草舍油田CO2驅(qū)防氣竄調(diào)驅(qū)體系研究及性能評價

韓 倩，徐 騫，張宏錄，張 壯

（中國石化華東油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇南京 210000）

草舍油田在國內(nèi)較早進行CO2驅(qū)油試驗，經(jīng)過近10 年的注氣開發(fā)，獲得了較好的開采效果和CO2驅(qū)油經(jīng)驗。但在開發(fā)后期，油藏因CO2氣體長期沖刷、酸蝕作用，會在地層中形成大孔道和高滲透條帶[1]，改變儲層原有滲流通道，儲層非均質(zhì)性嚴重。平面上氣體沿儲層主滲流通道突進，油藏主滲流方向以外區(qū)域剩余油飽和度較高，注采不均衡；縱向上儲量動用不均，層間矛盾突出，各小層吸氣差異大，氣竄后氣油比上升快，若不及時處理，將嚴重影響油田的整體開發(fā)效果。目前，國內(nèi)外文獻論述的主要防氣竄工藝方法主要包括氣水交替、化學(xué)劑封竄、CO2+泡沫封竄等，但未有更為深入地研究。針對草舍油田低滲透油藏的儲層特點，進行防氣竄調(diào)驅(qū)劑體系研究和性能評價，對于改善油田氣驅(qū)開發(fā)效果具有重要的意義。

1 聚合物凝膠體系及性能

聚合物凝膠體系主要通過封堵氣竄通道，重新分配氣流方向，從而達到防氣竄的目的。草舍油田地層溫度高（115 ℃），大大限制了常規(guī)聚合物凝膠調(diào)剖體系的應(yīng)用。為此，需要針對草舍油田油藏特征，篩選出合適的封竄調(diào)剖劑體系配方，以滿足該油田CO2氣驅(qū)油藏防氣竄調(diào)驅(qū)體系的現(xiàn)場條件。

1.1 SDP-1 型調(diào)剖劑

SDP-1 型調(diào)剖劑是在分子量為600×104～700×104、固含量為90%、水解度為7%的聚丙烯酰胺中加入交聯(lián)劑形成的，具有較好的強度，且其耐溫耐鹽性能較好。SDP-1 型調(diào)剖劑可以在溫度140 ℃、礦化度20×104mg/L 下成膠，成膠時間12～24 h，在高溫140 ℃、30 d 時仍然保持一定的強度。

1.2 調(diào)剖劑基液質(zhì)量分數(shù)篩選

采用HAAKE MARS Ⅲ型流變儀，對SDP-1 型調(diào)剖劑基液進行黏度-溫度-時間關(guān)系測定，模擬調(diào)剖劑基液注入過程。不同質(zhì)量分數(shù)聚合物的黏度與溫度關(guān)系表明：聚合物溶液的黏度隨溫度升高而降低，當(dāng)溫度大于100 ℃時，聚合物溶液黏度降低幅度更顯著；聚合物溶液黏度隨著聚合物質(zhì)量分數(shù)增加而增大，當(dāng)質(zhì)量分數(shù)大于1.5%時，聚合物溶液黏度增大幅度更顯著；而當(dāng)聚合物溶液質(zhì)量分數(shù)不大于1.0%、溫度大于100 ℃時，聚合物溶液黏度未發(fā)生明顯降低，黏度均低于200 mPa·s，此時注入性能較好（圖1）。聚合物溶液質(zhì)量分數(shù)為0.5%、在溫度115 ℃下，其黏度不穩(wěn)定，容易沸騰，導(dǎo)致其黏度測量不穩(wěn)定。綜上考慮，基液質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，效果最佳。

1.3 SDP-1+FC 型交聯(lián)劑

圖1 不同質(zhì)量分數(shù)的聚合物黏度與溫度關(guān)系

F 型交聯(lián)劑為一種樹脂型交聯(lián)劑，具有較好的 成膠能力，耐溫耐鹽性能優(yōu)良。F 型交聯(lián)劑凝膠強度過低，具有一定的流動性，不能單獨適用于草舍油田CO2防氣竄調(diào)剖體系，需要對其進行復(fù)配改性。而C 型交聯(lián)劑能夠有效地提高調(diào)剖劑強度，將C 型交聯(lián)劑與F 型交聯(lián)劑復(fù)配使用，能夠改善強度低的問題。

