弱凝膠深部調剖劑的研制及性能評價

張　洪，鄭繼龍，宋志學，陳　平,胡　雪,趙　軍

(1.中海石油(中國)有限公司天津分公司;2.中海油能源發展股份有限公司鉆采工程研究院:天津塘沽 300452)

交聯聚合物驅可充分發揮交聯聚合物的優勢，實現高注入能力和大規模注入，對油藏內部流體起到調節作用[1]。交聯聚合物驅不僅能起到調剖、堵水的作用，同時能調節層間或層內矛盾，增加波及體積[2]。按聚合物使用濃度分類，交聯聚合物可分為2種：一是膠態分散凝膠或可流動凝膠等低濃度聚合物體系；二是弱凝膠調驅體系。

弱凝膠[3]是一種由低濃度聚合物和交聯劑形成的凝膠體系，可大幅度降低化學劑用量。大量研究表明，弱凝膠或膠態分散凝膠(CDG)深部調剖技術經濟可行，具有較好的應用前景[4]。與常規聚合物相比，弱凝膠體系具有成膠時間長、成膠強度小、聚合物用量低、選擇性強、耐高溫高鹽、阻力系數和殘余阻力系數低、剪切穩定性好、對地層不會造成永久傷害等特點[5]。

1　弱凝膠驅油機理

交聯弱凝膠驅油技術是在聚合物驅技術和凝膠堵水技術基礎上發展起來的一項新技術，其驅油體系是一種由低濃度聚合物和交聯劑形成的以分子間交聯為主、分子內交聯為輔的凝膠體系。宏觀上，凝膠線團之間靠化學鍵作用連成整體；微觀上，凝膠線團由聚合物分子交聯而成，線團間靠化學鍵和氫鍵連接，這種連接受剪切作用后易破壞。因此，一方面交聯弱凝膠會對高滲通道產生封堵作用，使后驅流體流向改變，對低滲層中未波及或波及程度低的區域產生驅替作用，起到調剖作用；另一方面，由于凝膠線團間靠少量化學鍵和氫鍵相連，在后續注入流體的推動下，凝膠線團間的化學鍵和氫鍵易被破壞，使弱凝膠向儲層深部運移。在運移過程中，弱凝膠受地層剪切形成體積小的凝膠團，這些凝膠團在向儲層深部運移過程中會重新分布、聚集，從而改變多孔介質中的微應力分布，在后注驅替液粘滯力的作用下，對剩余油產生驅替作用[6]。

2　實驗部分

2.1　試劑和儀器

乳酸鈉，化學純，淄博天智化工有限公司；結晶氯化鋁，化學純，南通金鼎化工有限公司；檸檬酸三鈉，分析純，上海之臻化工有限公司；乙酸鈉，化學純，廊坊天科生物科技有限公司；硫脲，山東振華工業股份有限公司；聚丙烯酰胺，法國。

恒溫箱，揚州華寶石油儀器有限公司；JJ-3六聯電動攪拌器，上海汗諾儀器有限公司；Sartorius電子天平，精度0.001 g；移液管;洗瓶;玻璃棒;燒杯;量筒等。

2.2　實驗步驟及方法

1)聚合物主劑的配制。根據所需溶液濃度及用量，稱取聚丙烯酰胺粉末，配制聚丙烯酰胺溶液母液，備用；將配制好的母液稀釋為所需的含量(文中百分數均指質量分數)。

2)交聯劑的制備。稱取一定量的檸檬酸三鈉、乙酸鈉、乳酸鈉和氯化鋁，加蒸餾水分別溶解在燒杯中，并分別移入250 mL的容量瓶中，配制成10%的鹽溶液。按物質的量比為1∶1將氯化鋁分別與檸檬酸三鈉、乙酸鈉和乳酸鈉配制成交聯劑，并標記為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ，靜置3天后使用。

