高礦化度下弱凝膠體系調剖性能研究

張承麗，王 鵬，宋國亮

（1. 東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318；2. 東北石油大學 數學與統計學院，黑龍江 大慶 163318）

低滲透油藏往往存在大量裂縫，注水開發過 程中易造成水淹、水竄等現象［1］，因此需要對油水井進行調剖和堵水措施，進而提高低滲透油藏的采收率。弱凝膠調驅技術結合了聚合物驅的流度控制和調剖堵水的調整油藏滲透率非均質性兩者的優勢，可以大幅度提高油井產油量，降低含水，增加最終采收率［2］，但油藏高鹽條件嚴重限制了弱凝膠調驅技術的推廣應用［3］。聚丙烯酰胺（HPAM）交聯體系形成的弱凝膠是由HPAM分子上的官能團與交聯劑之間發生反應，形成復雜的具有三維立體的網狀結構的分散體系，具有聚合物用量少、可流動性好、可選擇性封堵和剪切穩定性好等優點［4］。Sydansk［5］于1988年提出了利用HPAM和有機交聯劑生成的凝膠體系進行油藏調剖，目前，建立了該類凝膠體系的動力學［6-11］，解決了凝膠體系流變性和力學性能的評價［12-14］。Vega等［15］提出一種評價和調整凝膠體系的實驗方法可用來考察聚合物濃度、溫度等對凝膠體系的影響。Saez等［16］利用弱凝膠體系在位于阿根廷內烏肯盆地的油田進行現場應用，在部分井組取得了技術上和經濟上的良好效果。但關于地層礦化度對凝膠體系的影響則鮮有報道。

本工作針對低滲透裂縫性油藏的特點，研制了一種適用于高礦化度低滲透裂縫性油藏的弱凝膠體系配方，并對其驅油效果進行了評價。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

利用三氯化鉻和乳酸配制不同質量濃度（100，200，300，400 mg/L）和不同摩爾比（1∶5，1∶8，1∶10）的有機鉻交聯劑，采用硫脲配制不同質量濃度的穩定劑（600，800，1 000 mg/L）；聚合物為部分水解HPAM，相對分子質量為25×106，根據實驗方案和實驗要求，配制成不同質量濃度的聚合物溶液（1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 mg/L）；實驗所用原油是模擬油田的地層油，脫水脫氣后，32 ℃下模擬原油的平均黏度為2.6 mPa·s；實驗用水模擬油田地層水，礦化度為29 500 mg/L。

為模擬低滲透裂縫性油藏中的裂縫系統，實驗模型采用高滲透巖心和低滲透巖心二管并聯。高滲透率巖心滲透率分別為 300×10-3，500×10-3，1 000×10-3μm2，低滲透率巖心滲透率為 10×10-3μm2，高低滲巖心二管并聯后，高滲透率巖心分別模擬滲透率為 300×10-3，500×10-3，1 000×10-3μm2的裂縫系統。

采用南通儀創實驗儀器有限公司的HW-4A型雙聯恒溫箱保持弱凝膠體系的溫度；利用上海巴玖實業有限公司的Brook fi eld DV-Ⅲ Ultra型旋轉黏度儀測量弱凝膠體系的黏度；使用濟寧市潤煤工礦物資有限公司的JJ-1型電動攪拌機將配置溶液攪拌均勻；利用自制巖石流動實驗裝置進行弱凝膠體系的驅油實驗。

1.2 弱凝膠調驅效果評價

弱凝膠調驅效果評價實驗步驟為：1）巖心抽空飽和地層水，32 ℃下恒溫8 h；2）水測滲透率，將巖心飽和原油后，靜止8 h，并計算巖心含油飽和度；3）使用地層水以0.20 mL/min的速率進行水驅實驗，至巖心出口含水98%（w），記錄壓力、油量等參數，計算水驅采收率；4）分別進行注入0.3～0.6 PV弱凝膠體系時的驅油實驗，并記錄壓力、產液量等數據。

2 結果與討論

2.1 單因素對凝膠性能的影響

2.1.1 聚合物濃度對調剖劑性能的影響

在水質礦化度29 500 mg/L、實驗溫度32 ℃、交聯劑質量濃度為200 mg/L條件下進行凝膠性能實驗，結果見圖1。

圖1 凝膠強度隨聚合物濃度的變化曲線Fig.1 The gel strength changing with the polymer concentration.

