高性能凍膠泡沫體系研究

武俊文，蘭金城，張汝生，王海波，王彥玲，李亮

(1.中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580；3.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

油田出水降低了經濟效益。凍膠和泡沫是常用的控水技術[1-2]，但凍膠選擇性堵水能力弱[3]，泡沫穩定性差，不能阻止液體流通和堵塞裂縫[4-5]，從而，兼具凍膠和泡沫優點的凍膠泡沫近年來被廣泛研究[6]。凍膠泡沫由凍膠和泡沫組成，通入氣體后發泡形成，其能穩定地存在孔道壁上，產生的Jamin效應會讓流體的流動性變差，是一種優良堵劑[7-9]。Jin[10]、Liao[11]和李亮[12]等研制的凍膠泡沫穩定性好，應用效果優良，但仍有不足，一是選擇性堵水能力不強；二是耐溫性差。本文向聚合物中加入耐溫耐鹽添加劑，優化配方形成凍膠泡沫后，通過室內實驗評價其耐溫性和選擇性封堵能力。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

聚合物Z1、Z2、Z3均為工業品，基本性能見表1，Z4為實驗室自制改性耐溫聚合物；酚醛交聯劑，工業品；穩定劑LC，實驗室自制；發泡劑A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K和L，實驗室自制；TH油田模擬地層水，實驗室自制；實驗用巖心尺寸為? 25 mm×300 mm，滲透率分布為50×10-3，200×10-3，500×10-3μm2。

表1 不同類型聚合物基本性能

HWL-320F恒溫干燥箱；7012s blender攪拌儀；HQY-3注氣驅巖心評價系統；MF40034008氣體質量流量計；SHZ-D(Ⅲ)真空泵；M11536凝膠強度測定儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 改性聚合物的制備 將一定量的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸單體、N-乙烯基吡咯烷酮、丙烯酸異辛酯和丙酮溶劑移置四口瓶中，除去瓶中氧氣，用玻璃棒在瓶中攪動并加熱。向瓶中添加自由基引發劑，反應一定時間后得到耐溫聚合物產品，將所得粗產物用無水乙醇反復浸泡，最后烘干得到改性耐溫耐鹽聚合物Z4。

1.2.2 凍膠成膠時間和強度的確定 將聚合物、酚醛交聯劑和穩定劑按一定比例溶解后混合放入高壓反應釜容器中，在120 ℃恒溫干燥箱中加熱一定時間后取出至樣品瓶中。采用GSC 強度代碼法，該法由Sydansk提出，以此來定性確定凍膠強度等級和成膠時間[13-14]；使用凝膠強度測定儀定量測定凍膠強度。

1.2.3 凍膠脫水率的測定 使用凍膠脫水率來評價其長時間下的耐溫性能。將其放入120 ℃的干燥箱中，記錄凍膠的脫水量，最終計算出凍膠的脫水率(S)，計算公式為：

其中，S為脫水率，%；V為成膠時凝膠的體積；Vt為老化t時間后凝膠的體積。

1.2.4 起泡性能 使用地層模擬水配制發泡劑溶液，采用Waring評價方法評價泡沫的起泡性能和穩泡性能[15]。

1.2.5 巖心驅替實驗 ①將所用巖心烘干，然后稱重，在真空環境中用水浸泡；②向巖心中注入原油，并在120 ℃溫度下老化24 h；③水驅并聯巖心，流速為0.5 mL/min；④水驅結束后以0.5 mL/min流速注入0.4 PV的凍膠泡沫(氣液比1∶1)，而后在 120 ℃ 環境中老化3 d；⑤以0.5 mL/min流速進行后續水驅。記錄各個時刻的壓力、產油量、產水量，直至實驗結束。

