聚合物凝膠改善水驅波及技術現狀及展望

(東北石油大學 黑龍江 大慶 163318)

聚合物凝膠改善水驅波及技術現狀及展望

何子昂

(東北石油大學黑龍江大慶163318)

聚合物凝膠體系以其優秀的擴大波及體積的效果已經被廣大油田所應用。按照組成成分和應用條件，聚合物凝膠體系主要分為單體凝膠、聚合物凝膠和預交聯凝膠3種。最早使用的地下單體凝膠聚合堵水調剖劑為丙烯酰胺；傳統的地下交聯聚合物凝膠技術包括金屬交聯聚丙烯酰胺本體膠和有機交聯聚丙烯酰胺本體膠；預交聯凝膠體系包括預交聯凝膠顆粒、微凝膠及透明水。基于對三大凝膠體系成分及應用條件的分析，提出未來新型凝膠研究應加強深部液流轉向用凝膠的開發及應用于惡劣油藏環境凝膠的研制。

單體凝膠；地下交聯聚合物凝膠；預交聯凝膠；展望

一、引言

通過提高采收率技術提高油田產量已經成為各大油田的首要任務。而油氣井出水是成熟油氣藏存在的主要問題，有效地控制油氣井出水量對于該階段油田的穩油控水具有十分重要的意義。油氣藏的非均質性是油田采收率較低和含水過高的重要原因之一。目前通常采用注入化學劑從而實現擴大注入水波及體積進而達到穩油降水的目的，如聚合物驅、聚合物-堿-表面活性劑復合驅、泡沫驅、凝膠堵水調剖等。其中，聚丙烯酰胺類聚合物凝膠作為一項經濟有效的產品已得到廣泛應用。聚合物凝膠主要通過改變液流轉向從而達到顯著降低產水率的目的。從應用的角度講，聚合物凝膠可以分為兩類：一是滲透率降低劑，二是相對滲透率改善劑(RPM)，又稱為滲透率不均衡改善劑(DPR)。本文闡述目前國內外常用凝膠體系的發展歷史及開發過程，以便更好地了解每種聚合物凝膠體系的主要優缺點，從而為管理者決策和科研人員研制更好的產品提供技術參考。

二、聚合物凝膠技術現狀

(一)地下交聯單體凝膠技術

丙烯酰胺單體凝膠是最早使用的地下聚合堵水調剖劑。該體系的優點是未成膠前，交聯體系溶液的初始黏度很低，與水相似，因此很容易進入地層。另外，由于丙烯酰胺具有毒性，是潛在的致癌物，因此哈里伯頓公司研制出一種低毒性的溫度敏感型單體凝膠體系，該體系在溫度高達93.3℃時成膠時間仍可控，在溫度高至148.9℃的環境下可以穩定1年。這種膠體需要較高的單體濃度，在單體濃度低時，成膠后膠體微溶于水且強度較低，因而膠體對單體濃度要求高。因此有必要研制性價比更高的新型凝膠技術以滿足石油工業的需要。

(二)傳統地下交聯聚合物凝膠技術

20世紀70年代，Philips公司初次嘗試運用部分水解聚丙烯酰(HPAM)和檸檬酸鋁合成地下聚合物凝膠，成為首個應用調剖技術的公司。之后，地下聚合物凝膠調剖技術得到了更多的關注。這一類凝膠體系由大分子聚合物和交聯劑組成。在內部或外部刺激作用下，一個交聯劑分子與兩個鄰近的聚合物分子締合或配合，在油藏條件中形成立體網狀結構。這種網狀結構在分子層面呈一種獨特的流體狀態，而在宏觀上則呈類固態。

有機交聯聚丙烯酰胺體系。為了滿足惡劣環境下(如高溫、高鹽、高PH值)的凝膠處理需要，Chang等根據酚類化合物和甲醛之間的交聯反應合成了一種聚丙烯酰胺凝膠一些油田已應用該體系進行油氣井堵水和封堵誤射層。隨后研制的磺甲基酚醛樹脂系統有更高的抗鹽、抗堿能力，其成膠時間更長，凝膠適用的PH值范圍也更大。然而，這兩種凝膠體系的交聯劑具有一定的毒性，因此應用時需謹慎。為延緩有機交聯PAM凝膠體系的成膠反應時間，Hutchins等開發了一種在高溫油藏中應用的有機交聯凝膠。該凝膠體系由HPAM和對苯二酚(HQ)與環六亞甲基四胺(HMTA)的交聯物合成。室內實驗表明，該凝膠體系在149℃下可穩定12個月以上，在176.7℃下穩定5個月以上。