從圖1可看出，凝膠黏度隨聚合物質量濃度的增加而增大，當聚合物質量濃度超過3 000 mg/L時凝膠黏度增速逐漸減緩。在交聯劑濃度一定的條件下，有限的活化中心離子不能與過多的聚合物分子長鏈結構充分接觸，弱凝膠體系黏度增加幅度減小［17］。從深度調剖對凝膠強度（弱凝膠黏度大于4 000 mPa·s）的需要及節約成本的角度出發，適宜的聚合物質量濃度為2 000～3 000 mg/L。

2.1.2 交聯劑質量濃度對體系成膠的影響

在水質礦化度29 500 mg/L、32 ℃、聚合物質量濃度為2 000 mg/L、硫脲質量濃度為800 mg/L、三氯化鉻/乳酸摩爾比為1∶8、pH=7條件下，設計有機鉻交聯劑的質量濃度為100，200，300，400 mg/L，實驗考察了交聯劑質量濃度對調剖劑成膠情況的影響，結果見圖2。從圖2可知，在一定聚合物濃度下，交聯劑質量濃度的增加加快了成膠速度；總體上凝膠黏度先增加后減小，但交聯劑質量濃度太高，則聚合物溶液會發生過度交聯，產生的凝膠會發生脫水收縮，從而使得凝膠穩定性變差、黏度降低。一定濃度聚合物溶液要匹配合適的交聯劑濃度，研究發現聚合物與交聯劑的合理濃度比值在 10∶1～5∶1 之間［18］。

圖2 不同交聯劑質量濃度下調剖劑的成膠情況Fig.2 The gelling situation of profile control agent changing with crosslinking agent concentration.

2.1.3 穩定劑質量濃度對體系成膠的影響

通過凝膠黏度表征凝膠強度，在水質礦化度28 000 mg/L、32 ℃、聚合物質量濃度2 000 mg/L、交聯劑質量濃度200 mg/L（聚合物與交聯劑質量比為10∶1）、三氯化鉻/乳酸摩爾比為 1∶8、溶液pH=7條件下，設計不同的穩定劑質量濃度為600，800，1 000 mg/L，實驗考察了穩定劑質量濃度對調剖劑成膠情況的影響，結果見圖3。由圖3可知，穩定劑質量濃度對交聯反應速度影響較小，所以成膠時間受穩定劑質量濃度影響較小；但對凝膠強度影響較大，穩定劑質量濃度增加，凝膠強度提高，這是因為穩定劑在成膠過程中生成樹脂，質量濃度低時生成的樹脂量低，凝膠強度低。而質量濃度超過一定范圍后，生成樹脂量增加，凝膠強度增強［19］。通過對比選取穩定劑合理用量為800 mg/L。

圖3 穩定劑質量濃度對調剖劑成膠情況的影響Fig.3 The gelling situation of profile control agent changing with stabilizer concentration.

2.1.4 不同配比的交聯劑對體系成膠的影響

通過凝膠黏度表征凝膠強度，在水質礦化度28 000 mg/L、32 ℃、聚合物質量濃度2 000 mg/L、交聯劑質量濃度200 mg/L（聚合物與交聯劑質量比為10∶1）、穩定劑質量濃度為800 mg/L、溶液pH=7條件下，考察了三氯化鉻/乳酸不同配比對凝膠性能的影響，結果見圖4。

圖4 不同配比的交聯劑對凝膠性能的影響Fig.4 The effect of crosslinking agent mixing ratio on gel properties.

