緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒的研發(fā)與性能評(píng)價(jià)

張生魁 趙 昆 張建明 王 鵬 張玉秋

長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠（寧夏銀川 750000）

預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒是由單體丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、交聯(lián)劑甲叉基雙丙烯酰胺、引發(fā)劑過硫酸銨以及一些添加劑（如黏土、污泥等）在地面一定的溫度條件下發(fā)生聚合反應(yīng)成膠，再通過烘干、造粒等工序制得的一種調(diào)剖堵劑[1-3]。其注入地層后，在壓力作用下能夠變形，并向地層深部運(yùn)移。同時(shí)在地層條件下其吸水能膨脹，從而封堵大孔道，使液流發(fā)生轉(zhuǎn)向從而改變水驅(qū)通道，增大水驅(qū)波及系數(shù)，達(dá)到提高采收率的目的，其在油田調(diào)剖中被廣泛應(yīng)用[4-5]。雖然凝膠顆粒在調(diào)剖中有一定的效果，但存在吸水膨脹速率過大、膨脹后強(qiáng)度差、抗鹽性差等問題[6]。

吳452 區(qū)塊位于鄂爾多斯盆地吳起地區(qū)，生產(chǎn)層位為侏羅系延安組，區(qū)塊地層水總礦化度較高，為84 160 mg/L。該區(qū)塊采用等配注調(diào)剖，注入壓力較低，目前在用調(diào)剖體系微凝膠、聚合物微球等效果較差，主要原因是強(qiáng)度不夠，不能實(shí)現(xiàn)有效封堵。為了滿足吳452 區(qū)塊對(duì)調(diào)剖劑強(qiáng)度高、調(diào)剖深度深和抗鹽性好的要求，研發(fā)了一種緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒，其具有較好的緩膨性、強(qiáng)吸水膨脹性和抗鹽性，并能在低注入壓力下達(dá)到深部調(diào)剖的目的。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥劑與儀器

藥劑：丙烯酰胺、丙烯酸，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開發(fā)有限公司；甲叉基雙丙烯酰胺、過硫酸銨、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS），上海麥克林生化科技有限公司；十二烷基磺酸鈉（AS）、十二烷基三甲基氯化銨（DTC）、Span60，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

主要儀器：黏度計(jì)、電子天平、恒溫烘箱和巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置。

1.2 吸水膨脹倍數(shù)的測(cè)定

凝膠顆粒的膨脹性能主要由一定時(shí)間內(nèi)的吸水膨脹倍數(shù)來表征。測(cè)試方法為：稱取一定量凝膠顆粒（m1）放入燒杯中，加入一定量水，在一定溫度下靜置一定時(shí)間，取出吸水膨脹后的凝膠顆粒，用濾網(wǎng)過濾，用濾紙吸干表面多余的水后稱重（m2）。吸水膨脹倍數(shù)=（m2-m1）/m1。

2 結(jié)果及分析

2.1 緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒的配方優(yōu)化

緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒通過增強(qiáng)凝膠顆粒的吸附性減小其吸水速率。同時(shí)，在體系中加入吸水增強(qiáng)劑，借助生產(chǎn)過程中的放熱和吸水增強(qiáng)劑來增加網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間的間隙，從而增強(qiáng)吸水功能。

2.1.1 吸水增強(qiáng)劑的優(yōu)選和質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)化

吸水增強(qiáng)劑主要是增加凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空間，從而使得其吸水性能增強(qiáng)，因此通過表面活性劑即可達(dá)到目的。從常用的陰離子、陽離子和非離子3 種類型表面活性劑中分別各選AS，DTC 和Span60 來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中AM 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，交聯(lián)劑甲叉基雙丙烯酰胺的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%，引發(fā)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，水為200 mL，分別加入3 種表面活性劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.15%），對(duì)所產(chǎn)生凝膠顆粒的吸水量進(jìn)行計(jì)算，得到如表1 所示的結(jié)果。

表1 添加不同表面活性劑的凝膠吸水膨脹性能

從表1 可以看出，AS 的吸水膨脹倍數(shù)可以達(dá)到12.4，大大地提高了顆粒的吸水量。選擇不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的AS 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果如表2 所示。

