耐高溫凝膠調(diào)剖體系成膠性能影響因素研究

楊勁舟，徐國(guó)瑞，李建曄，鞠野，劉光普，李海峰

耐高溫凝膠調(diào)剖體系成膠性能影響因素研究

楊勁舟1,2，徐國(guó)瑞1,2，李建曄1,2，鞠野1,2，劉光普1,2，李海峰1,2

（1. 中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459；2. 天津市海洋石油難動(dòng)用儲(chǔ)量開(kāi)采企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300459）

通過(guò)優(yōu)化聚合物及交聯(lián)劑類(lèi)型及比例，研究對(duì)凝膠體系成膠性能及耐溫耐鹽性能的影響，研制出了適用于高溫高鹽油藏的凝膠調(diào)剖體系，并獲得了主要性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究的高溫凝膠體系在溫度140 ℃、礦化度50 000 mg·L-1條件下，成膠強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好且脫水率低，滿足海上油田調(diào)剖技術(shù)的應(yīng)用需求。

海上油田； 高溫高鹽； 凝膠體系； 配方優(yōu)化

海上油田經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期注水開(kāi)發(fā)，可采儲(chǔ)量的60%來(lái)自高含水油田[1-2]，由于大孔道發(fā)育、水竄程度嚴(yán)重，聚合物凝膠調(diào)剖技術(shù)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)[3-4]。針對(duì)愈發(fā)苛刻的油藏條件，耐高溫凝膠調(diào)剖體系的性能制約著調(diào)剖技術(shù)在海上油田高溫高鹽油藏的應(yīng)用[5]。由于受聚合物及交聯(lián)劑自身性能的影響，常規(guī)凝膠體系在高溫下無(wú)法成膠，成膠后易脫水降解，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差，一般只能用于溫度110 ℃以下的儲(chǔ)層[6-7]。隨著海上油田調(diào)剖技術(shù)持續(xù)擴(kuò)大化應(yīng)用，需開(kāi)展耐高溫凝膠調(diào)剖體系研發(fā)[8]。通過(guò)研究不同聚合物和交聯(lián)劑類(lèi)型、濃度對(duì)凝膠成膠性能的影響[9]，形成了可在高溫（140 ℃）、高鹽（50 000×10-6）油藏應(yīng)用的調(diào)剖體系，大大擴(kuò)展了調(diào)剖技術(shù)的應(yīng)用邊界。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平，上海圣科儀器設(shè)備有限公司；歐洲之星機(jī)械攪拌器，上海圣科儀器設(shè)備有限公司；DHG-924A型恒溫箱，武漢林頻實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；酒精噴燈，山東朗斯普儀器有限公司；MCR 301流變儀，安東帕（上海）商貿(mào)有限公司；傅里葉變換光譜儀，美國(guó)PE公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

氯化鈉、氯化鈣，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司，YF系列聚合物，山東諾爾生物科技有限公司，F(xiàn)Q系列交聯(lián)劑，山東優(yōu)索化工科技有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 鹽水的配制

將燒杯置于磁力攪拌器上，使用量筒量取一定體積的去離子水倒入燒杯中，使用電子天平稱(chēng)量一定質(zhì)量的氯化鈉與無(wú)水氯化鈣，將稱(chēng)取好的氯化鈉與無(wú)水氯化鈣均勻溶于水中，充分?jǐn)嚢韬蠹纯傻玫綄?shí)驗(yàn)所需的不同礦化度的鹽水。

1.3.2 凝膠體系的配制

使用500 mL燒杯稱(chēng)取200 g去離子水或鹽水，在400 r·min-1攪拌速度下加入一定量聚合物，持續(xù)攪拌2 h，配制質(zhì)量濃度為1%的聚合物溶液，并根據(jù)需要稀釋為不同濃度溶液，在攪拌狀態(tài)下加入定量交聯(lián)劑和助劑，繼續(xù)攪拌30 min。

1.3.3 安瓿瓶的燒制

a.使用針管將配制好的凝膠溶液轉(zhuǎn)移至安瓿瓶中，注入量在安瓿瓶的1/3～1/2；

b.點(diǎn)燃酒精噴燈，將安瓿瓶?jī)A斜約45度，并持鑷子扶在安瓿瓶瓶口，在酒精燈火焰中將瓶口燒熔，從而將瓶?jī)?nèi)凝膠體系密封；

c.將安瓿瓶放入高溫反應(yīng)釜中，向高溫反應(yīng)釜中注水至水面與瓶中凝膠溶液液面相平，安裝高溫反應(yīng)釜，放入烘箱中恒溫。

圖1 安瓿瓶燒制示意圖

1.3.4 成膠時(shí)間的測(cè)定

每隔2 h取出安瓿瓶，在高溫條件下將安瓿瓶倒置，觀察成膠情況，參照Sydansk凝膠代碼法（如表1所示）確定凝膠強(qiáng)度。若凝膠體系無(wú)法流到瓶口，則確定凝膠體系可以成膠（強(qiáng)度D級(jí)），記錄該時(shí)間為凝膠初凝時(shí)間，并將凝膠強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間記為成膠時(shí)間[10-11]。

