耐高溫調剖體系在多孔介質內的匹配性研究

肖麗華，劉常青，權佳美，李彥閱，周 振，趙立雷

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300450；2.東北石油大學提高采收率重點實驗室，黑龍江大慶 163318）

渤海油田是中國最大的海上油田之一，溫度處于90～135 ℃的油田達17 個。在注水開發后期，含水上升速度加快，高滲層吸液量增加，以致低效或無效循環，平面、縱向矛盾日益顯現[1，2]。聚合物凝膠因其獨特性能優勢成為該技術的一種有效藥劑，在油田增產方面應用廣泛，在降低水相滲透率，改善水的波及效率以及油藏的深部調剖等方面均表現良好[3-5]。

由于聚合物凝膠相互交聯形成三維籠狀結構的黏彈體，通過外力擠壓變形進入多孔介質，在滯留位置發生固化反應或者膨脹作用從而建立有效封堵。但儲層環境是影響成膠效果和熱穩定性的重要因素之一。高溫條件下常規調剖體系會因交聯過度，黏度比預期值增大很多，成膠強度也會變大，導致后續注入也會非常困難。即使增大外力作用迫使其進入孔隙，其分子結構也會被破壞，致使滯留時間不會很長，耐沖刷性和封堵功能都不會理想。而當凝膠強度過低時又不能有效啟動低滲層[6-11]。且分子結構或結構參數對其在多孔介質內的滲流特性和非均質條件下的原油驅替特征的影響不容忽視[12]。因此，只有當調剖體系與儲層個性化匹配度較高時，耐溫調剖體系才能取得最理想的封堵性能和液流轉向效果。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料與設備

AS 干粉聚合物、交聯劑A、交聯劑B、除氧劑，質量分數均為99%；無機填充劑，質量分數為57%。填砂管尺寸為25 mm×300 mm，實驗室自制。實驗用水為目標油田模擬水，總礦化度為5 222.27 mg/L，pH 值為8.38。

SIRION 200 掃描電鏡，美國FEI 公司；傅里葉紅外光譜分析儀，Spectro One 珀金埃爾默有限公司；BY-Ⅱ型多功能巖心驅替系統，東北石油大學、南通北巖實驗設備科技有限公司聯合研制。巖心夾持器、手搖泵、平流泵、中間容器等置于恒溫箱內。實驗設備流程（見圖1）。

圖1 實驗流程圖

1.2 實驗方法

1.2.1 凝膠溶液配制 根據前期實驗優選凝膠配方進行實驗研究，凝膠配方組成包括聚合物、交聯劑A 和交聯劑B、除氧劑、無機填充劑和水。將燒杯置于磁力攪拌器上，加入目標油層模擬地層水1 000 mL，在攪拌條件下加入4 g 實驗用耐溫抗鹽聚丙烯酰胺粉末，攪拌2 h，得到完全溶解的凝膠主劑溶液，在主劑溶液中加入2 g 交聯劑A 和2 g 交聯劑B，5 g 除氧劑和5 g無機填充劑，充分攪拌溶解得到凝膠溶液。

1.2.2 滲流特性實驗 建立雙巖心實驗模型模擬地層的非均質性。定制兩種不同滲透率級差的巖心管并聯起來接入驅替系統，在恒定流速（0.25 mL/min）下注入地層水，記錄注入壓力和高、低巖心管分流體積；以同樣的速度注入一定量（0.3 PV）的體系溶液，在120 ℃下恒溫一段時間，候凝，待體系成膠后再進行水驅，記錄注入壓力和高、低滲巖心分流量，測定突破壓力和封堵后水相滲透率。

1.2.3 凝膠封堵機理表征 配制聚合物溶液和凝膠溶液，采用美國FEI 公司SIRION 200 型掃描電鏡進行冷凍電鏡掃描。將凝膠溶液置于安瓿瓶中，在90 ℃、100 ℃和120 ℃條件下進行成膠，對比48 h 后凝膠的冷凍電鏡掃描圖像，并結合凝膠主劑聚合物、交聯劑及助劑的結構對凝膠的成膠封堵機理進行分析。

