丙烯酰胺類物質(zhì)，動(dòng)態(tài)剪切和外力作用下仍易發(fā)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)破壞，所以在凝膠配方中加入了一種無機(jī)分散性填充劑，該填充劑的加入可提高凝膠的整體強(qiáng)度，因?yàn)槟z體系屬于高溫下原位成膠，無機(jī)填充劑顆粒尺度介于納米至微米級(jí)，不影響其注入性能。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)表明該調(diào)剖體系對(duì)滲透率在420～6 210 mD范圍內(nèi)的巖心封堵率均達(dá)到99%以上，殘余阻力系數(shù)和突破壓力梯度數(shù)據(jù)說明封堵效果顯著，且注入的體系在巖心中存留率高，因此，在120 ℃環(huán)境下該調(diào)剖體系進(jìn)入多孔介質(zhì)后能夠均衡推進(jìn)，可以建立有效封堵。

利用掃描電鏡和紅外光譜儀對(duì)凝膠體系進(jìn)行表征，結(jié)合凝膠配方各組分的分子結(jié)構(gòu)分析該凝膠的成膠機(jī)理主要有以下三方面：（1）耐溫的聚合物主鏈結(jié)構(gòu)；（2）分步、多級(jí)原位成膠機(jī)理；（3）無機(jī)填充增加凝膠的機(jī)械強(qiáng)度。