新型偶氮類高強堵水劑研究進展

王毓才

（中國石油吉林油田分公司 吉林松原 138000）

作為堵水劑，聚丙烯酰胺應用比較普遍，其體系多由聚丙烯酰胺與無機交聯(lián)劑或有機交聯(lián)劑組成，優(yōu)點是成膠時間和成膠強度可調(diào)，可滿足不同油藏條件的需求，缺點是溶解時間長、注入過程中易受剪切影響。本研究以丙烯酰胺、丙烯酸和偶氮類交聯(lián)劑為原料，采用地下聚合制備高吸水性樹脂的方法，讓其在地下聚合后產(chǎn)生封堵作用。該堵水劑在地面易配制、粘度低、易泵入、成膠時間可調(diào)，可實現(xiàn)中高溫油藏中、高滲透帶有效封堵。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

丙烯酰胺和丙烯酸分子中有共軛體系結(jié)構(gòu)，由于羥基吸電子能力強，使C = C鍵上的電子云密度降低，引發(fā)劑2,2-偶氮雙（2-脒唑啉丙烷）鹽酸鹽在60～80℃分解后形成初級自由基，可與丙烯酰胺和丙烯酸分子中的C= C鍵進行連鎖加聚反應，在交聯(lián)劑亞甲基雙丙烯酰胺存在時，上述聚合反應和交聯(lián)反應可同時進行，生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凍膠型聚合物。

1.2 實驗藥品

丙烯酰胺，丙烯酸，N，N-二甲基雙丙烯酰胺，十二烷基苯磺酸鈉，2,2-偶氮雙（2-脒唑啉丙烷）鹽酸鹽，上述試劑均為分析純試劑，清水，模擬地層水（離子組成如表1所示）。

表1 實驗用水離子組成（mg/L）

2 實驗評價及分析

2.1 新型堵水劑體系的配制

按照設(shè)計配方的要求加入一定量的丙烯酸（AA），用氫氧化鈉（NaOH）中和丙烯酸至pH值為7.0～8.0，然后加入一定量丙烯酰胺（AM）、交聯(lián)劑N,N-二甲基雙丙烯酰胺（MBA），引發(fā)劑2,2-偶氮雙(2-脒唑啉丙烷)鹽酸鹽及相容劑十二烷基苯磺酸鈉和一定量的蒸餾水或模擬地層水，置于60～80℃的恒溫箱中，測定其成膠時間以及成膠后的粘度。

2.2 新型堵水劑配方體系確定

2.2.1 單體濃度確定

引發(fā)劑0.1%、交聯(lián)劑0.10 %、相容劑0.05%不變，改變單體濃度2.0%～6.0%下新配方體系性能的影響（表2）。隨著單體濃度的增加，成膠時間明顯縮短，凝膠強度增大，當單體總濃度低于2.0 %時，體系不增粘、不成膠，這主要是由于水溶液聚合反應中單體濃度過低、活性中心減少，導致產(chǎn)物的分子量低、交聯(lián)度低。考慮到成本因素，單體濃度一般控制在3.0%～4.0%之間。

表2 單體濃度對成膠時間和成膠率的影響（60℃）

2.2.2 交聯(lián)劑濃度對成膠性能確定

固定單體濃度為4.0%、引發(fā)劑濃度為0.1%、0.05%相容劑的條件下，考察交聯(lián)劑濃度（0.05%～0.4%）對堵水劑性能影響（表3）。隨著交聯(lián)劑濃度的增加，成膠時間略有縮短，但當交聯(lián)劑濃度大于0.2%成膠率有所下降。這主要是由于交聯(lián)劑濃度過高將導致交聯(lián)體系的三維空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)過于緊密，網(wǎng)絡(luò)空間變小，導致脫水現(xiàn)象的發(fā)生。

表3 交聯(lián)劑濃度對成膠時間和成膠率的影響（60℃）

2.2.3 引發(fā)劑濃度對成膠性能確定

單體濃度為4.0%、交聯(lián)劑為0.1%、相容劑濃度為0.05%的條件下，考察引發(fā)劑濃度（0.05%～0.4%）對新型堵水配方體系性能的影響（表4）。隨著引發(fā)劑濃度的增加，成膠時間逐漸縮短，成膠率有所下降。這主要是由于引發(fā)劑用量較少時聚合速度慢，導致聚合不完全；但引發(fā)劑用量過大時聚合產(chǎn)品分子量低、副反應增加，導致交聯(lián)度過大，成膠率也較低。

