油田疏水締合聚合物封堵機理研究與性能評價

摘 要：石油、天然氣儲量是石油和天然氣在地下的蘊藏量，它是油、氣田勘探開發成果的綜合反映。無論是勘探階段還是開發階段，油氣儲量一直是石油工作者追尋的主要目標，是油氣田勘探、開發過程中的一項極為重要的工作任務。油氣儲量是指導油氣田勘探、開發，確定投資規模的重要依據。因此，石油、天然氣儲量計算的準確與否至關重要。文章從見水特點和開發特點為基礎，對靖安油田化堵調剖工藝試驗和疏水締合聚合物封堵機理研究，并且進行了設計的評價和標準的提出。

關鍵詞：油田；疏水締合聚合物；封堵

分層注水是目前我國應用最為廣泛的提高石油采收率的方法，對我國的石油增產穩產具有重要意義，其中分層流量控制是分層注水方法的核心技術之一。隨著中老油田開發過程中注采不平衡問題的積累和非均質復雜斷塊油層的開發，使得油田井層間滲透率和壓力產生不平衡，這要求分層注水方法的分層更加細化，而傳統固定水嘴堵塞器存在測調工作量大和流量受地層和注水壓力影響的缺點，因此急需新的替代技術以適應當前注采工藝的要求。恒流堵塞器具有測調工作量小、結構簡單及成本低等優點，是一種理想的分層注水流量調節方法。但現有恒流堵塞器存在流量調節精度較低和使用可靠性較差的缺點。

國外油田對堵水、調剖技術的研究十分活躍，在機理研究和化學劑研制和油田整體堵水調剖等方面都取得了進展。我國自五十年代開始進行堵水技術的探索和研究，至今大體經歷了四個發展階段，每個階段都有突出的成就，但是總體來看，還是技術工藝方面較之國外略有遜色，所以對這個方面的研究是很有意義的。

本文從XX油田長6油藏的見水特征、見水規律、見水機理上進行研究分析，并從井網適應性、井網布置特征與見水關系上做了比較深入的研究，總結出見水規律及見水機理，并針對裂縫特征采取有效治理措施。該技術采用的水驅流向改變劑+疏水締合聚物復合堵劑是治理裂縫性油藏注水井深部調剖的有效途徑。

1 疏水締合聚合物封堵機理研究

1.1 締合機理

首先要對疏水締合水溶性聚合物的作用機理進行一個分析，首先聚合物分子鏈上帶有親水的主鏈和疏水的側基，其中疏水疏水基會進行聚合，聚合物雖能溶于水，但畢竟疏水，所以疏水側基還是具有逃離極性環境的趨勢以及能形成三維立體網狀空間結構的趨向，所以聚合物在較低分子量情況下還是可以有粘度。（圖1）

1.2 抗剪切機理

聚合物分子間的締合作用使溶液內形成三維立體網狀結構。由于締合基的特殊性，使得締合聚合物具有理想的抗剪切性。表1是濃度聚合物和水解聚丙烯酰胺剪切前后粘度的變化實驗數據，可以從中看出抗剪切的機理。（圖2）

1.3 抗鹽機理

鹽對聚合物溶液粘度的影響還是比較大的，尤其是在對靜電排斥作用的影響和對疏水締合作用的影響上顯得非常明顯。

表2給出了相同溫度（50℃）條件下，體系礦化度對疏水締合聚合物溶液表觀粘度的影響。而從表中可看出：疏水締合聚合物溶液在鹽度較低時，分子內締合占主導地位，隨著鹽度增大，分子間締合能力增強，結構粘度相應增大，即疏水締合聚合物溶液由于疏水基的作用對鹽表現出不敏感甚至出現鹽增粘行為。從鹽度的不同種可以看出聚合物的濃度變化非常大。

2 疏水締合聚合物的性能評價

2.1 締合聚合物主劑濃度對體系成膠性能的影響

堵水作業是”控制水油比”或“控制產水”。其實質是改變水在地層中的流動特性，即改變水在地層的滲流規律。堵水作業可以在油井（生產井）上進行，也可以在注水井上進行，通常前者稱為油井堵水，后者稱為注水井調剖。所以疏水聚合物的性能評價也就顯得尤為重要，在聚合物調剖提高采收率技術中，聚合物用量多少是確定凝膠成膠強度以及影響技術經濟成果的關鍵參數。

