热敏可逆凝胶调剖剂的研制与应用

2011-11-10杨立军喜恒坤

东北石油大学学报 2011年3期

杨立军，喜恒坤

( 1. 沈阳农业大学高职学院，辽宁沈阳 110122； 2. 辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010 )

0 引言

稠油油藏的胶结疏松、孔隙度高、非均质性严重，在注气开采过程中,特别是多轮次吞吐后，注气指进和气窜现象极为普遍.如果能设法堵上已波及高渗透区域，让注入流体转向未波及地带或未波及地层，就能采出原来未能采出的油，这是凝胶调剖技术的目标.目前大量使用的凝胶类调剖体系是以部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)为主剂[1],以Cr3+、Al3+苯酚及间苯二酚等为交联剂的体系.这些体系属于交联强度较高的调剖体系，在油层相对较高的盐水矿化度(10 g/L以上)和较高温度(高于70 ℃)的条件下，由于聚合物的热降解、盐降解和金属离子降解使得体系的稳定性变得非常差.交联聚合物弱凝胶是目前应用最广泛的深部调剖技术[2]，但多不抗盐，一般不适宜矿化度100 g/L以上、温度90 ℃以上的深部调剖；胶态分散凝胶(CDG)耐温耐盐性能差，成胶条件苛刻，封堵程度低.因此，热敏可逆凝胶调剖技术在稠油油藏注气开采过程中具有广阔的应用前景.王卓飞等[3]通过对克拉玛依浅层稠油油藏非均质性特点进行分析，针对气窜严重井区试验优选了热可逆凝胶MET-KA体系.该体系当温度降低时恢复成液体，而温度再次升高又形成凝胶，允许“打开”和“关闭”缝隙，并依靠温度的变化调节渗流量，实现暂堵调剖作用，适合井间气窜较严重的井区.胜利油田现河采油厂[4]针对乐安油田稠油精密筛管完井水平井高含水难题展开攻关，在草20区块实施温敏可逆凝胶堵调技术先导试验，效果显著.赵贲发明了一项专利技术——热致可逆凝胶调剖防窜剂[5]，该剂是一种纤维素醚水溶液,可以通过加入凝胶化调节剂使溶液转变为凝胶的温度在40～120 ℃范围内变动.

为了适应辽河油田稠油油藏注气开采的需要，提高热敏可逆凝胶的耐高温(250 ℃)性及耐高矿化度(100 g/L)性，并实现无毒、环保，成胶温度、成胶时间可调节的要求，笔者以羟丙基甲基纤维素(HPMC)醚溶液为主剂，研制一种热敏可逆凝胶，并对其性能进行实验研究，以解决稠油油藏注气开采过程中的气窜问题.

1 实验

有一些高分子物水溶液在温度升高超过一定值后，能转变为水基凝胶，而温度降低时发生相反的过程，由水基凝胶转变为水溶液.温度升高时发生的溶液-凝胶转变和温度降低时发生的凝胶-溶液转变都是物理性质的可逆转变，这种凝胶称为热敏可逆凝胶.热敏可逆凝胶用于蒸气驱井的调剖，由于其独有的高温成胶的特性，能够封堵高渗层，在地层中建立偏转屏蔽，调控渗流，阻止气窜和消除气锥，提高波及面积，提高注气效率.热敏可逆凝胶用做蒸气吞吐井的调剖暂堵剂，在注蒸气前注入热敏(可逆)水溶性凝胶溶液，注蒸气时热敏(可逆)水溶性凝胶溶液变成凝胶，起到调剖作用；注气后开井生产时井温不断降低，地层中形成的凝胶屏障变为溶液，该渗流通道又可正常生产.总之，该高分子物水溶液注入地层时，主要进入冲洗过的地层高渗透地带，生成凝胶屏障，导致渗流场发生改变，使注气井的吸气剖面更均匀，从而降低油井产出液的含水量，提高油井的产油量.

水溶性纤维素醚类具备热敏可逆凝胶主剂所要求的性能，因此，首先开展实验，优选水溶性纤维素醚及添加剂用量，以满足稠油油藏注气开采需要.

1.1 优选纤维素醚

在水溶性纤维素醚中，非离子型醚的耐热、耐盐性能比离子型醚好，其水溶液具有表面活性.具有独特的热凝胶化作用的醚有烷基和羟烷基两大类.烷基醚有甲基纤维素(CMC)及其羟烷基改性衍生物，如羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟丁基甲基纤维素(HBMC)、羟乙基甲基纤维素(HEMC).羟烷基醚包括羟乙基纤维素(HEC)、乙基羟乙基纤维素(EHEC)和羟丙基纤维素(HPC).

表1 凝胶性能与纤维素相对分子质量的关系

在水溶性非离子型烷基纤维素醚中，能进行工业化生产并得到广泛应用的只有甲基纤维素(MC)及其少数几种羟烷基改性的衍生物，如羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟乙基甲基纤维素(HEMC)和羟丁基甲基纤维素(HBMC).这些烷基纤维素醚有一个共同的特性：溶于冷水而不溶于热水.当水溶液的pH值在3～12内变化时，水溶液均可稳定存在.水溶液加热到一定温度形成凝胶并析出，冷却时凝胶消失并恢复溶液状态.

把不同相对分子质量的MC、HPMC、HEMC和HBMC分别配成质量分数为2.0%的水溶液，在20 ℃条件下测定其黏度，并取50 mL放入比色管中进行成胶实验，结果见表1.