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)AS 條件下凝膠吸水膨脹性能

從表2 可以看出，當(dāng)AS 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.10%后，凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)空間增加有限，對(duì)凝膠顆粒的吸水膨脹性能影響很小，因此在工業(yè)生產(chǎn)中AS 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定為0.10%即可。

2.1.2 緩膨凝膠體系的配方優(yōu)化

常規(guī)凝膠顆粒主要由AM，AA，交聯(lián)劑和添加劑在引發(fā)劑的作用下合成。在此基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)對(duì)緩膨凝膠體系的配方進(jìn)行優(yōu)化。固定AA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%、交聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，引發(fā)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，AS 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%，主要考慮AM 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、AA 中和度以及添加劑黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3 個(gè)因素，各因素對(duì)應(yīng)水平如表3 所示。

表3 各因素水平值

正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析如表4 所示。

表4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析表

表4 中，AA 中和度的極差R 最大，表明其對(duì)體系膨脹倍數(shù)的影響較大。取各因素最優(yōu)水平組合，即AM 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.5%，AA 中和度為0.6，黏土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.75%。

2.1.3 AMPS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)化

考慮AMPS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凝膠吸水膨脹倍數(shù)的影響，其添加量越大，凝膠的抗鹽性能越好，但是會(huì)影響凝膠的吸水膨脹倍數(shù)和膨脹時(shí)間。因此，在實(shí)驗(yàn)條件下考慮AMPS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，0.05%，0.10%，0.15%和0.20%時(shí)對(duì)凝膠顆粒吸水膨脹倍數(shù)的影響，其中吸水膨脹倍數(shù)的測(cè)試時(shí)間為12 h。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

從圖1 可以看出，隨著AMPS 的量逐步增加，凝膠顆粒的吸水膨脹倍數(shù)先增大后減??；AMPS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%時(shí)吸水膨脹倍數(shù)最大。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)AMPS 的量增加后，顆粒變得越來越脆，吸水后易被鑷子夾斷。

圖1 AMPS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凝膠吸水膨脹倍數(shù)的影響

綜上所述，得到緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒的配方為：AM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.5%，AA 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，中和度為0.6，AMPS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，AS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.75%。

2.2 緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒的性能評(píng)價(jià)

2.2.1 吸水膨脹性能

由于凝膠顆粒在清水中和地層水中的膨脹性能差別較大，本研究主要測(cè)試其在注入水和地層水條件下的膨脹性能，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 凝膠顆粒的吸水膨脹性能

從圖2 可以看出，在120 min 內(nèi)，常規(guī)凝膠顆粒在注入水中的膨脹倍數(shù)高于緩膨凝膠顆粒，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒的吸水膨脹倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)凝膠顆粒，表明其具有很好的緩膨效果。在地層水中，緩膨強(qiáng)吸水凝膠在近30 h 后吸水膨脹倍數(shù)達(dá)到最大，而常規(guī)凝膠顆粒在1 h 內(nèi)就幾乎達(dá)到最大，且最大膨脹倍數(shù)大2 倍以上。這不僅表明緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒具有很好的緩膨效果，同時(shí)也具有很好的抗鹽性。

2.2.2 老化性能

為了測(cè)試凝膠的老化性能，用清水和地層水各配制1.0%的凝膠顆粒溶液，分別放入老化罐中，然后置于60 ℃的滾子爐中進(jìn)行老化試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 凝膠顆粒老化試驗(yàn)結(jié)果

圖3 中，凝膠顆粒先吸水膨脹，吸水膨脹倍數(shù)達(dá)到最大，后由于老化，吸水膨脹倍數(shù)出現(xiàn)下降。在100 天內(nèi)其膨脹倍數(shù)的損失值都小于20%，表明其老化性能較好。

2.2.3 突破壓力梯度與殘余阻力系數(shù)

突破壓力梯度和殘余阻力系數(shù)（RRF）是表征堵劑的封堵能力和堵劑降低流體介質(zhì)滲流能力的重要指標(biāo)，通過巖芯流動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得[7]。實(shí)驗(yàn)巖芯的相關(guān)參數(shù)如表5 所示。

表5 實(shí)驗(yàn)巖芯參數(shù)

注入不同孔隙體積倍數(shù)（PV）的凝膠堵劑，流量為0.05 mL/min,得到凝膠顆粒封堵效果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表6 所示。

