熱采用堿木素高溫堵劑研究

劉高文 (中國石油大學(華東)石油工程學院，山東 青島 266555)

熱采用堿木素高溫堵劑研究

劉高文 (中國石油大學(華東)石油工程學院，山東 青島 266555)

堿木素凍膠是一種具有熱穩定且易于進入地層深部的高溫堵劑，可以調整注汽剖面，控制蒸汽竄流，改善蒸汽開發效率。采用單因素法以凍膠強度和成膠時間為指標分別對交聯劑酚醛樹脂含量、堿木素含量和體系pH值進行優化，并以凍膠強度為指標，通過正交表優化了堿木素-酚醛樹脂體系配方，得到了堿木素-酚醛樹脂體系的最優化配方：ω(堿木素)=0.10，ω(酚醛樹脂)=0.035，pH值為9.75。性能評價結果表明，該配方成膠時間為1.5h，成膠強度為0.092MPa，熱穩定性強，是一種良好的熱采用高溫堵劑。

堿木素;凍膠強度；成膠時間；正交表；熱穩定性；抗鹽性能

隨著石油的不斷開采，世界上石油儲量尤其是優質、易采石油儲量不斷減少，在已探明的石油資源中，稠油所占比例越來越大[1]。熱采被認為是最有效的稠油開采方法。但由于油藏層間的非均質性、滲透率的變化、原油性質的差異、不利的流度比、重力分離、井距和油藏傾斜等因素，引起蒸汽竄流，降低了蒸汽利用率，導致吸汽剖面不均勻，降低了稠油開采效果[2]。這是蒸汽吞吐及蒸汽驅開采中最棘手的技術難題，也是關系到蒸汽驅開采能否成功的首要問題[3]。因此研制高效的、耐溫的堵劑是極具潛力的提高蒸汽驅效果的方法。堿木素凍膠能通過調整吸汽剖面、低界面張力和降粘作用來提高熱采采收率，而影響堿木素凍膠性能的因素主要有：堿木素含量、交聯劑酚醛樹脂的含量、體系pH和礦化度[4]。下面，筆者主要通過單因素法與正交表[5]相結合來優化堿木素配方，并對其性能進行評價。

1 試驗部分

1.1試驗藥品與儀器

1)試驗藥品 堿木素(工業品，武漢華東化工有限公司)；酚醛樹脂(自制)鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈉和氯化鈣(均為AR，國藥集團化學試劑有限公司)等。

2)儀器 電子天平(感量分別為0.01、0.0001g)、pHs-25酸度計、NDJ-7旋轉粘度計、高溫罐、電熱恒溫鼓風干燥箱、凍膠強度測定儀等。

1.2試驗方法

1)成膠時間的確定 采用觀察法評價凝膠的成膠時間，其具體測試方法如下：①樣品準備。將20g膠凝液樣品用滴管注入到安瓿瓶中，然后用酒精噴燈封口。每種配方配3個樣品同時測試。②監測凝膠老化。將密封好的安瓿瓶放入高溫罐內，然后置于烘箱中，將其調至設定溫度。定期將安瓿瓶從烘箱內取出，觀察其是否喪失流動性。判定凍膠成膠的標準是將安瓿瓶水平放置，觀察凍膠的前沿面與瓶壁所成角度是否大于45°，若大于45°則認為其成膠[6]。

2)凍膠強度的確定 采用突破真空度法來表征凍膠的強度，即把玻璃管的一端插入凍膠中部，另一端用真空泵抽吸，用空氣突破凍膠時壓力表上的讀數來表征凍膠的強度[7]。

3)粘度的測定 用NDJ-7旋轉粘度計測定成膠液的表觀粘度。

2 結果與討論

2.1影響堿木素-酚醛樹脂體系成膠的因素

1)堿木素質量分數對體系成膠性能的影響 在200℃，ω(酚醛樹脂)=0.02，pH=9.50條件下，研究了堿木素質量分數對堿木素-酚醛樹脂體系成膠性能的影響，試驗結果見圖1。由圖1可以看出，①堿木素質量分數越低，成膠時間越長。當堿木素的質量分數低于0.01時，生成凍膠上部有大量的清液，不能整體成膠。因此，堿木素-酚醛樹脂體系中堿木素的質量分數不能低于0.01；②隨著堿木素質量分數的增大，成膠后膠體的強度則呈現先增大后減小的趨勢，當堿木素質量分數大于0.10后，其強度值有所下降。原因是當堿木素的質量分數超過0.10后，酚醛樹脂質量分數不變，導致反應產物以線型高分子為主，凍膠的整體強度下降；③隨著堿木素質量分數的增加，堿木素-酚醛樹脂體系成膠時間逐漸縮短，符合反應速率與濃度的基本關系，考慮到現場施工時堵劑注入時間及成本的要求，選擇堿木素的質量分數范圍為0.09～0.11[8]。