2.2 締合聚合物調剖體系老化穩定實驗

老化穩定實驗就是觀察隨著老化時間增加，粘度持續增大（研究時間范圍內），聚合物在此老化溫度下具有的老化穩定性，一般而言，聚合物分子鏈基本沒有熱降解，而分子間締合隨老化時間的增加不斷加強（在此溫度下和時間范圍內）。在油層溫度和地層水礦化度都很惡劣的條件下，研究穩定性問題十分重要。

所以地層條件下凝膠體系的穩定性比較好。實驗結果表明分子結構設計合理的締合聚合物具有能滿足工程施工的溶解速度，高效增粘，耐溫耐鹽，良好老化穩定性和抗剪切特性；而另外的實踐證明，高粘締合聚合物的可注入性，粘度在地下滲流過程中的有效性，建立流動阻力的能力是可以可肯定的；現場實踐證明，締合聚合物溶液在高溫高鹽工作環境下，無論是用在驅油還是調剖上都是有效的。

2.3 締合聚合物調剖體系巖心驅替實驗

為了評價締合聚合物調剖三次采油方法的技術效果，將人造巖芯（直徑2.5cm，長度10cm，大慶石油學院提供）并聯，分別用四組滲透率級差不同的巖芯組合進行試驗，研究注入締合聚合物凝膠體系前后，吸水剖面的變化和改善情況。締合聚合物調剖體系為：締合聚合物濃度3000mg/l+藥品A0.0549%+藥品B0.112%+藥品C0.0549%+藥品D0.0115%。（圖3）

2.4 締合聚合物調剖巖心驅替效果評價實驗

20世紀80年代在大慶油田做個此類效果評價的實驗，為了客觀評價締合聚合物調剖驅油的實際效果，對其進行評價機制是很有意義的。當時的情況是在大慶油田油層及流體性質條件下，研究了疏水締合聚合物-堿-表面活性劑三元復合體系（ASP）的物理化學性質并進行了驅油效果評價。結果表明疏水締合聚合物具有良好的耐鹽、耐堿性，在相同粘度（例如40mpa·s）下，締合的聚合物用量比部分水解聚丙烯酰胺三元復合體系低50%～70%；體系具有良好的抗剪切性和相穩定性。這種評價也為我們的評價建立很好的模型，也就是對于此類效果評價可以基于哪些指標來做出。在本研究中，在模擬油層平均非均質變異系數Vk=0.72的三層非均質巖心上進行了調剖巖芯驅替試驗。

實驗選用鹽、油和聚合物交聯體系作為試劑，其中鹽水中的主要成分組成見表4、表5。而疏水締合聚合物交聯體系由聚合物3000mg/l+藥品A0.0549%+藥品B0.112%+藥品C0.0549%+藥品D0.0115%組成，并在微孔濾膜上過濾后才能用于實驗。

然后是準備好正確的巖芯，一般選擇標準會是外形完整、已測滲透率的巖芯長30cm、橫截面4.5cm×4.5cm，平均空氣滲透率1000×10-3？滋m2左右），置烘箱中烘干，并稱量其干重和測量其外形尺寸。

準備好這些，先將巖芯在真空條件下飽和地層實際產出污水，然后進行水驅（按產出污水配置），直到巖芯出口端含水98%，并且于此同時可以注入不同段塞大小的締合聚合物調驅段塞溶液，然后關閉巖芯進口端和出口端3天；接著進行水驅，直到巖芯出口端含水98%，計算締合聚合物調驅增采的油量及采收率。

實驗結果：締合聚合物調剖巖心驅油試驗結果見表，隨機抽取其中8次結果來進行分析。

由表2，圖4結果可以看出注入量的每個區間值都會引起效果的截然不同，巖芯驅替效果評價試驗的結果表明，在對儲層實施締合聚合物調驅時，調剖效果并不是隨著注入量的增大而增大，而是存在著一個最佳注入量范圍，此時的采收率增幅最大。