由表1可知，随着相对分子质量的增加，MC、HPMC、HEMC、HBMC的成胶温度分别在43.5～49.0，51.0～54.0，50.0～52.5，53.0～56.0 ℃之间变化，它们的成胶温度变化不大.随着相对分子质量的增加，凝胶析水量逐渐增加，MC、HPMC、HEMC和HBMC相对分子质量与凝胶吸水量关系见图1.

图1 纤维素凝胶析水量与相对分子质量关系曲线

由图1可知，在一定相对分子质量条件下，HPMC凝胶后析出水量最少，当HPMC相对分子质量为2.2×104时析出水量为1.5 mL.因此，按照凝胶析水量最低的原则，优选羟丙基甲基纤维素(HPMC)为热敏纤维素醚.

1.2 确定HPMC的质量分数

表2 HPMC质量分数对凝胶性能的影响

为确定HPMC的质量分数，配制不同质量分数的HPMC溶液，测定其凝胶成胶温度、成胶时间、凝胶析水量和凝胶强度，结果见表2.

达到成胶温度后，凝胶在短时间内迅速成胶.由表2可知，随着HPMC质量分数的增加凝胶成胶时间逐渐缩短，凝胶析水量逐渐减少，凝胶强度逐渐增加.考虑到成本因素，选择HPMC的质量分数为3.0%.

1.3 改善HPMC凝胶析水性

表3 添加剂对HPMC凝胶性能的影响

通过在HPMC凝胶体系中加入无机物或有机物可以降低凝胶析水量，改善凝胶性能.把相对分子质量为2.2×104的HPMC配成质量分数为3.0%的水溶液，分别量取50 mL加入一定量的添加剂，测定其成胶温度、凝胶析水量和凝胶强度，结果见表3.

由表3可知，选择性添加无机或有机物都能使凝胶不再析水、凝胶强度增强；添加无机物能使凝胶成胶温度降低，添加有机物能使凝胶成胶温度升高.因此，通过加入合适的添加剂能够改善凝胶性能.

1.4 提高HPMC凝胶的耐温性

为提高HPMC凝胶的耐温性，进行实验：

(1)配制质量分数为3.0%的HPMC水溶液1 000 mL，制成a溶液；

(2)分别量取a溶液100 mL装入2个高压钢瓶中，为样品1；

(3)量取a溶液500 mL，加入质量分数为5.0%的无机盐类添加剂A，制成b溶液；

(4)分别量取b溶液100 mL装入2个高压钢瓶中，为样品2；

(5)将样品1的一个钢瓶和样品2的一个钢瓶在200 ℃的条件下恒温24 h；将样品1的另一个钢瓶和样品2的另一个钢瓶在250 ℃的条件下恒温24 h.冷却至室温后，做成胶实验，结果见表4.

表4 添加剂A对HPMC凝胶耐温性的影响

由表4可知，HPMC溶液加入无机盐类添加剂A后，无机盐类中的硝酸根与HPMC结合，进一步增强凝胶的热稳定性，从而提高凝胶耐温性能，实验耐温性可高达250 ℃.

1.5 提高HPMC凝胶抗盐性

水的矿化度对HPMC凝胶强度有很大的影响，分别用不同矿化度的水配成质量分数为3.0%的HPMC水溶液,并向其中加入等量的添加剂B.未加添加剂的HPMC凝胶和加入添加剂B的HPMC凝胶在不同矿化度下的凝胶强度见表5.

利用表5实验数据所作的HPMC凝胶强度与矿化度的关系曲线见图2.由图2可知，随着矿化度的增加，凝胶强度逐渐变小.未加添加剂的HPMC凝胶在10 g/L以内时，随矿化度的增加，凝胶强度减小缓慢；当矿化度超过10 g/L时，随矿化度的增加，凝胶强度急剧变小.向HPMC水溶液中加入添加剂B后能够显著提高凝胶耐矿化度程度.当矿化度超过100 g/L时，随矿化度的增加，凝胶强度迅速降低.

表5 矿化度对HPMC凝胶强度的影响

图2 HPMC凝胶强度与矿化度关系曲线

表6 HPMC凝胶的封堵性能

1.6 测试HPMC凝胶的封堵性能

利用所研制的HPMC凝胶，在松散填充岩心中进行封堵性能实验，结果见表6.由表6可知，HPMC凝胶的封堵率达到91%，封堵强度达到10.3 MPa/m，能够满足现场要求.

2 现场应用

利用所研制的HPMC凝胶在杜84-63-95井进行实际应用.

2.1 调剖剂用量

热敏可逆凝胶调剖剂用量Q为

Q=πr2hφ,

(1)

式中：r为处理半径；h为油层有效厚度；φ为油层平均孔隙度.

杜84-63-95井的油层有效厚度为25.6 m，平均孔隙度为31.88%，取处理半径为2 m；由式(1)可计算热敏可逆凝胶调剖剂用量，为保证实际施工有效性，调剖剂量多配置3%，即Q取为105 m3.

2.2 施工工艺

首先配制好热敏可逆凝胶调剖剂105 m3水溶液，并在井场按施工要求正确连接挤注流程，卡瓦及油壬砸紧，地面设备试运行，试压16 MPa，保证各种管汇畅通；然后用1台400型水泥车，控制排量在0.8 m3/min，泵压<16 MPa，将105 m3调剖剂正注入井；最后用2台15 m3罐车正替清水15 m3，反替清水5 m3，以冲洗清理疏通井筒管柱.调剖作业关井24 h后方可注气.