一種復(fù)合凝膠堵劑的制備與性能研究

武俊文

(中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

我國(guó)中后期油田由于油藏非均質(zhì)，注水剖面不均勻，油井出水嚴(yán)重[1-2]。化學(xué)堵水是廣泛應(yīng)用于三次采油中的控水技術(shù)，其關(guān)鍵在于堵水凝膠劑[3-4]。常用的堵劑為聚丙烯酰胺，具有一定耐溫、抗鹽能力[5]。當(dāng)以Cr3+交聯(lián)時(shí)，會(huì)形成高強(qiáng)度凝膠，但黏彈性差，凍膠易破碎[6]。當(dāng)以酚醛交聯(lián)時(shí)，體系黏彈性好，但強(qiáng)度較低，且酚醛會(huì)污染環(huán)境[7-9]。

聚乙烯亞胺(PEI)是一種水溶性高分子聚合物，毒性低，且由于胺基的非離子性，對(duì)金屬陽(yáng)離子耐受性強(qiáng)，并可通過(guò)親核取代形成抗溫、抗鹽體系[10-11]。本文以PEI和有機(jī)鉻復(fù)合，與聚丙烯酰胺交聯(lián)得到凝膠，使其具備高強(qiáng)度、黏彈性好、低毒環(huán)保的性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

部分水解聚丙烯酰胺TP369(AM/AMPS二元共聚物)，工業(yè)品；醋酸鉻、PEI(M.W.10 000，99%)均為分析純。

RS6000型旋轉(zhuǎn)流變儀；WG-43型電熱恒溫箱；TCCG-3型驅(qū)替裝置。

1.2 堵水凝膠的制備

去離子水中按比例加入HPAM，攪拌至溶解完全后靜置，使其充分溶脹。加入PEI交聯(lián)劑和醋酸鉻交聯(lián)劑，攪拌至均勻，靜置于恒溫箱中。

1.3 成膠時(shí)間與成膠黏度測(cè)定

將混合均勻的凝膠置于恒溫箱內(nèi)候凝，用旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定不同時(shí)間的凝膠表觀黏度，剪切速率為1.5 s-1。表觀黏度穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為成膠時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)的黏度即為成膠黏度。

1.4 成膠穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

以優(yōu)選質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度制備100 g堵水凝膠，在堵水凝膠的成膠溫度下，測(cè)定成膠后不同天數(shù)凝膠的黏度，并計(jì)算黏度保持率。

1.5 耐剪切性評(píng)價(jià)

以優(yōu)選質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度制備堵水凝膠，以不同的剪切速率對(duì)凝膠進(jìn)行剪切，測(cè)定剪切后的黏度。

1.6 封堵性評(píng)價(jià)

以不同目數(shù)的石英砂裝填長(zhǎng)40 cm、內(nèi)徑2.5 cm 的填砂管，抽真空后以清水飽和12 h，測(cè)量初始滲透率K0。注入凝膠堵劑后，在成膠溫度下候凝48 h，以清水反向驅(qū)替測(cè)量堵后滲透率K1。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

配制100 g HPAM聚合物溶液，攪拌均勻后，加入不同比例的PEI交聯(lián)劑，置于60 ℃恒溫箱中，以成膠時(shí)間和成膠黏度為指標(biāo)，采用2因素4水平正交表，對(duì)HPAM和PEI的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行優(yōu)選，正交實(shí)驗(yàn)因素及水平見(jiàn)表1，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment

由表2可知，當(dāng)聚合物HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨著PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，體系的成膠時(shí)間逐漸縮短，成膠黏度逐漸增大，之后皆趨于穩(wěn)定。這是由于隨著PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，可供親核取代的亞胺基數(shù)量隨之增多，與HPAM中的酰胺基碰撞幾率增高，更易于發(fā)生親核取代，從而使交聯(lián)時(shí)間縮短，成膠黏度提高。當(dāng)PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到一定值時(shí)，由于HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定，可供反應(yīng)的酰胺基數(shù)量有限，因此成膠時(shí)間和成膠黏度趨于穩(wěn)定。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal experiment results

當(dāng)PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，隨著HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，體系的成膠時(shí)間先增長(zhǎng)后縮短，成膠黏度逐漸增大后趨于穩(wěn)定。這是由于當(dāng)聚合物濃度較低時(shí)，隨著聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，溶液變稠，減緩溶液中分子的移動(dòng)速度，從而減緩親核取代反應(yīng)速度，當(dāng)聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大，可供反應(yīng)的酰胺基數(shù)量明顯增多，成膠時(shí)間縮短；而成膠黏度則會(huì)由于酰胺基數(shù)量的增多而持續(xù)增大至趨于穩(wěn)定。因此，為兼顧成膠時(shí)間和成膠黏度，優(yōu)選A3B4即HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%。

2.2 醋酸鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選

固定HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，PEI質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，分別向聚合物溶液中按質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%加入醋酸鉻交聯(lián)劑，置于60 ℃恒溫箱中，測(cè)定其成膠時(shí)間和成膠黏度，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 醋酸鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)成膠性能的影響Fig.1 The effect of the mass fraction of chromium acetate on the gelling properties