2 結果與討論

2.1 凍膠泡沫體系配方優化

2.1.1 凍膠體系聚合物性能對比研究 固定聚合物和交聯劑的濃度為0.6%，穩定劑濃度為0.3%，然后測量凍膠體系的成膠時間，并記錄其熱穩定性，結果見表2。

表2 不同聚合物對凍膠體系的影響

由表2可知，改性聚合物Z4作為主劑的凍膠熱穩定性強，在5個月的高溫條件下脫水率仍<10%。

2.1.2 凍膠體系濃度優化 分別改變凍膠主劑和交聯劑的質量百分比，結果見圖1和圖2。

圖1 聚合物濃度對凍膠體系性能的影響

圖2 交聯劑濃度對成膠時間和成膠強度的影響

由圖1、圖2可知，兩者濃度的增高減少了成膠時間，并同時提高了成膠強度，這是因為濃度的增加會增多參與酰胺加成反應的分子，增加了交聯機會，從而減小了成膠時間，增加了成膠強度。優選出的聚合物的使用濃度為0.6%～0.7%，交聯劑的為0.4%～0.5%。

圖3 發泡及穩泡能力測試結果

由圖3可知，初步篩選出發泡和穩泡能力好的為發泡劑B。

2.1.4 發泡劑濃度優化 使用發泡劑B，研究發泡劑濃度對發泡穩泡能力的影響，結果見表3。

表3 發泡劑的最佳用量

由表3可知，在一定范圍內，發泡劑濃度增加引起泡沫特征綜合值的增加，當到達某個濃度點后趨于平穩。這是因為當濃度變大時，發泡劑的分子向兩相交界處聚集，當增大到臨界膠束濃度時，發泡劑分子數也增加到峰值，表面張力及體系能量不再減小，泡沫特征綜合值基本保持不變。優選出發泡劑B的最優濃度為0.3%。

2.2 凍膠體系性能評價

2.2.1 無機鹽濃度對凍膠體系性能的影響 圖4給出了不同無機鹽及其濃度對凍膠體系成膠時間的影響。其中，NaCl濃度的變化范圍為0.000 05～4 mol/L，MgCl2和KCl的濃度變化范圍為0.000 05～0.01 mol/L。

圖4 無機鹽濃度對凍膠體系成膠時間的影響

由圖4可知，當NaCl的濃度較低時，凍膠體系的成膠時間略微延長，這是因為當Na+濃度的變大會減小聚合物分子的水動力學半徑，從而減少了交聯機會；當NaCl濃度較高時，成膠時間會略微縮短，這是因為Na+濃度的增加會大大壓縮聚合物雙電子層，減弱了他們之間的排斥力，增加了交聯機會，從而縮短了成膠時間。KCl對成膠時間的影響與NaCl大致相同，但Mg2+對凍膠體系的成膠時間的影響卻更顯著，這是由于二價陽離子有較大的電荷與尺寸比值，其較強的壓縮能力減弱了聚合物分子之間的排斥力，加成反應速度迅速增加，從而明顯地減小了成膠時間。

2.2.2 成膠溫度對凍膠體系性能的影響 由圖5可知，當老化溫度不斷增加時，聚合物與酚醛樹脂分子之間的碰撞次數變多，從而使得有效碰撞變多，因此交聯速度會迅速增大，成膠時間也會相應縮短；但當溫度超過120 ℃后，前后曲線形態出現顯著差異，這主要是因為溫度越高，成膠反應變得更為復雜。

圖5 成膠溫度對凍膠體系成膠時間和成膠強度的影響

另外，由圖可知，成膠溫度對成膠強度幾乎沒有影響，這是由于2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸單體(AMPS)的引入使得聚合物分子鏈的側鏈變得龐大，從而其熱穩定性得到增強，減少了可斷裂部位和抑制了水解作用；N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)單體的引入又增強了聚合物分子鏈的熱穩定性，其受熱分解作用進一步被龐大側鏈所抑制，從而凍膠體系的耐溫性得到明顯增強。AMPS和NVP的結構式見圖6。

