海上油田乳液聚合物凍膠在線調驅參數優化研究

張艷輝 陳維余 孟科全

摘 ? ? ?要：針對海上油田常規調驅設備占地面積大、長期占用平臺甲板空間的問題，設計了一套適用于海上油田平臺使用的乳液聚合物凍膠在線調驅破乳靜混工具，并對在線調驅的工具組合方式及施工參數進行了系統優化，從而提高在線調驅施工質量。根據噴射破乳理念，共設計了5種破乳混合方式，包括破乳孔、擋板以及波紋管等。另外，通過陸地實驗，優化了在線調驅參數，最佳破乳組合及參數為：直徑1 mm的破乳孔+角度45°的擋板+長度1 m的靜混器，可滿足不同排量、濃度注入條件的施工要求。乳液聚合物在線注入設備只需要乳液聚合物撬、交聯劑撬、配套破乳器、靜混器及管匯，占地面積僅11 m2，較常規干粉聚合物凍膠調驅工藝節約85.2%。

關 ?鍵 ?詞：海上油田;乳液聚合物凍膠;在線調驅;參數優化

中圖分類號：TE357.46;O648.17;TE39 ? 文獻標識碼： A ? ?文章編號： 1671-0460（2020）05-0881-04

Abstract： According to the problem that conventional profile control equipment need cover large area of platform for long time， a set of emulsion polymer gel on-line profile control demulsification and mixing tool was designed for offshore oilfield platform. The combination modes and parameters of on-line profile control tool were optimized to improve construction quality. Five demulsification and mixing modes including demulsification hole， baffle plate and corrugated pipe were designed according to the jet demulsification theory. In addition， the on-line profile control parameters were optimized by the land experiments， and the optimum mode and parameter were determined as follows： 1 mm diameter demulsification hole， 45° baffle plate and 1m long static mixer， which could meet the construction demand of different injection volume and concentration. On-line profile control demulsification and mixing tool needs only emulsion polymer injection equipment， cross-link agent injection equipment， demulsifier， static mixer and manifold， and covers 11 m2， which can save 85.2% of area than conventional powder polymer gel profile control demulsification and mixing tool.

Key words： Offshore oilfield; Emulsion polymer gel; On-line profile control; Parameter optimization

隨著油田注水開發的不斷進行，含水率逐漸上升，日益嚴重的無效注水問題將是注水開發油田不得不面臨的技術難題。調驅技術能夠有效調整注水井吸水剖面，改善水驅效率[1]。目前，調驅技術，尤其是聚合物凍膠調驅，由于其良好的過篩管及封堵能力，已經逐漸成為海上高含水油田一項重要的增產措施，得到了廣泛的應用。但是，由于海上平臺空間狹小，修井等作業量大，長期占用平臺甲板空間，常規的聚合物凍膠調驅體系需要大型熟化、溶解和注入設備，無法和修井作業同時在平臺施工，這就導致調驅作業無法大規模推廣應用。因此，乳液聚合物凍膠在線調驅體系由于其產品均為液體形態，能夠直接注入平臺注水管線，只需要小型計量泵即可完成施工，在海上油田得到了大量應用[2]。但在應用過程中發現，不同破乳工具組合方式及參數對乳液聚合物的溶解效果具有非常大的影響。因此，急需對乳液聚合物凍膠在線調驅參數進行系統優化。

乳液聚合物可采用噴射破乳原理，利用機械物理方法，產生紊流和撞擊，迫使聚合物變形，當沖擊強度超過其破乳所需克服的界面能時，實現破乳。因此，試制不同類型和不同參數規格的破乳工具，模擬現場施工工況，優化乳液聚合物破乳溶解工具組合和參數。

1 ?實驗部分

1.1 ?儀器與材料

DV2T-HA型旋轉黏度計，Brookfield;恒溫烘箱，德國MEMMERT;計量泵撬，海油發展工程技術公司;臥式離心泵，上海博禹泵業。

水包水型乳液聚合物，相對分子質量800萬;酚醛樹脂預聚體型交聯劑，有效含量20%，工業品。

1.2 ?實驗方法

1.2.1 ?不同工具參數條件乳液聚合物破乳溶解效果評價方法

按照海上油田實際注入要求，以1∶1模型，通過陸地模擬現場工況，開展在線破乳靜混實驗，以破乳后乳液聚合物溶液黏度為技術指標[3]，明確不同實驗條件下的破乳靜混效果。使用離心泵模擬平臺注入水，使用不同注入撬中的計量泵將乳液聚合物和交聯劑通過不同參數的破乳工具組合，分別注入到注水管線中，實驗流程見圖1。在不同工具參數條件下，取樣并放置在65 ℃恒溫烘箱中，測試不同工具參數條件乳液聚合物的破乳溶解效果及成膠性能。