表1 凝膠強(qiáng)度代碼表

圖2 凝膠強(qiáng)度代碼示意圖

1.3.5 凝膠穩(wěn)定性的測(cè)定

凝膠體系長(zhǎng)時(shí)間在高溫下老化會(huì)出現(xiàn)脫水的情況，原因是在高溫下凝膠體系中聚合物分子鏈發(fā)生熱降解，或聚合物與交聯(lián)劑發(fā)生過(guò)交聯(lián)[12]。因此，需使用脫水率和黏度保留率表征凝膠熱穩(wěn)定性，脫水率計(jì)算公式如下：

=（1-2）/×100% （1）

其中：1——安瓿瓶中凝膠體系的初始體積；

2——安瓿瓶中凝膠體系脫水后的凝膠體積。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)體系對(duì)成膠性能的影響

考察不同類(lèi)型常用酚類(lèi)交聯(lián)劑與醛類(lèi)交聯(lián)劑組合在高溫下對(duì)凝膠體系成膠性能的影響，酚類(lèi)交聯(lián)劑為FQ-1、FQ-3、FQ-5，醛類(lèi)交聯(lián)劑為FQ-2、FQ-4。

2.1.1 低礦化度水中成膠性能評(píng)價(jià)

使用去離子水配制0.4%濃度的YF15型、YF20型聚合物溶液，分別與不同類(lèi)型0.4%濃度交聯(lián)體系（0.2%酚類(lèi)+0.2%胺類(lèi)）充分混合，置于140 ℃條件下反應(yīng)，成膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果如所示，48 h后成膠狀態(tài)如圖3所示。

表2 YF15型聚合物與不同交聯(lián)體系成膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：“/”代表無(wú)法成膠。

圖3 YF15型聚合物與不同交聯(lián)體系成膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2和圖3可知，針對(duì)YF15聚合物，對(duì)比6種交聯(lián)體系，酚類(lèi)交聯(lián)劑FQ-5在高溫下無(wú)法成膠；醛類(lèi)交聯(lián)劑FQ-2成膠強(qiáng)度較低（D級(jí)）、脫水率高（≥8%）；酚類(lèi)交聯(lián)劑FQ-1、FQ-3與醛類(lèi)交聯(lián)劑FQ-4成膠強(qiáng)度高（H級(jí)）、脫水率低（≤3）。

如表3和圖4所示，針對(duì)YF20聚合物，對(duì)比6種交聯(lián)體系，酚類(lèi)交聯(lián)劑FQ-5在高溫下無(wú)法成膠；醛類(lèi)交聯(lián)劑FQ-2成膠強(qiáng)度較低（C級(jí)）甚至不成膠、脫水率高（30%）；酚類(lèi)交聯(lián)劑FQ-1與醛類(lèi)交聯(lián)劑FQ-4成膠強(qiáng)度高（H級(jí)）且不脫水；酚類(lèi)交聯(lián)劑FQ-3與醛類(lèi)交聯(lián)劑FQ-4成膠強(qiáng)度低（D級(jí)）。

表3 YF20型聚合物與不同交聯(lián)體系成膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：“/”代表無(wú)法成膠。

圖4 YF15型聚合物與不同交聯(lián)體系成膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低礦化度水中，酚類(lèi)交聯(lián)劑FQ-1、FQ-3與醛類(lèi)交聯(lián)劑FQ-4組成的交聯(lián)體系成膠效果較好，YF15聚合物成膠效果好于YF20聚合物。

2.1.2 高礦化度水中成膠性能評(píng)價(jià)

選擇YF15聚合物考察高礦化度下不同交聯(lián)體系對(duì)凝膠成膠性能的影響。

使用50 000 mg·L-1礦化度的鹽水配制0.4% YF15聚合物溶液，與不同類(lèi)型的0.4%交聯(lián)體系混合后，置于140 ℃環(huán)境中加熱，48 h后成膠情況如表4和圖5所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，酚類(lèi)交聯(lián)劑FQ-5與醛類(lèi)交聯(lián)劑FQ-2不成膠；交聯(lián)體系FQ-1、FQ-4形成的凝膠強(qiáng)度最高（G級(jí)）；交聯(lián)體系FQ-3、FQ-4形成的凝膠強(qiáng)度較低（D級(jí)）。

表4 YF15聚合物與不同交聯(lián)體系成膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 YF15聚合物與不同類(lèi)型交聯(lián)劑的成膠情況

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，高溫高礦化度條件下，交聯(lián)體系FQ-1、FQ-4成膠效果最好，可形成高強(qiáng)度凝膠，48 h不脫水。

2.2 聚合物類(lèi)型對(duì)成膠性能的影響

2.2.1 低礦化度水中成膠性能評(píng)價(jià)

室溫下，使用去離子水配制不同類(lèi)型0.4%濃度聚合物溶液，與0.4%交聯(lián)體系（0.2% FQ-1+0.2% FQ-4）混合后，置于140 ℃條件下反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，48 h后凝膠狀態(tài)如圖6所示。