表6 注入不同PV 凝膠顆粒堵劑的堵水效果

巖芯突破壓力梯度大主要是因?yàn)閹r芯滲透率較低。注水壓力上升快，最后是“注不進(jìn)，采不出”。考慮到油藏裂縫發(fā)育，為了模擬該條件，對(duì)巖芯進(jìn)行人工造縫，研究注入堵劑及其封堵強(qiáng)度穩(wěn)定性，其造縫巖芯如圖4 所示。

圖4 人工造縫巖芯

測(cè)定造縫后4#巖芯滲透率，根據(jù)達(dá)西公式計(jì)算巖芯滲透率為26.66 md，在流量為0.5 mL/min 條件下驅(qū)替1PV 顆粒堵劑，測(cè)得其滲透率為2.96 md，巖芯封堵率達(dá)到88.89%，RRF 為9.01，突破壓力為5.55 MPa/m。

2.2.4 耐沖刷性

在4#巖芯的基礎(chǔ)上繼續(xù)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，當(dāng)注入至40PV 地層水后，連續(xù)記錄壓差計(jì)算水相滲透率，注水孔隙體積倍數(shù)與封堵率之間的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 凝膠顆粒耐沖刷性曲線

從圖5 可以看出：封堵率首先隨著注入PV 的增大而增加，而后隨著PV 的增大而下降。主要原因是：在初期，凝膠顆粒未完全膨脹，因而隨著水的注入吸水膨脹，導(dǎo)致封堵率增加，而后凝膠顆粒已完全膨脹，隨著注水的延續(xù)，部分凝膠被水沖刷掉，從而導(dǎo)致封堵率降低。最終封堵率的下降不到15%，表明緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒具有很好的耐沖刷能力。

2.2.5 調(diào)剖能力評(píng)價(jià)

調(diào)剖能力主要用來評(píng)價(jià)堵劑在非均質(zhì)多孔介質(zhì)中的行為特征，是堵劑的重要性能，常用剖面改善率來評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用高低滲透率的并聯(lián)填砂管，先注入清水測(cè)各管的吸水比，然后注入0.5%的緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒1.0PV 進(jìn)行封堵，再注入清水測(cè)各管的吸水比，由此來模擬堵劑在不同滲透率級(jí)差下的選擇性封堵程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 凝膠顆粒調(diào)剖能力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表6 可以看出：注入堵劑后，滲透率高的填砂管吸水能力下降，滲透率低的填砂管吸水能力增強(qiáng)；堵劑的調(diào)剖效果明顯，且滲透率級(jí)差越大，調(diào)剖效果越明顯，表明該堵劑在非均質(zhì)油藏條件下具有很好的選擇性。

2.3 凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)化

凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)化主要研究其封堵率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化情況。在人工造縫的巖芯中，以0.05 mL/min 注入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)1PV 的凝膠顆粒，測(cè)試封堵率。凝膠顆粒與封堵率之間的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)與封堵率的關(guān)系

從圖6 可以看出：在相同注入量下，隨著凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，巖芯封堵率增大，但是當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.7%后，由于凝膠顆粒通過多孔介質(zhì)時(shí)會(huì)受到剪切作用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大剪切越嚴(yán)重，從而導(dǎo)致質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)封堵率的影響相對(duì)較小。因此，選擇0.7%～1.0%為最優(yōu)的凝膠顆粒施工質(zhì)量分?jǐn)?shù)，對(duì)于控制壓力施工的一些井，可以選擇0.5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行施工。

3 結(jié)論

針對(duì)常規(guī)凝膠顆粒因吸水膨脹速率過大很難達(dá)到地層深部的問題，研發(fā)了一種緩膨強(qiáng)吸水凝膠顆粒。同時(shí)為了滿足吳452 區(qū)塊調(diào)剖耐鹽性的需求，在凝膠顆粒中增加抗鹽組分AMPS，通過室內(nèi)正交試驗(yàn)優(yōu)化得到了其配方：AM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.5%，AA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%，中和度為0.6，AMPS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，AS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%，黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.75%。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該凝膠顆粒具有緩膨、高吸水膨脹倍數(shù)和剖面改善能力較好的特點(diǎn)，最優(yōu)施工質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%～1.0%。