(三)預交聯凝膠技術

盡管地下凝膠體系由于價格較低而得到廣泛應用，但地下凝膠體系存在一些固有的缺點，如成膠時間難以控制，剪切降解導致膠凝作用存在不確定性，地層水的稀釋影響凝膠質量等。為避免地下交聯體系存在的上述缺點，近年來，預交聯凝膠得到重視和推廣。該凝膠體系在地面設備中合成，為便于注入，一般采用顆粒形式注入地層，通過顆粒架橋或堆積等物理堵塞減小大孔道滲透率。這類凝膠的熱穩定性對于物理化學環境(PH值、礦化度、多價陽離子、H2S、溫度和切應變、剪切)不太敏感。注膠過程往往只注入一種成分，因此注入過程更簡單。預交聯凝膠體系包括預交聯凝膠顆粒、微凝膠及透明水(Bright WaterTM)。這幾種凝膠顆粒體系的主要區別在于顆粒大小、膨脹倍數和膨脹時間。所有用于堵水調剖的預交聯凝膠分散體系都屬于高吸水聚合物(SAP)。SAP為立體網狀結構，可吸水但不溶于水，吸水后體積可膨脹10倍以上。

三、新型凝膠的開發展望

水驅開發油田注入水水竄是影響原油產量和經濟效益的主要問題之一，因此，開發低成本、適合多類油田堵水調剖的凝膠體系十分關鍵。表1總結了現有的幾種常見凝膠體系的優缺點以及適用范圍，包括地下凝膠、部分預交聯凝膠和預交聯顆粒凝膠。

(一)用于深部液流轉向凝膠的開發

盡管地下交聯聚合物凝膠和凝膠顆粒作為深部液流轉向劑已經得到了廣泛的研究，但要提高分流效率，還需要解決一些重要問題。表2為幾種現有的深部液流轉向劑的對比。根據比較，認為應該在以下幾個方面開展研究工作。

1.地下交聯凝膠

關于地下交聯凝膠體系應考慮以下問題。①體系在油藏條件下的熱穩定性。油藏條件主要指溫度、地層水礦化度(多價陽離子濃度)和二氧化碳或硫化氫的存在。②交聯過程和在油藏中的成膠質量。在注入聚合物、交聯劑和添加劑混合物的過程中，影響成膠過程和成膠質量的因素有：泵送過程和通過孔喉時剪切力導致的聚合物性質的改變、交聯體系各組分在地層中的吸附作用及相應的層析分離、地層水稀釋導致的膠液成分改變及可能發生的pH值改變等。③凝膠體系對低滲透未波及帶的潛在損害。在成膠前，膠液與聚合物溶液性質相似，根據聚合物驅油原理，聚合物比水更容易進入低滲透地帶。如果成膠體系在未波及帶成膠，則會對地層造成嚴重損害。因此，合理控制交聯體系在不同滲透層的注入量，對深部液流轉向技術的成功應用具有十分重要的意義。

2.預交聯凝膠

預交聯凝膠顆粒由于其自身的優點而引起了廣泛研究和重視。然而，現有的產品仍具有一些局限性，阻礙了凝膠顆粒技術的發展。例如：毫米級顆粒在裂縫或者大孔道中的封堵作用有限。透明水和微米顆粒不能用于高滲透層的封堵。另外凝膠顆粒在多孔介質中的流動機理及其評價方法還有待進一步研究，這類研究對凝膠顆粒的優化將起到關鍵的推動作用。

(二)惡劣油藏環境中的凝膠應用

現有的凝膠體系通常無法在溫度高于100℃的油藏中保持1年以上，尤其當聚合物(膠液主要成分)濃度低于0.5%時保持時間更短。但是，隨著常規油藏產量的降低，稠油油藏開發更加重要，蒸汽驅是稠油油藏開發最有效的手段，蒸汽驅過程中油藏溫度可升至300℃。現有的低成本膠不適用于如此高的油藏溫度。另外，需研制適合高溫(90～170℃)高鹽(鹽濃度高達30%)油藏的低成本凝膠體系。

四、結語

聚丙烯酰胺聚合物凝膠在堵水、調剖等方面起到了顯著效果，提高了原油采收率。預交聯凝膠克服了地下凝膠的一些缺點，具有廣泛的應用前景。凝膠體系的選擇主要依據油藏環境，包括地層溫度、壓力、礦化度、油藏巖性和地層流體性質等。隨著聚合物凝膠體系應用的增多及對其在多孔介質中運移機理研究的深入，聚合物凝膠在提高采收率中的應用潛力將越來越大。

何子昂(1995-)，男，研究生，東北石油，研究方向油藏數值模擬。