CO2引發硅酸凝膠體系研究

馬濤

(1.中國石化石油勘探開發研究院,北京 100083；2.中國石化海相油氣藏開發重點實驗室,北京 100083)

1922年,Hill最早提出把水溶性硅酸鹽溶液注入地層以提高采收率。過去幾十年,水溶性硅酸鹽廣泛用于油井堵水、水井調剖、抑制氣錐等方面[1-9]。硅酸凝膠是由硅酸溶膠轉變而來的一種失去流動性的體系。硅酸溶膠可分為酸性硅酸溶膠和堿性硅酸溶膠[10-12]。前者是將水玻璃加到活化劑中配成,后者是將活化劑加到水玻璃中制得?；罨瘎┦侵缚墒顾Ａё兂扇苣z而后變成凝膠的物質。

硅酸凝膠的優點在于價廉、粘度低能進入地層小孔隙,在高溫下較穩定[13-14]。硅酸凝膠的主要缺點是膠凝時間短,而且地層溫度越高,膠凝時間越短。為了克服這一缺點,人們嘗試將活化劑與硅酸鹽分開注入,這樣雖然能夠控制反應時間,但是由于兩個液相在多孔介質中接觸混合不充分,凝膠形成率低、藥劑利用率低[15]。CO2溶于水即為碳酸,可作為硅酸凝膠的活化劑,其具有很好的穿透性,能夠輕松穿透隔離液而溶于硅酸鹽水溶液中,從而降低硅酸鹽水溶液的pH值,引發膠凝反應,形成硅酸鹽凝膠。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硅酸鈉、二模硅酸鈉、3.3模硅酸鈉均為工業品；NaCl,分析純。

CT3型質構儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 硅酸凝膠的制備 用模擬鹽水(0.5%NaCl)配制不同條件的硅酸鹽水溶液,取100 g置于100 mL藍蓋瓶中,向水溶液中通入CO2氣體至溶液剛剛變暗,快速將蓋子擰緊并置于70 ℃的烘箱中反應20 h。

1.2.2 硅酸凝膠強度的測量 以破裂壓力為參數,采用質構儀進行測量,選擇探頭TA10,從烘箱中取出即測,模式Bloom,觸發4 g,速度0.5 mm/s,70 ℃。

用CT3質構儀測試凝膠的強度和脆裂性的原理是一旦質構儀探頭的感應力達到,曲線開始表達出樣品被探頭下壓過程的效果。曲線最大壓力數值可以表達樣品的破裂強度；破裂距離表明樣品的脆性,顯示樣品能抗多長距離后被破壞；斜率表明樣品的硬度,斜率越高,硬度越大。

2 結果與討論

2.1 鈉水玻璃模數對凝膠強度的影響

將模數分別為1,2,3.3的鈉水玻璃配制成質量百分數為8%的水溶液,通CO2至變色后在70 ℃反應20 h,用質構儀測強度,考察鈉水玻璃模數對形成凝膠性能的影響,結果見圖1。

圖1 不同模數鈉水玻璃凝膠的破裂實驗曲線Fig.1 Fracture experiment curve of silicic acid gel formed by sodium silicate with different modulus 模數：a.1；b.2；c.3.3

由圖1可知,鈉水玻璃的模數越高,形成凝膠的強度越大、破裂壓力越高,這與國內外的用其它引發劑形成凝膠的研究結果相一致。鈉水玻璃的模數由1增加至3.3時,破裂壓力由4 949 Pa增至49 822 Pa,強度增加10倍。模數為1時的脆性相對較小,模數為3.3的鈉水玻璃形成的凝膠硬度最大。因此在工程應用中,應盡量選用高模數鈉水玻璃。

2.2 水玻璃濃度對凝膠強度的影響

使用3.3模鈉水玻璃配制不同濃度溶液,CO2引發形成硅酸凝膠,用質構儀測強度,分析硅酸鈉鹽用量的影響,結果見圖2。

由圖2可知,隨著3.3模硅酸鈉用量的增加,形成凝膠的強度越大、破裂距離越短,硅酸鈉質量百分含量為2%時,所形成的凝膠較弱,因分子網絡空間大,觸碰凝膠易析水,破裂壓力只有735 Pa；硅酸鈉質量百分數增加后,所形成凝膠的強度呈直線上升,硅酸鈉質量百分數為8%時,破裂壓力接近50 000 Pa。這是由于水玻璃濃度增加后所形成的凝膠中的分子網絡密度增加所致。

圖2 不同硅酸鈉鹽用量下的破裂壓力Fig.2 Fracture pressure of silicic acid gel at different amounts of sodium silicate

2.3 反應溫度對凝膠強度的影響

用3.3模鈉水玻璃配制6%的溶液,CO2引發形成硅酸凝膠,考察反應溫度對硅酸凝膠的影響,結果見圖3。

圖3 反應溫度對破裂壓力的影響Fig.3 Influence of reaction temperature on fracture pressure of silicic acid gel

由圖3可知,隨著反應溫度的增加,破裂壓力下降、破裂時間增加,即脆性下降?？赡苁菧囟仍礁叻磻獎×?硅酸聚合物網絡過早形成,影響了其它未反應分子的參與。溫度低時,反應溫和,形成的分子網絡更加致密。

2.4 壓力對成膠的影響

將100 mL的6%鈉水玻璃溶液放入500 mL的高溫高壓容器中,抽真空,充入4.5 MPa的CO2氣體,70 ℃放置24 h,取出容器冷卻、卸壓,打開容器發現里面的溶液均已形成凝膠,且在高壓下CO2部分充填在凝膠中,卸壓后緩慢從凝膠中釋放出來,即可以聽到“呲呲”的氣體竄出聲音。說明在油藏高壓條件下,CO2可以引發硅酸鹽溶液形成凝膠,見圖4。

圖4 高壓下CO2引發形成的硅酸凝膠Fig.4 Silicic acid gel induced by CO2 at high pressure

2.5 硅酸凝膠的熱穩定性

用3.3模鈉水玻璃配制6%的溶液,CO2引發形成硅酸凝膠,70 ℃烘箱中恒溫保存,每隔一段時間取出一個樣品用質構儀測強度,分析硅酸凝膠的長期穩定性,以及脫水情況,結果見圖5、圖6。

圖5 長期穩定性曲線Fig.5 Long-term stability curve

由圖5可知,在實驗條件下破裂壓力變化不大,只比初始略有降低,后期一直保持不變,破裂壓力保留率一直在80%以上,說明CO2引發的硅酸凝膠的強度變化不大。由圖6可知,四個多月的時間凝膠表面的水分基本不變,沒有發生持續收縮、析水的現象,CO2引發的硅酸凝膠性能穩定。

圖6 長期老化析水體積曲線Fig.6 The curve of water precipitation volume during long-term aging

3 結論

無論是常壓還是油藏高壓狀態下,CO2均可以引發鈉水玻璃形成硅酸凝膠,性質與其它活化劑引發形成的凝膠的性質一致。水玻璃模數越高形成凝膠強度越高；低溫形成的凝膠的強度高于高溫形成的；形成凝膠的強度可長期穩定。