表5 不同類(lèi)型聚合物成膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 不同類(lèi)型聚合物成膠效果圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)Q-1、FQ-4交聯(lián)體系成膠強(qiáng)度較高，除YF10聚合物外，凝膠強(qiáng)度均可達(dá)到H或I級(jí)，且穩(wěn)定性好，老化48 h不脫水。

2.2.2 高礦化度水中成膠性能評(píng)價(jià)

使用50 000 mg·L-1礦化度的鹽水配制不同類(lèi)型0.4%濃度聚合物溶液，與0.4%交聯(lián)體系（0.2%FQ-1+0.2%FQ-4）混合，置于140 ℃環(huán)境中加熱，48 h后成膠結(jié)果如表6和圖7所示。

表6 不同類(lèi)型聚合物成膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 不同類(lèi)型聚合物成膠效果圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，YF13、YF15和YF18三種聚合物形成的凝膠強(qiáng)度較高，可達(dá)到F級(jí)以上，且加熱48 h未見(jiàn)脫水。

使用Physica MCR 301旋轉(zhuǎn)流變儀在0.1～100 Hz頻率下測(cè)量YF13、YF15和YF18三種聚合物凝膠體系的儲(chǔ)能模量和損失模量，并在7.34 s-1剪切速率下測(cè)定凝膠黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，YF18和YF15聚合物凝膠的儲(chǔ)能模量可達(dá)到10 Pa以上，損失模量達(dá)到2 Pa，而YF13聚合物凝膠的儲(chǔ)能模量和損失能模量相對(duì)較小，因此優(yōu)選YF18和YF15聚合物。

2.3 交聯(lián)體系中酚類(lèi)和醛類(lèi)比例對(duì)成膠效果的影響

室溫下，使用50 000 mg·L-1礦化度水分別配制0.4%濃度YF13、YF15、YF18聚合物溶液，與0.4%濃度不同F(xiàn)Q-1、FQ-4比例的交聯(lián)體系充分混合，置于140 ℃環(huán)境中加熱48 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示，48 h后YF18聚合物凝膠成膠狀態(tài)如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚合物凝膠成膠時(shí)間為10～14 h，改變酚類(lèi)和醛類(lèi)比例，凝膠強(qiáng)度顯著降低，酚醛比例為1∶1時(shí)，形成的凝膠強(qiáng)度較高，且48 h后不脫水。

表7 酚類(lèi)與醛類(lèi)比例對(duì)成膠效果的影響

圖9 YF18聚合物與不同酚醛比例交聯(lián)體系成膠效果圖

2.4 聚合物與交聯(lián)劑的比例

室溫下，使用50 000 mg·L-1礦化度水配制不同濃度YF15、YF18聚合物溶液，固定FQ-1和FQ-4比例為1∶1，改變交聯(lián)體系濃度，置于140 ℃環(huán)境下加熱，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示，48 h后凝膠體系成膠狀態(tài)如圖10所示。

表8 聚合物和交聯(lián)劑比例對(duì)成膠效果的影響

圖10 聚合物和交聯(lián)劑的配比對(duì)凝膠的影響

由表8和圖10可知，隨著聚合物和交聯(lián)劑濃度的增加，交聯(lián)位點(diǎn)增加，交聯(lián)反應(yīng)加快，成膠時(shí)間縮短，凝膠強(qiáng)度增加。若交聯(lián)劑濃度低于聚合物濃度，則形成的凝膠強(qiáng)度較低，因此聚合物和交聯(lián)劑的比例應(yīng)小于等于1∶1。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)聚合物和交聯(lián)劑類(lèi)型及比例優(yōu)選實(shí)驗(yàn)，根據(jù)聚合物凝膠成膠時(shí)間、成膠強(qiáng)度、脫水率等指標(biāo)綜合確定耐溫凝膠聚合物主劑為YF18或YF15，交聯(lián)劑為FQ-1和FQ-4，其中酚類(lèi)和醛類(lèi)比例為1∶1，聚合物和交聯(lián)劑比例應(yīng)小于等于1∶1。

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Influencing Factors of Gel Forming Properties of High Temperature Gel Profile Control System

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2

（1. China Oilfield Services Limited Oilfield Production Division, Tianjin 300459, China;2.Tianjin Key Laboratory of Offshore Oil Difficult to Use Reserves Mining Enterprises, Tianjin 300459, China）

By optimizing the type and proportion of polymer and crosslinking agent, influence on gel gelation properties, temperature and salt tolerance was studied, a gel system suitable for high temperature and high salinity reservoirs was developed, and the main performance indicators were obtained. The experimental results showed that the high temperature gel system had high gel strength, good stability and low dehydration rate under the condition of 140 ℃ and 50 000 mg·L-1salinity , and met the application requirements of offshore oilfield profile control technology.

Offshore oil field; High temperature and high salt; Gel system; Formula optimization

2022-07-04

楊勁舟（1989-），男，天津市人，中級(jí)職稱(chēng)，碩士研究生，2014年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京），從事提高采收率技術(shù)研究與應(yīng)用工作。

TE358

A

1004-0935（2023）01-0023-05