3)交聯劑種類的篩選。分別取一定量聚丙烯酰胺溶液(pH為7)，各加入0.3%交聯劑Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ，混合搖勻后裝入標有代號的密封玻璃瓶中，放入65 ℃烘箱內靜置，觀察其成膠情況。

4)交聯體與配位體物質的量比的確定。配制物質的量比不同的有機交聯劑，靜置3天后使用。聚丙烯酰胺含量為0.17%，混合搖勻后裝入標有代號的密封玻璃瓶中，放入65 ℃烘箱內靜置，觀察其成膠情況。

5)交聯劑含量的確定。配制含量為0.11%和0.17%的聚丙烯酰胺溶液，交聯劑中交聯體與配位體物質的量比為1∶1，交聯劑含量分別為5%，8%，10%，12%，15%。混合搖勻后裝入標有代號的密封玻璃瓶中，放入65℃烘箱內靜置，觀察其成膠情況。

6)交聚比的確定。加入0.1%硫脲為穩定劑，聚丙烯酰胺含量為0.11%。交聚比為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，混合搖勻后裝入標有代號的密封玻璃瓶中，放入65 ℃烘箱內靜置，觀察其成膠情況。

7)聚合物主劑含量范圍的確定。聚丙烯酰胺含量在0.05%～0.18%之間變化。交聚比為0.3%，硫脲加量為0.1%，混合搖勻后裝入標有代號的密封玻璃瓶中，放入65℃烘箱內靜置，觀察其成膠情況。

2.3　弱凝膠強度評價標準

受條件限制，實驗采用目測分級方法評價弱凝膠成膠后的強度變化情況。成膠分級見表1[7]。

表1　凝膠強度代碼標準

3　結果與討論

3.1　交聯劑種類的篩選

配制含量分別為0.10%，0.12%，0.15%聚丙烯酰胺溶液。分別加入0.3%交聯劑Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ，觀察其成膠情況，結果見表2。交聯劑I(即氯化鋁與檸檬酸三鈉配制的交聯劑)的交聯效果優于其他2種交聯劑，能達到延緩交聯的目的。

表2　不同交聯劑的成膠情況

各種配位劑的配位能力不同，因而交聯劑的成膠情況也不同。配位劑配位能力的強弱一般用配位常數[8]來表示。表3列舉了幾種常用配位劑的配位常數。

表3　常用配位劑的配位常數

檸檬酸的配位常數高于乙酸和乳酸的配位常數。一般配位常數越高，配位體和交聯體形成的化合物穩定性就越好，釋放交聯體的速度就越慢。由于檸檬酸三鈉的配位能力很強，它能控制鋁離子的釋放速度，從而達到延緩交聯的目的。其他幾種配位劑配位能力相對較弱，在實驗條件下，不能達到延長交聯時間的目的。因此，本實驗采用檸檬酸鋁作為交聯劑。

3.2　交聯體與配位體物質的量比的確定

有機交聯劑的交聯體與配位體之比對成膠性能有較大影響。配制了氯化鋁和檸檬酸鈉物質的量分別為1∶1,2∶1和3∶1的有機交聯劑，靜置3天后使用。實驗中，聚合物含量為0.17%。將交聯劑與聚合物混合搖勻后裝入標有代號的密封玻璃瓶中，放入65 ℃烘箱內靜置，觀察成膠情況，結果見表4。

表4　交聯體與配位體的物質的量比對成膠性能的影響

由實驗結果可知，當有機交聯劑的交聯體與配位體的物質的量比為1∶1時，配制的弱凝膠強度較好。一般而言，弱凝膠起始黏度要低，經過一定時間后，達到一定黏度后方可保證其強度。