1.2.2 ?成膠性能測試方法

將不同工具參數條件下的成膠液樣品放置在65 ℃恒溫烘箱中，以黏度為指標，測試不同恒溫時間后的成膠液的黏度值，當黏度達到最大值穩定時，樣品的恒溫時間即為凍膠體系的成膠時間，黏度的穩定值即為凍膠體系的成膠強度[4]。

2 ?結果與討論

2.1 ?破乳組合方式及參數設計

根據乳液聚合物性能特點，擬采用噴射破乳原理[5]，利用機械物理方法，通過節流孔產生紊流和撞擊，迫使聚合物變形，當沖擊強度超過其破乳所需克服的界面能時實現破乳。根據噴射破乳理念，共設計了5種破乳混合方式，包括破乳孔、破乳孔+擋板、破乳孔+波紋管（四通前）、破乳孔+波紋管（四通后）以及破乳孔+檔板+波紋管，設計見圖2。

2.1.1 ?破乳孔

破乳孔破乳的基本原理是通過噴嘴的剪切，實現破乳。其結構由本體與噴嘴兩部分組成，分別試制破乳器噴嘴孔徑為0.8、1、1.2、1.5、1.8、2.3 、2.8、3 mm。

2.1.2 擋板

擋板的基本原理在噴嘴破乳效果的基礎上，利用擋板產生回流及攪動，形成紊流，強化破乳效果。其結構是由本體與擋板兩部分組成，擋板與本體連接，形成擋板短節，材質為35CrMo，擋板角度45°、60°、90°。

2.1.3 波紋管

波紋管的基本原理是通過凹凸環，增強噴嘴破乳效果。其結構是由本體與內管兩部分組成，內管插入本體后，形成波紋管，材質為35CrMo，內管長度約100 mm，每10 mm左右分布一個凸起環。

2.1.4 靜混器

根據SK型靜混器在0.8～1.2 m/s線速度范圍內混合效果較好的經驗，選擇SK-80型靜混器（內通徑80 mm）。試制0.5、1 m的短節，通過不同長度的組合實驗，優選出現場不同排量下的最佳靜混器長度。

2.2 ?在線調驅參數優化

為了確定各工具的關鍵參數，確保配套工具在海上順利應用，主要在陸地進行參數優化實驗，主要包括：不同破乳器組合的影響;擋板角度的影響;靜混器長度的影響;破乳孔直徑的影響;不同注入排量的影響;不同乳液聚合物濃度的影響。其中，在線調驅參數優化實驗乳液聚合物凍膠配方濃度為：1.2%水包水型乳液聚合物+0.5%酚醛樹脂交聯劑。

2.2.1 ?不同破乳器組合的影響

通過不同工具參數條件乳液聚合物破乳溶解效果評價方法，模擬不同的破乳組合方式條件下乳液聚合物凍膠體系在線注入。其中，破乳孔直徑為1 mm，靜混器長度為1 m，擋板角度為60°，排量為5 m3/h，實驗結果見表1。由實驗數據可知，以單獨破乳孔處理后破乳黏度為標準（192 mPa·s），波紋管置于四通前，黏度偏小，破乳效果差;波紋管置于四通后，黏度大幅提高，注水壓力明顯增加，因此不推薦使用波紋管。此外，加入擋板后，樣品黏度高于單獨破乳孔。綜合考慮，破乳器結構推薦為：破乳孔+擋板。

2.2.2 ?檔板角度的影響

通過不同工具參數條件乳液聚合物破乳溶解效果評價方法，模擬不同的檔板角度條件下乳液聚合物凍膠體系在線注入。其中，破乳孔直徑為1 mm，靜混器長度炎1 m，排量為5 m3/h，實驗結果見表2。由實驗數據可知，45°擋板破乳后的樣品黏度較大，破乳效果最好。這是由于檔板角度過大，乳液聚合物進入檔板腔體后，無法在腔體內形成旋轉繞流，直接進入注水管線，導致黏度變低[6]。

2.2.3 ?靜混器長度的影響

通過不同工具參數條件乳液聚合物破乳溶解效果評價方法，模擬不同的靜混器長度條件下乳液聚合物凍膠體系在線注入。其中，破乳孔直徑為1 mm，擋板角度為45°，排量為5 m3/h，實驗結果見表3。由實驗數據可知，靜混器具有較好的混合效果，應為必須結構，從樣品的現象看，靜混器越長，混合效果越好。這是由于靜混器越長，其產生的擾動效果越明顯，靜混效果越好[7]。因此，推薦靜混器長度為1 m。