圖6 AMPS和NVP結構式

2.2.3 原油含量對凍膠體系的影響 原油含量為20%～33%時對凍膠體系的影響結果見表4。

表4 原油對高溫聚合物凝膠體系成膠動力學的影響

由表4可知，原油對凍膠體系的成膠時間影響較小。當凍膠溶液制備好后，聚合物交聯劑體系已經和水相相溶，從而阻止了油相的進入，因而基本不影響水相中凍膠體系交聯反應過程。但是，原油所占比例的進一步變大會略微降低凍膠體系的成膠強度。

2.3 巖心封堵實驗

使用0.6%Z4聚合物+0.4%酚醛交聯劑+0.3%穩定劑+0.3%發泡劑B凍膠泡沫體系，采用雙管并聯巖心模型(分別為50 ×10-3μm2與200 ×10-3μm2并聯以及50×10-3μm2與500×10-3μm2人造巖心并聯模型)進行巖心封堵實驗，主要分為三個階段，即水驅階段、注入凍膠泡沫體系階段以及后續水驅階段。巖心參數見表5，驅替結果見圖7～圖10。

圖10 凍膠泡沫體系注入前后各巖心分流情況(D2與G2并聯)

表5 巖心物理參數

圖7 D1與G1并聯控水增油效果曲線

由圖7可知，壓力在水驅階段先慢慢變大后漸漸穩定，這是水相滲流通道完全形成導致的，也是水相能驅替原油程度達到最大的表現；在注入凍膠泡沫體系階段，由于凍膠泡沫的黏度大于水相，所以注入壓力要明顯高于水驅階段；和水驅階段相比，后續水驅階段注入壓力較高，這是由于此時滲流通道主要是在低滲巖心中，較低的滲透率引起了注入壓力的升高。就含水率來看，在水驅階段是快速上升直至達到100%，這是由于水相滲流通道逐漸形成的緣故；而后在注入凍膠泡沫體系時有所下降；最后在后續水驅階段又快速上升；就整個過程來看，含水率曲線是一漏斗狀。總驅油效率整體上呈逐漸上升趨勢，水驅階段對其貢獻最大，能達到25.6%；注入凍膠泡沫體系后總驅油效率又提升了4.3%，采收率提升明顯。

由圖8可知，水驅階段主要是高滲巖心出油和出水，而在后續水驅階段則主要是低滲巖心產出流體，說明凍膠泡沫體系中的大部分都被注入進了高滲巖心，并形成了有效封堵，使得后續水驅時對低滲層中的原油進行有效開采。總的來看，凍膠泡沫體系主要選擇性地進入高滲層，并顯著降低其滲流能力，表現出較強的選擇性堵水能力。

圖8 凍膠泡沫體系注入前后各巖心分流情況(D1與G1并聯)

由圖9和圖10可知，注入壓力、含水率和總驅油效率的變化趨勢和滲透率級差小的并聯組合基本一致，只是級差大的組合會表現出更低的注入壓力和更高的驅油效率。這是因為其組合中高滲巖心具有更大的滲透率，其中原油更易于開采。注入凍膠泡沫體系后，其后續水驅階段可提高總驅油效率6.5%；滲透率級差與凍膠泡沫體系的選擇性封堵能力呈正相關，注入階段幾乎選擇性全部進入高滲巖心，形成有效封堵，所以在后續水驅階段，高滲巖心中幾乎沒有流體流出。

圖9 D2與G2并聯控水增油效果曲線

3 結論

(1)實驗優選出的凍膠泡沫體系配方為：0.6%～0.7%Z4聚合物+0.4%～0.5%酚醛交聯劑+0.3%穩定劑+0.3%發泡劑B。

(2)巖心驅替實驗表明，凍膠泡沫體系能選擇性地進入滲透率大的巖心，并產生強有力的封堵，后續水驅顯著提高低滲層的產油率；地層滲透率級差越大，選擇性堵水能力越強。

(3)在理論上，本文通過引入新的耐溫單體來適應油藏高溫特點的研究思路，對于開采其它類型的油藏具有很好的借鑒意義；將凍膠和泡沫結合起來的方法也為其他研究提供了一種新思路：結合具有不同特點的體系從而得到兼具兩者優點的復合體系。