從圖4可看出，凝膠強度隨乳酸/三氯化鉻摩爾比的增加而增大，這是由于過量的乳酸使絡合反應的更加充分，因而凝膠強度得到提高，同時凝膠的成膠時間大體相近。

2.2 弱凝膠體系配方優化

通過正交實驗來對體系配方進行優化，正交實驗結果見表1。由表1可知，影響成膠性能的大小順序為：交聯劑濃度＞聚合物濃度＞三氯化鉻/乳酸的摩爾比＞穩定劑濃度。凝膠強度隨聚合物和穩定劑濃度的增加而增強；成膠時間隨交聯劑濃度、三氯化鉻/乳酸的摩爾比的增加而延長，凝膠強度減弱，當聚合物和穩定劑濃度低時幾乎不成膠。體系的優化配方為：三氯化鉻/乳的摩爾比為1∶8，聚合物濃度為2 000 mg/L，穩定劑濃度為800 mg/L，交聯劑濃度為200 mg/L。

2.3 弱凝膠調驅效果評價結果

三組模擬裂縫系統并聯巖心中的驅油實驗結果見表2。

表1 正交實驗結果Table 1 The results of orthogonal experiment

表2 三組模擬裂縫系統并聯巖心中的驅油實驗結果Table 2 The experimental results of three groups of simulated fractured systems in parallel cores

由表2可知，凝膠注入量（0.3～0.6 PV）越大，低滲管采收率提高值越高；在高滲管滲透率為300×10-3μm2的并聯巖心中，注入 0.4 PV 的凝膠時，低滲管采收率提高值為15.24%，能夠達到預期效果；在高滲管滲透率為500×10-3μm2并聯巖心中，注入0.5 PV的凝膠時，低滲管采收率提高值為15.44%，能達到預期效果；在高滲管滲透率為 1 000×10-3μm2并聯巖心中，由于兩管滲透率差別較大，注入0.6 PV的凝膠時，低滲管采收率提高值才能達到15.25%；因此，對于層間差異大的油層，或者對于存在高滲透率的油層，加大注入凝膠的量才能調整流量分配，使注凝膠后的注入水更多的進入低滲透油層驅油。

驅替實驗結果圖5。由表5可知，當注入2.7 PV的凝膠時，體系壓力開始升高，凝膠開始封堵高滲層，后續注入水開始分流進入低滲層，低滲層采收率明顯提高。部分后續水頂替凝膠段塞在高滲層形成調驅效果，高滲層采收率得到提高后趨于平穩，調驅效果良好。

圖 5 500×10-3 μm2與 10×10-3 μm2（0.4 PV）的并聯巖心中弱凝膠驅油實驗曲線Fig.5 The oil displacement experimental curve of weak gel system in 500×10-3 μm2 and 10×10-3 μm2（0.4 PV） parallel cores.

3 結論

1）隨交聯劑質量濃度的增加，凝膠體系成膠速度加快，成膠強度增大，但穩定性變差；穩定劑質量濃度對凝膠體系成膠時間影響極小，但體系成膠強度隨穩定劑質量濃度的增加而增大；隨交聯劑配比的增加，凝膠強度增大。

2）弱凝膠體系配方為：聚合物質量濃度2 000 mg/L，穩定劑質量濃度800 mg/L，交聯劑質量濃度為200 mg/L，三氯化鉻/乳酸的摩爾比為1∶8。

3）弱凝膠注入量越大（0.3～0.6 PV），低滲管采收率提高值越高。對于層間差異大的油層，或者對于存在高滲透率的油層，加大注入凝膠的量（0.6 PV）才能調整流量分配，注凝膠后的注入水更多的進入低滲透油層驅油。弱凝膠可以滿足本工作提出的 300×10-3～1 000×10-3μm2模擬裂縫滲透率范圍，可達到預計調驅效果。

4）當注入2.7 PV時，壓力開始升高，凝膠開始封堵高滲層，后續注入水開始分流進入低滲層，低滲層采收率明顯提高。部分后續水頂替凝膠段塞在高滲層形成調驅效果，高滲層采收率得到提高后趨于平穩，調驅效果良好。