2)酚醛樹脂質量分數對體系成膠性能的影響 在200℃，ω(堿木素)=0.10，pH=9.50條件下，研究了酚醛樹脂質量分數對堿木素-酚醛樹脂體系成膠性能的影響，試驗結果見圖2。由圖2可以看出，隨著酚醛樹脂質量分數的增加，其成膠時間是逐漸減小的，凍膠強度是逐漸增大的。原因是酚醛樹脂濃度的增加有利于堿木素-酚醛樹脂體系中體型高分子的形成，提高了聚合反應速率，符合反應速率與濃度的基本關系。綜合考慮酚醛樹脂含量對成膠時間、凍膠強度及成本的影響，可選擇酚醛樹脂的質量分數在0.025～0.035之間[9]。

圖1 堿木素質量分數對成膠時間和凍膠強度的影響

圖2 酚醛樹脂質量分數變化對成膠時間和凍膠強度的影響

圖3 pH值對成膠時間和凍膠強度的影響

3)pH值對體系成膠性能的影響 在200℃，ω(酚醛樹脂)=0.030，ω(堿木素)=0.10條件下，研究了pH值對堿木素-酚醛樹脂體系成膠性能的影響，試驗結果見圖3。由圖3可以看出：①當pHlt;8.50時，由于酚醛樹脂不溶于水，體系不成膠；②隨著pH值的增加，成膠時間逐漸增加，凍膠強度先增大后減小，出現極大值。這是因為酚醛聚合反應中，酸性條件有利于線型聚合，堿性條件有利于體型聚合，堿性條件下，pH值的增大有利于體型聚合，所以凍膠強度逐漸增大[10]，但當pHgt;9.75時，堿木素的活性基團與堿發生了化學反應，從而凍膠強度降低。堿性條件下，體型聚合速率快，因此，局部生成體型結構的速度也快，但是整體形成空間網絡結構速度相對較慢，因此堿性條件下，體系需要的成膠時間逐漸增加。③綜合考慮成膠時間和凍膠強度2方面因素，可選擇該體系成膠的pH值范圍在9.50～10.00之間。

2.2堿木素-酚醛樹脂體系配方的優化

在單因素研究的基礎上，以凍膠強度為指標，通過L9(34)正交表(見表1)優化了堿木素-酚醛樹脂體系配方。測得9種配方的凍膠強度并進行分析，結果見表2。由表2可以看出，堿木素-酚醛樹脂體系的最優化配方為：ω(堿木素)=0.10，ω(酚醛樹脂)=0.035，最佳適用pH值為9.75，因子主次的先后順序為體系pH、酚醛樹脂含量、堿木素含量、礦化度，pH對堿木素-酚醛樹脂體系的影響最大，礦化度對體系的影響最小，可初步判斷堿木素凍膠耐鹽性能較好。

表1 堿木素高溫堵劑正交試驗的因素與水平

2.3最優配方性能評價

表2 以凍膠強度為主要考察指標的正交試驗

1)優化配方成膠前的粘度 按優化配方配置堿木素-酚醛樹脂體系，用NDJ-7型旋轉粘度計測得在25℃下的粘度為3.3mPa·s，該體系為分子分散的溶液體系，方便注入地層。

2)優化配方的成膠時間和凍膠強度 按優化配方配置堿木素-酚醛樹脂體系，測得該體系在200℃條件下的成膠時間為1.5h，凍膠強度(突破真空度)為0.092MPa，2個指標均可滿足蒸汽調驅的要求。

3)抗鹽性能 研究了氯化鈉和氯化鈣含量對堿木素-酚醛樹脂體系成膠性能的影響[11],鹽含量的增加可縮短膠凝時間，降低凍膠強度；當礦化度低于一定值時，鹽含量對該體系的影響較低，說明該堵劑抗鹽性能好；體系可應用于NaCl 濃度低于5×104mg/L、CaCl2濃度低于7.5×103mg/L的地層。

4)優化配方的熱穩定性 200℃條件下考察了堿木素-酚醛樹脂體系的熱穩定性，結果表明，堿木素-酚醛樹脂體系在200℃的高溫環境下，一個月內未發生破膠現象，而且其強度損失為9.78%(低于10%)，表明該體系具有良好的熱穩定性。

3 結 論

①正交試驗優化了堿木素高溫堵劑配方，最優化配方為：ω(堿木素)=0.10，ω(酚醛樹脂)=0.035，pH值為9.75。②堿木素高溫堵劑最優配方的基液的初始粘度為3.3mPa·s，方便注入地層。③該配方成膠時間為1.5h，凍膠強度為0.092MPa，成膠時間短，凍膠強度大。④該堵劑在200℃的高溫環境中，一個月內未發生破膠現象，熱穩定性好。⑤該堵劑在NaCl含量為5×104mg/L、CaCl2含量為7.5×103mg/L時仍可形成強度較高的凍膠，其耐鹽性能好。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.023

TE357

A

1673-1409(2012)01-N071-03