由圖1可知，醋酸鉻的加入延長(zhǎng)了成膠時(shí)間，增大了成膠黏度，并且隨著醋酸鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，成膠時(shí)間隨之縮短，成膠黏度隨之提高。這是由于醋酸鉻在溶液中電離出的醋酸根水解生成少量有機(jī)酸，對(duì)Cr3+有螯合作用，可延遲交聯(lián)，且由于Cr3+的加入，多核羥橋絡(luò)離子與HPAM中的羧酸根發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，提高了體系的初始黏度[12-13]。隨著醋酸鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，形成的Cr3+多核羥橋絡(luò)離子數(shù)目增多，交聯(lián)反應(yīng)幾率增大，因此成膠時(shí)間縮短，成膠黏度增大。為兼顧成膠時(shí)間和成膠黏度，優(yōu)選醋酸鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。

2.3 成膠溫度優(yōu)選

按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8% HPAM、0.1% PEI、0.2%醋酸鉻配制堵水凝膠，分別置于50，60，70，80，90 ℃恒溫箱中，測(cè)定成膠時(shí)間和成膠黏度，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 溫度對(duì)成膠性能的影響Fig.2 Effect of temperature on the gelling properties

由圖2可知，隨著溫度的上升，成膠時(shí)間隨之縮短，成膠黏度先增大后減小。這是由于隨著溫度的升高，體系內(nèi)分子運(yùn)動(dòng)加快，更易于相互碰撞發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使成膠時(shí)間縮短，成膠黏度提高[14]。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，一方面，PEI交聯(lián)結(jié)構(gòu)會(huì)因體系中溶解氧的氧化作用而被破壞[15]；另一方面，Cr3+在溫度高于60 ℃或更高時(shí)，交聯(lián)反應(yīng)會(huì)更加劇烈[16]，因此宏觀上表現(xiàn)為成膠黏度上升趨勢(shì)趨于穩(wěn)定。由于成膠時(shí)間過(guò)短會(huì)使凝膠體系未到目的區(qū)域就已成膠，而過(guò)長(zhǎng)又會(huì)使凝膠在目的區(qū)域難以起到封堵作用[17]，因此優(yōu)選成膠溫度為70 ℃，成膠時(shí)間約為36 h，成膠黏度約為3 150 mPa·s。

2.4 耐剪切性評(píng)價(jià)

按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8% HPAM、0.1% PEI、0.2%醋酸鉻配制堵水凝膠，流變儀溫度為70 ℃，測(cè)定0～60 s-1剪切速率范圍內(nèi)凝膠的黏度變化，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，凝膠的黏度隨剪切速率的增大而降低，這是由于體系中的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，尤其是PEI交聯(lián)體系中的直鏈結(jié)構(gòu)較多，會(huì)因受到剪切作用而易被破壞。地層中的流體流動(dòng)剪切速率一般為10～20 s-1，在此剪切速率范圍內(nèi)，體系的黏度約為650～1 800 mPa·s，具有較好的耐剪切性。

圖3 體系黏度隨剪切速率的變化Fig.3 Change of viscosity with shear rate

2.5 成膠穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8% HPAM、0.1% PEI、0.2%醋酸鉻配制復(fù)合凝膠堵劑，置于70 ℃恒溫箱36 h后，評(píng)價(jià)其成膠穩(wěn)定性，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 成膠穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Evaluation results of gelling stability

由圖4可知，70 ℃下，30 d后成膠黏度由3 248 mPa·s 下降至2 667 mPa·s，黏度保持率為82.1%，60 d后黏度下降至2 568 mPa·s，黏度保持率為79.1%，具有良好的成膠穩(wěn)定性。

2.6 封堵性評(píng)價(jià)

由表3可知，3次封堵實(shí)驗(yàn)中，填砂管的堵后滲透率均大幅降低，封堵率在95%左右，說(shuō)明該堵水凝膠劑可起到良好的封堵效果。

表3 封堵性測(cè)試結(jié)果Table 3 Sealing test results

3 結(jié)論

(1)以PEI、醋酸鉻制備了一種復(fù)合凝膠堵劑，其成膠時(shí)間隨HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而先增長(zhǎng)后縮短，隨著PEI和醋酸鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸縮短。成膠黏度隨HPAM、PEI和醋酸鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而逐漸增大，后趨于穩(wěn)定。

(2)隨著溫度的上升，復(fù)合凝膠堵劑的成膠時(shí)間隨之縮短，成膠黏度先增大后減小。

(3)復(fù)合凝膠堵劑的配方優(yōu)選質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8% HPAM、0.1% PEI、0.2% 醋酸鉻，成膠溫度為70 ℃，此時(shí)的成膠時(shí)間約為36 h，成膠黏度約為 3 150 mPa·s。

(4)該復(fù)合凝膠堵劑具有較好的耐剪切性、成膠穩(wěn)定性和封堵效率，在10～20 s-1下，黏度約為650～1 800 mPa·s；70 ℃下30 d后的黏度保持率為82.1%，60 d后黏度保持率為79.1%；封堵率在95%左右。