在基液質(zhì)量分數(shù)為1.0%條件下，采用不同配比的F 型交聯(lián)劑、C 型交聯(lián)劑，觀察其成膠時間。當(dāng)F型交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為2.0%，C 型交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為0.2%時，復(fù)配后可以有效成膠，成膠時間為13 h，凝膠強度可達到G 級。

由圖2 可知，聚合物添加交聯(lián)劑后，其黏度約提高30 mPa·s，溫度為115 ℃時黏度維持在130 mPa·s 左右，且較穩(wěn)定，說明1.0%SDP-1 聚合物+2.0%F 型交聯(lián)劑+0.2%C 型交聯(lián)劑的聚合物凝膠體系具有良好的注入性。

圖2 質(zhì)量分數(shù)為1.0%的聚合物溶液黏度、溫度與時間關(guān)系

1.4 凝膠體系性能評價

1.4.1 黏彈性

采用HAAKE MARS Ⅲ型流變儀，選用P35 TiL對1.0%SDP-1 聚合物+2.0%F 型交聯(lián)劑+0.2%C 型交聯(lián)劑的凝膠體系進行黏彈性測定（圖3）。從圖3可以看出，1.0%SDP-1 聚合物+2.0%F 型交聯(lián)劑+0.2%C 型交聯(lián)劑凝膠體系在不同溫度、大多數(shù)頻率范圍內(nèi)彈性模量/黏性模量值都大于1，說明該凝膠體系在大多數(shù)頻率范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為彈性；當(dāng)頻率逐漸增大后，該凝膠體系黏彈性能出現(xiàn)突變值，頻率約為8 Hz 時出現(xiàn)突點，之后彈性模量/黏性模量值急劇下降，頻率約為10 Hz 時， 彈性模量/黏性模量值小于1。由此說明，隨著頻率的增大，該凝膠體系會表現(xiàn)更強的彈性，但是過高頻率會破壞凝膠體系結(jié)構(gòu)，使其表現(xiàn)出黏性特征。

圖3 不同溫度下凝膠體系黏彈性能

1.4.2 封堵性能

聚合物凝膠體系封堵率測定分為三步：在巖心中注入水至壓力增加到 1P ，再注入聚合物溶液至壓力增加到 2P ，聚合物成膠后再注入水至壓力增加到突破壓力，再降至穩(wěn)定值3P。封堵率公式為：

式中：K 為封堵率，%。

采用不同交聯(lián)劑加劑量的SDP-1 調(diào)剖劑封堵率實驗結(jié)果如下表1 所示。由表1 可知，1.0%SDP-1 聚合物+2.0%F 型交聯(lián)劑+0.2%C 型交聯(lián)劑的聚合物凝膠體系水測封堵率達到99.25%，CO2氣測封堵率達到95.85%，且突破壓力達到28 643 kPa，其余兩種聚合物凝膠體系封堵率雖達到93.00%以上，但二者突破壓力相對較低。因此，1.0%SDP-1 聚合物+2.0%F 型交聯(lián)劑+0.2%C 型交聯(lián)劑聚合物凝膠體系效果最佳，可以滿足草舍油田CO2氣驅(qū)油藏防氣竄調(diào)驅(qū)體系需求。