2.2.4 ?破乳孔直徑的影響

通過不同工具參數條件乳液聚合物破乳溶解效果評價方法，模擬不同的破乳孔直徑條件下乳液聚合物凍膠體系在線注入。其中，靜混器長度為1 m，擋板角度為45°，排量為5 m3/h，實驗結果見表4。由實驗數據可知，破乳孔直接影響到破乳溶解效果，孔直徑過大或過小，破乳效果均變差，黏度變小。這是由于破乳孔直徑過大，剪切作用下降，大量乳液聚合物與水直接接觸，容易形成魚眼型膠團，使溶解變差;而破乳孔直徑過小，對乳液聚合物產生強烈的剪切，使部分聚合物分子斷裂，分子量變小，從而導致黏度下降[5]。因此，推薦破乳孔直徑為1 mm。

2.2.5 ?不同注入排量的影響

通過不同工具參數條件乳液聚合物破乳溶解效果評價方法，模擬不同注入排量條件下乳液聚合物凍膠體系在線注入。其中，破乳孔直徑為1 mm，靜混器長度為1 m，擋板角度為45°，實驗結果見表5。

由實驗數據可知，在注水排量4～10 m3/h范圍內，該套破乳工具組合能夠滿足乳液聚合物凍膠在線注入要求，破乳后黏度高，溶解后溶解均一，成膠性能好。

2.2.6 ?不同乳液聚合物濃度的影響

通過不同工具參數條件乳液聚合物破乳溶解效果評價方法，模擬不同濃度的乳液聚合物凍膠體系在線注入。其中，破乳孔直徑為1 mm，靜混器長度為1 m，擋板角度為45°，排量為5 m3/h，實驗結果見表6。由實驗數據可知，在乳液聚合物濃度1%～2%范圍內，該套破乳工具組合能夠滿足乳液聚合物凍膠在線注入要求，破乳后黏度高，溶解后溶解均一，成膠性能好。

綜合不同破乳工具組合方式及參數的優化實驗，可得到最佳的破乳組合方式及參數為：直徑1 mm的破乳孔+角度45°的擋板+長度1 m的靜混器，可滿足不同排量、濃度注入條件的施工要求，具有較好的破乳效果。

2.3 ?在線調驅占地面積核算

常規干粉聚合物調驅設備包括熟化罐、配液間、調剖泵等大型設備[8]，占地面積合計74.4 m2，具體參數見圖3。而乳液聚合物在線注入設備只需要乳液聚合物撬、交聯劑撬及配套破乳器、靜混器及管匯，占地面積僅11 m2，具體參數見圖4，較常規干粉聚合物凍膠調驅工藝節約85.2%，能夠將注入設備放置于井口下甲板，滿足在線調驅注入要求。

3 ?結 論

針對海上油田常規調驅設備占地面積大、長期占用平臺甲板空間的問題，設計了一套適用于海上油田平臺使用的乳液聚合物凍膠在線調驅破乳靜混工具，并對在線調驅的工具組合方式及施工參數進行了系統優化，從而提高在線調驅施工質量。

（1）根據噴射破乳理念，共設計了5種破乳混合方式，包括破乳孔、破乳孔+擋板、破乳孔+波紋管（四通前）、破乳孔+波紋管（四通后）以及破乳孔+檔板+波紋管。

（2）通過陸地實驗，推薦最佳破乳組合及參數為：直徑1 mm的破乳孔+角度45°的擋板+長度1 m的靜混器，可滿足不同排量、濃度注入條件的施工要求。

（3）乳液聚合物在線注入設備只需要乳液聚合物撬、交聯劑撬、配套破乳器、靜混器及管匯，占地面積僅11 m2，較常規干粉聚合物凍膠調驅工藝節約85.2%。

參考文獻：

[1]白寶君，李宇鄉，劉翔鄂. 我國油田化學堵水調剖新進展[J]. 石油鉆采工藝，1998，20（3）：64-68.

[2]孟祥海，魏子揚，張云寶，等.海上油田在線調剖體系室內研究[J].石油化工應用，2017，36（6）：129-131.

[3]由慶，周偉，王業飛，等.疏水締合聚合物/酚醛樹脂凍膠反應進程及影響因素[J]. 油田化學，2010，27（3）：260-264.

[4]孟科全，張艷輝，陳維余，等.耐溫耐鹽AMPS共聚物凍膠調剖體系的研制[J]. 精細石油化工，2017，34（5）：15-19.

[5]張波，戴彩麗，趙娟，等.海上油田酚醛樹脂凍膠調剖性能評價[J].油氣地質與采收率，2010，17（5）：42-45.

[6]劉文鐵，魏俊，王曉超，等. 海上油田非均相在線驅先導實驗[J].科學技術與工程，2015，15（30）：110-114.

[7]侯洪濤，杜勇，李積祥，等. 乳液聚合物在線深部調剖技術研究與應用[J]. 石油地質與工程，2012，26（2）：112-115.

[8]張楠，葛嵩，李彥閱，等. 調驅劑交替注入方式對調驅增油降水效果影響實驗研究[J]. 當代化工，2019，48（8）：1668-1674.