3.3　交聯劑含量的確定

交聯劑含量對凝膠的成膠速度和強度的影響較大，因此通過實驗對交聯劑的含量進行篩選。實驗中，聚合物含量為0.11%和0.17%，交聯劑中氯化鋁和檸檬酸鈉物質的量為1∶1，交聯劑含量分別為5%，8%，10%，12%，15%，交聚比均為0.3%。將交聯劑與聚合物混合搖勻后裝入標有代號的密封玻璃瓶中，在60 ℃恒溫條件下進行實驗，結果見表5。

表5　交聯劑含量對成膠性能的影響

由表5可知，交聯劑的含量為8%～12%時，形成的弱凝膠效果較好。當交聯劑含量低于8%時，交聯劑的有效成分偏低，因此交聯劑體系黏度低，達不到調剖的目的。當交聯劑含量大于12%時，交聯劑體系中會出現多余的交聯劑分子，使體系不穩定，長時間放置有脫水現象。

3.4　交聚比的確定

交聚比的確定可進一步完善交聯劑的選擇和成膠結果。保持凝膠體系配方中其他組分加量不變，僅改變交聚比，體系成膠速率隨交聚比的增加而增大，交聚比過少時體系不能形成凍膠。

實驗中，加入0.1%硫脲作穩定劑，聚合物含量為0.11%，實驗結果見表6。交聚比低于0.3%時，成膠緩慢；高于0.3%時，隨著時間延長凝膠有脫水現象。根據實驗結果并考慮經濟成本，確定適宜的交聚比為0.3%。

表6　交聚比對成膠性能的影響

3.5　聚合物主劑含量范圍的確定

在交聯弱凝膠驅油提高采收率技術中，聚合物含量是確定凝膠成膠強度以及影響技術經濟成果的關鍵參數[9]。因此，在室內研究基礎上考察了聚合物主劑(聚丙烯酰胺)含量對交聯弱凝膠體系成膠性能影響，結果見表7。

表7　聚丙烯酰胺含量對成膠性能的影響

由表7可知，聚合物含量在0.08%～0.17%范圍內，均可形成穩定性較好的弱凝膠，且隨聚合物含量增加，弱凝膠體系的成膠速度加快，形成的弱凝膠強度增加，穩定性變好。當聚合物含量高于0.17%時，形成的凝膠不穩定，易脫水。當聚合物含量低于0.08%時，形成的凝膠強度較低。根據實驗結果并綜合考慮經濟成本，確定聚合物主劑含量在0.08%～0.17%范圍內。

4　結論

1)研制的弱凝膠以聚丙烯酰胺為主劑，適宜的含量范圍是0.08%～0.17%；有機交聯劑的適宜含量為8%～12%，其中配位體檸檬酸三鈉與交聯體氯化鋁最佳物質的量比為1∶1；適宜的交聚比為0.3%。

2)制得的弱凝膠具有較高的黏度和合適的成膠時間，可用于深部調剖。

[1]穆停華.交聯聚合物驅數值模擬研究[D].青島：中國石油大學(華東)，2011.

[2]李穎，蔣生祥，孟靜，等.微孔濾膜評價弱凝膠封堵性能方法研究[J].國外油田工程，2006(5):42-44.

[3]李永太.弱凝膠驅油技術研究[D].成都：西南石油學院，2004.

[4]范振中.酚醛樹脂交聯聚丙烯酰胺弱凝膠調剖劑的研究與應用[D].杭州：浙江大學，2005.

[5]潘偉義.弱凝膠深部調剖作用機理研究[D].北京：中國地質大學(北京)，2006.

[6]李永太，彭志剛，馮茜，等.深部調驅用弱凝膠有機鉻交聯劑的合成與性能[J].西南石油學院學報，2003: 25 (6)：46-48.

[7]白金蓮.特低滲透裂縫性油藏深部調剖技術研究[D].成都：西南石油大學，2009.

[8]孫為銀.配位化學[M].北京：化學工業出版社，2010:2-28.

[9]劉波，褚奇，閆書一,等，長6油層疏水締合聚合物調剖體系研究[J].廣州化工，2010: 38 (5):129-131.