表1 聚合物凝膠體系封堵性能

2 無機沉淀體系及性能

針對草舍油田CO2氣驅(qū)油藏，采用可與CO2發(fā)生反應(yīng)的試劑，在高溫地層條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成沉淀，封堵CO2竄流通道，并能長期保持穩(wěn)定性。水玻璃沉淀體系為無機沉淀體系的一種，其中水玻璃溶液可以與CO2水溶液電離出的H+結(jié)合生成單硅酸，單硅酸中的硅原子再與OH-離子聚合，形成二聚物或者三聚物。聚合鏈繼續(xù)聚合形成多聚硅酸的膠粒子，膠粒子進一步聚集形成硅酸凝膠[2]。根據(jù)堿金屬的種類，水玻璃分為鈉水玻璃和鉀水玻璃，分子式分別為Na2O·nSiO2和K2O·nSiO2。分子式中系數(shù)n 是水玻璃中氧化硅和堿金屬氧化物的摩爾比，稱為水玻璃模數(shù)。水玻璃模數(shù)是水玻璃的重要參數(shù)，一般為1.5～3.5，水玻璃模數(shù)越大，氧化硅含量越多，水玻璃黏度增大，越難溶于水，易于分解硬化。

2.1 水玻璃溶液模數(shù)及質(zhì)量分數(shù)對沉淀的影響

先分別配制模數(shù)為A 和B（A＞B）、質(zhì)量分數(shù)為1%、5%和10%、體積均為0.5 L 的6 種水玻璃溶液；再將水玻璃溶液與礦化度為2.2×104mg/L 的地層水（低鈣鎂離子）混合；通入CO2充分反應(yīng)后，置于115 ℃烘箱中干燥，稱沉淀質(zhì)量。在水玻璃溶液質(zhì)量分數(shù)相同的條件下，其模數(shù)越高，生成的沉淀量越多；在水玻璃溶液模數(shù)相同的條件下，其質(zhì)量分數(shù)越高，生成的沉淀量越多，且兩者成正相關(guān)關(guān)系（表2）。

表2 水玻璃溶液模數(shù)及質(zhì)量分數(shù)對沉淀的影響

2.2 無機沉淀體系性能評價

2.2.1 注入性能

利用HAAKE MARS Ⅲ型流變儀分別測定不同溫度下水玻璃溶液及水玻璃溶液通入CO2反應(yīng)后產(chǎn)物的黏度（圖4、圖5）。

由圖4 可知，水玻璃溶液的黏度隨著溫度升高逐漸降低，當(dāng)溫度20 ℃時，水玻璃溶液黏度為92 mPa·s；當(dāng)溫度115 ℃時，水玻璃溶液黏度為25 mPa·s，這說明了水玻璃溶液注入性能良好。

由圖5 可知，四種水玻璃體系通入CO2反應(yīng)后的產(chǎn)物黏度隨著溫度升高而降低，當(dāng)溫度為115 ℃時，黏度分別為70，62，48，20 mPa·s。質(zhì)量分數(shù)10%、模數(shù)A 水玻璃溶液與CO2反應(yīng)后的沉淀物黏度相對較大，表明其運移性能較差；質(zhì)量分數(shù)5%、模數(shù)B 水玻璃溶液與CO2反應(yīng)后的沉淀物黏度較低，表明其運移性能良好。

圖4 水玻璃溶液（模數(shù)A）黏溫曲線

圖5 不同配方水玻璃體系反應(yīng)沉淀黏溫曲線

2.2.2 黏彈性能

通過測定水玻璃溶液沉淀物表觀黏度，評價其穩(wěn)定性（圖6、圖7）。由圖6 可知，水玻璃溶液未 反應(yīng)時的表觀黏度為9 mPa·s，成膠后表觀黏度維持在約20 mPa·s，其中15 d 內(nèi)黏度基本穩(wěn)定不變，15～90 d 內(nèi)黏度略有下降，90 d 時沉淀黏度約為18 mPa·s，黏度下降率小于10%，這說明質(zhì)量分數(shù)5%、模數(shù)B 的水玻璃溶液沉淀后有良好的成膠穩(wěn)定性與耐溫性。由圖7 可知，質(zhì)量分數(shù)5%、模數(shù)B 的水玻璃體系彈性模量/黏性模量的比值始終大于1，說明水玻璃溶液反應(yīng)后始終顯示彈性，但隨著溫度的升高，彈性有所下降，卻隨著剪切應(yīng)力的增大，比值呈下降趨勢，說明強度也隨之下降。