表4 引發(fā)劑濃度對成膠時間和成膠率的影響（60℃）

通過以上不同添加劑的加量對成膠性能的影響分析，最終確定堵水劑的最佳配比：3.5%～4.0%的單體（AM與AA質(zhì)量比為1:1），0.05 %～0.3 %引發(fā)劑V50，0.01 %～0.05 %交聯(lián)劑MBA，0.05%相容劑。

2.3 新型堵水劑體系性能評價

2.3.1 溶解性實驗

按照配方4.0%（AM與AA的質(zhì)量比為1:1）+0.1%引發(fā)劑V50+ 0.10 %交聯(lián)劑MBA+0.05%相容劑，其中NaOH加入量為AA質(zhì)量的0.54倍，準確稱取新型堵水配方體系中各組分，按照2.1實驗方法配制新型堵水劑配方體系溶液，在不同時間取樣測定粘度（圖1）。經(jīng)過10min攪拌，溶液的粘度即可達到2.0mPa·s，再延長攪拌時間后黏度基本不變，說明該體系溶液有非常好的溶解性。該體系黏度值低、流動性能近似于水，在堵水作業(yè)中可充分進入地層孔隙。

圖1 溶解時間對新型堵水配方體系粘度的影響（25℃ ）

2.3.2 強度實驗

用清水配置溶液，置于60℃恒溫水浴觀察成膠時間與黏度的變化關(guān)系（圖2）。12.0 h后體系黏度明顯提高，但在該黏度下注入性仍然很好。24.0h后體系黏度達到2.0×104mPa.s，體系已失去流動性、成為凍膠。不過，在注入過程中，流體和低溫液體不斷接觸，聚合速度和黏度提高幅度較室內(nèi)實驗慢些。

圖2 堵水劑成膠時間與黏度的關(guān)系

2.3.3 吸水膨脹性實驗

用清水配制溶液，使其在60℃溫度下成膠。取生成的凍膠放入1000 mL燒杯中，加水使其吸水膨脹（60℃），在不同時間測量吸水膨脹倍數(shù)（表5）。凍膠8h吸水膨脹至原體積4.9倍，24h可吸水膨脹至原體積8倍左右，說明在地層孔隙中凍膠吸水膨脹，可擴大封堵體積，提高封堵強度。

表5 膨脹倍數(shù)與時間的關(guān)系（60℃）

2.3.4 巖心封堵實驗

選取不同油藏滲透率，采用40～100 目石英砂充填2.50cm×100cm填砂管模型模擬地層鹽水飽和后，用清水測定滲透率，注入1.0PV調(diào)剖體系，測定突破壓力和封堵率，最后用30PV注入水沖刷，測其巖心封堵效率及滲透率變化（表6）。

表6 巖心封堵性能評價實驗

堵水劑對中高滲儲層巖心封堵效率大于99.9%，突破壓力梯度2 MPa/m以上，初始封堵率與經(jīng)過30.0PV水沖刷后封堵率相比相差不大，說明該堵水劑不僅有較強的封堵能力，而且有較高的抗沖刷穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）該新型堵水劑配方體系可在油藏內(nèi)16～20min內(nèi)完成聚合，不受剪切作用影響。通過主劑、交聯(lián)劑、引發(fā)劑等因素評價，最優(yōu)化的實驗配方為：單體濃度為4.0%（AM與AA質(zhì)量比為1:1）、引發(fā)劑V50濃度分別為0.10%、交聯(lián)劑MBA濃度為0.1%、相容劑濃度為0.05%。

（2）該新型堵水劑配方體系可在地層溫度為60～80℃范圍內(nèi)成膠，成膠時間可調(diào)，完全成膠后失去流動性，對巖心的封堵效率大于99.9%，而且有較高的抗沖刷穩(wěn)定性, 可以實現(xiàn)對中高溫油藏中、高滲透帶的有效封堵。

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