2 結果分析

2.1 封堵性能分析

2.1.1 阻力系數/殘余阻力系數與突破壓力/突破壓力梯度 成膠后進行后續水驅其殘余阻力系數高達430～7 820，表明高孔隙介質內孔隙間隔較大，可使分子間產生充分碰撞，利于凝膠充分成膠（見圖2、圖3）。殘余阻力系數的增大也反映出該體系成膠后在孔隙介質中的滲流阻力在變大，同時孔隙介質的滲透率下降幅度也增大，從而實現后續水的順利轉向。該凝膠體系在不同滲透率下的巖心突破壓力都在2 MPa 以上，突破壓力梯度均大于7 MPa/m，當滲透率不低于1 000 mD時，突破壓力和突破壓力梯度均明顯提高且后期逐漸趨于穩定。

圖3 突破壓力/突破壓力梯度變化曲線

2.1.2 封堵率與封堵選擇性 除滲透率為320 mD 的巖心外，滲透率在450 mD 以上巖心凝膠封堵率均在99%以上，可見注入該凝膠體系時巖心滲透率對巖心封堵率的影響不大，并對不同級別的滲透率巖心均表現較高的封堵能力（見表1）。

表1 調剖體系在不同滲透率下的封堵情況

不同滲透率級差的巖心在注入凝膠體系之后，進行后續水驅時出口端的相對流量變化較大，由此可以推斷出凝膠在高滲透率巖心中形成有效滯留，注入水受壓力影響改變液流方向，低滲層吸液量明顯增加，儲量動用程度提高。因此該凝膠體系對高、低滲層具有較好的選擇性，對滲透率級差范圍在5～20 的巖心均具有良好的調剖分流效果（見圖4）。

圖4 滲透率級差5.9、11.1、19.3 的分流率動態波及效果

2.2 成膠封堵機理分析

對聚合物與交聯劑成膠前后的掃描電鏡進行比較分析（見圖5），相比于聚合物單劑溶液體系，交聯現象明顯，且隨著溫度升高，交聯加密，在120 ℃成膠反應后，在電鏡圖像上可以清晰觀察到三維網格結構。對成膠前后的聚合物和凝膠的紅外光譜進行對比分析（見圖6），紅外譜圖上的基團吸收情況也發生明顯改變，交聯作用的發生使1 550 cm-1處的C-N 吸收峰明顯增強。

圖6 AS 聚合物與凝膠的FT-IR 對比圖

實驗中所用凝膠體系組成為耐溫耐鹽主劑聚合物、交聯劑A 和交聯劑B、除氧劑、無機填充劑和水。聚合物主劑為自身結構上帶有耐溫耐鹽基團的聚丙烯酰胺類聚合物，成膠前后高溫下聚合物骨架相對完整，但在凝膠調剖實驗中，凝膠成膠后處于動態剪切和沖刷過程中，凝膠體系保持穩定的關鍵不只有聚合物，成膠機理也至關重要。

本文中所用交聯劑分為A 和B，屬于組合交聯劑，兩種交聯劑在高溫下發生反應形成可交聯物質，再與聚合物發生交聯，因為交聯劑產生的反應為分步進行的，所以高溫下成膠反應相對單劑交聯成膠速度慢，避免交聯速度快，成膠不均勻，凝膠穩定性差的問題，可以實現凝膠溶液注入后的原位成膠。除交聯劑外，凝膠體系中加入了可參與交聯作用的除氧劑，在發揮除氧作用的同時，與交聯劑B 發生反應產生具有交聯性能的物質，輔助交聯聚合物，加密交聯網絡。

交聯劑和除氧劑的協同作用使交聯反應可以分步、多級進行，但凝膠的聚合物主鏈是具有相對高相對分子質量的聚丙烯酰胺類物質，動態剪切和外力作用下仍易發生交聯結構破壞，所以在凝膠配方中加入了一種無機分散性填充劑，該填充劑的加入可提高凝膠的整體強度，因為凝膠體系屬于高溫下原位成膠，無機填充劑顆粒尺度介于納米至微米級，不影響其注入性能。

3 結論

實驗表明該調剖體系對滲透率在420～6 210 mD范圍內的巖心封堵率均達到99%以上，殘余阻力系數和突破壓力梯度數據說明封堵效果顯著，且注入的體系在巖心中存留率高，因此，在120 ℃環境下該調剖體系進入多孔介質后能夠均衡推進，可以建立有效封堵。

利用掃描電鏡和紅外光譜儀對凝膠體系進行表征，結合凝膠配方各組分的分子結構分析該凝膠的成膠機理主要有以下三方面：（1）耐溫的聚合物主鏈結構；（2）分步、多級原位成膠機理；（3）無機填充增加凝膠的機械強度。