圖6 水玻璃體系沉淀黏度隨時間的變化（質(zhì)量分數(shù)5%，模數(shù)B）

圖7 彈性模量/黏性模量與剪切應(yīng)力曲線（質(zhì)量分數(shù)5%，模數(shù)B）

2.2.3 封堵性能

采用不同質(zhì)量分數(shù)、不同模數(shù)水玻璃溶液進行封堵性能評價實驗（表3），由表3 可知，在水玻璃溶液模數(shù)相同的條件下，封堵率隨著水玻璃溶液質(zhì)量分數(shù)的增加而增大；在水玻璃溶液質(zhì)量分數(shù)相同條件下，模數(shù)B 的水玻璃體系封堵率均高于模數(shù)A的水玻璃體系。

綜合考慮體系的注入性能、運移能力、封堵性能和經(jīng)濟效益等因素，優(yōu)選質(zhì)量分數(shù)5%、模數(shù)B 的水玻璃體系作為CO2驅(qū)耐高溫防氣竄調(diào)驅(qū)體系。

3 聚合物凝膠-無機沉淀復(fù)合體系及性能

表3 無機沉淀體系封堵性能評價

由于聚合物凝膠調(diào)剖體系在高溫高壓地層條件下，長時間采油后封堵率會下降，再次注入凝膠會增加作業(yè)成本。而無機沉淀體系價格低廉，但其黏度低，運移能力過強，選擇性差，單獨使用不能有效封堵目的地層，造成浪費，增加作業(yè)成本。因此，將聚合物凝膠體系與無機沉淀體系復(fù)合使用，用無機沉淀體系彌補聚合物凝膠體系長時間作業(yè)后封堵率下降的缺點，可以有效地降低作業(yè)成本，提高經(jīng)濟效益。

復(fù)合使用聚合物凝膠體系與無機沉淀體系，進行封堵性能評價實驗，其中聚合物凝膠體系采用1.0%SDP-1 聚合物+2.0%F 型交聯(lián)劑+0.2%C 型交聯(lián)劑，無機沉淀體系采用質(zhì)量分數(shù)5%，模數(shù)B 的水玻璃體系，實驗結(jié)果如圖8、表4 所示。從圖8 可以看出，采用聚合物凝膠體系進行封堵后，封堵率可達到99.30%，突破壓力為28 643 kPa；通入CO2氣體后，體系的壓力保持約為3 000 kPa；再注入水玻璃體系后，此時注入端壓力不斷上升，達到了33 867 kPa。采用氣測測定巖心滲透率，此時封堵率達到99.74%（表4）。

聚合物凝膠-無機沉淀復(fù)合體系各項性能指標(biāo)均能夠滿足草舍油田CO2驅(qū)防氣竄調(diào)驅(qū)工藝的需求，同時該體系經(jīng)濟性良好。因此，選用聚合物凝膠-無機沉淀復(fù)合體系作為草舍油田CO2驅(qū)防氣竄調(diào)驅(qū)體系，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的封堵效果。

圖8 聚合物凝膠-無機沉淀體系封堵率測定壓力與 PV 曲線

表4 巖心封堵率測定

4 結(jié)論及建議

（1）研究了一套適合草舍油田地質(zhì)特征的CO2驅(qū)防氣竄的聚合物凝膠-無機沉淀復(fù)合調(diào)驅(qū)體系。

（2）聚合物凝膠-無機沉淀復(fù)合調(diào)驅(qū)體系室內(nèi)實驗氣測封堵率達99.74%，突破壓力為28 643 kPa，封堵性能良好，能夠滿足草舍油田CO2驅(qū)防氣竄調(diào)驅(qū)的需要。

（3）建議在草舍油田開展聚合物凝膠-無機沉淀復(fù)合調(diào)驅(qū)體系現(xiàn)場試驗，并進行應(yīng)用效果分析，為下一步CO2驅(qū)防氣竄工藝研究奠定基礎(chǔ)。