3 疏水締合聚合物的特點

疏水聚合物的特點有以下幾個方面：吸附能力強，從而提高了耐沖刷能力：

締合聚合物溶液粘度大，在是可逆和熱力學穩定的物理交聯下，不會在高溫高鹽和隨時間延長而出現化學交聯那樣的脫水收縮等相分離現象，反而表現出更高的強度和更好的熱穩定性及抗脫水性。

聚合物還具有低剪切下的剪切增稠和高剪切下更強的剪切稀釋性：

（1）對水質要求低既可用清水也可用污水配置

可用清水或產出污水配制母液，再用油田產出污水或海水稀釋溶液。所得AP-P污水目標溶液的粘度都能達到和超過用污水甚至清水配制的HPAM同濃度溶液的粘度。如1200～1500mg/L的AP-P的污水溶液（其礦化度依來源不同而異）粘度達到或超過30～70mPa·s，而同濃度的HPAM溶液粘度為10～3mPa·s（70℃，7.34s-1，下同）。

（2）溶解性能好

聚合物AP-P的溶解過程明顯分為兩個階段：溶解和熟化。熟化過程中溶液粘度將隨時間明顯上升，最后達平衡。如1500mg/L污水溶液最初為20～40mPa·s，4～24hr后可達到40～70mPa·s以至更高。熟化既可在溶液配制罐中，也可以管道流動中直至在地層滲流中進行，使溶液粘度趨于更高，故可獲更好驅油效果。

溫度為45℃，礦化度1.6萬模擬污水中2.5h完全溶解。在污水中一般溶解時間約2小時。

（3）抗剪切能力強

締合聚合物溶液的抗剪切能力明顯強于現用HPAM。實驗表明締合聚合物溶液經模擬炮眼剪切后溶液粘度的保留率及保留值均明顯大于同等條件下HPAM的。

（4）抗鹽能力強

粘鹽關系（溫度88℃，聚合物濃度1500ppm，7.34s-1）（見表4）

（5）抗溫能力強

粘溫關系（聚合物濃度1500mg/l，礦化度1.6萬，7.34s-1）（見表5）

4 締合聚合物深部復合調驅體系在油藏試驗適應性分析

4.1 因為油層的地址情況是不均勻的，所以注入油層的水有80%～90%的量為厚度不大的高滲透層所吸收，致使注入剖面很不均勻。為了發揮中、低滲透層的作用，提高注入水的波及系數，就必須向注水井注入調剖劑。按調剖劑的作用原理、使用條件和注入工藝的不同，和油井情況的匹配程度來進行選擇不同的調剖劑。

4.2 長6有用做調剖實驗的理由和意義，比如油藏儲量巨大，采出程度很低，尤其是角井在開發很短時間內就出現水淹現象，儲量動用程度相當低。

4.3 室內實驗證明締合聚合物深部復合調驅體系具有調堵裂縫或”賊層”的優勢。

4.4 從對締合聚合物的機理和溶液性質研究、締合聚合物調堵體系的機理以室內評價以及水驅流向改變劑的機理和室內研究可看出這種深部復合調驅體系具有抗鹽的特性，能夠適應這種特殊水型。

4.5 一般而言，主要是通過聚合物地下交聯調剖起作用，該方法是將一定量的聚合物溶液與交聯劑混合后注入地層，在地層溫度條件下進行交聯反應，生成凍膠封堵高滲透層。這說明該機理的理論依據得到了很好的證實，可以用作我們的大型試驗。

反應原理：六次甲基四胺在酸性介質中加熱可產生甲醛——甲醛與間苯二酚反應可生成多羥甲基間苯二酚——甲醛、多羥甲基間苯二酚均可與聚丙烯酰胺（PAM）發生交聯作用，生成復合凍膠體——多羥甲基間苯二酚與PAM縮聚。

4.6 六次甲基四胺在較高溫度下才能釋放出甲醛，因此可以延緩交聯時間。聚丙烯酰胺與多羥基酚反應后，在分子鏈中引入苯環，可增強凍膠體的熱穩定性。其典型配方（質量%）為；PAM（相對分子質量4×106～6×106，水解度5%～15%）0.6%～1.0%、六次甲基四胺0.12%～0.16%、間苯二酚0.03%～0.05%，pH=2～5。該調剖劑適用于我們靖安油井，井溫為60～80℃。

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