调剖用凝胶的吸水溶胀特性评价及改进

吴 刚 田利民 王克涛 朱国良 李胜华 陈善峰

（中国石油华北油田分公司，河北任丘 062552）

调剖用凝胶的吸水溶胀特性评价及改进

吴 刚 田利民 王克涛 朱国良 李胜华 陈善峰

（中国石油华北油田分公司，河北任丘 062552）

针对常规聚丙烯酰胺凝胶在化学剖面调整中逐渐暴露出的技术局限性，开展了50～90 ℃温度范围内的铬交联体系和酚醛树脂交联体系的水浸泡及黏度损失研究，并遵循“达西定律”基本理论，从增加交联密度、降低凝胶溶胀度的角度入手，引入新的可溶性高分子材料来改善常规凝胶交联强度。结果表明，凝胶在水中充分浸泡时，黏度会随着反应时间的延长而降低，凝胶在水中存在溶胀作用及黏度损失。添加剂PVA 易与聚丙烯酰胺分子间形成网络内氢键或缠绕，起到物理交联点的作用，使凝胶黏度提高30%，考察180 d后黏度损失小于10%。该研究可为解决层间矛盾、启动低渗透层段的生产潜力提供技术支持。

调剖；凝胶；黏度；浸泡；溶胀

化学剖面调整技术作为华北油田改善水驱开发效果主要挖潜手段，为稳油降水、提高油藏采收率起到了重要作用。随着油田开发的不断深入，常规的化学剖面调整技术逐渐暴露出一些技术局限性，即使通过提高常规凝胶体系中聚合物质量浓度和聚交比，也难以满足现场要求。针对华北油田油藏非均质性强、层间渗透率级差大的特点，从调剖机理出发，开展调剖材料的研究探索，形成了有针对性的调剖技术体系，为解决华北油田层间矛盾、启动低渗透层段的生产潜力，提供了有效的技术支撑手段。

1 常规凝胶吸水溶胀特性评价

1.1 实验物品和实验方法

在50～90 ℃温度范围内，华北油田常用的调剖体系有两类，分别是中温的铬交联体系和高温的酚醛树脂交联体系，由聚合物、交联剂等组成，形成非牛顿流体增大注入液黏度［1］。在室内实验中，分别开展这两类凝胶的水浸泡实验，研究凝胶的吸水溶胀特性。

实验试剂：聚丙烯酰胺，工业品；铬交联剂，工业品；酚醛树脂交联剂，工业品；其余试剂为分析纯。

实验仪器：BS423S电子天平，101A_IE恒温干燥箱，MARS流变仪等。

实验方法：按照常规配方配制凝胶溶液，放置烘箱中，待成胶后取出测黏度，称取凝胶20 g浸泡于200 g水中（凝胶与水质量比1∶10），做若干个平行样，依次放入烘箱中，每隔一段时间取出一瓶测黏度及溶胀倍数。

1.2 实验结果及分析

1.2.1 不同水浸泡评价实验 实验条件：聚合物质量分数0.25 %，实验温度90 ℃，实验结果见图1、图2。

图2 常规酚醛树脂交联凝胶污水浸泡评价实验

由实验结果可以看出，在90 ℃恒温条件下，随着反应时间的延长，常规酚醛树脂交联体系凝胶在清水或污水中浸泡，黏度均会逐渐降低。清水中凝胶在反应到16 d时溶胀到未浸泡时的5.2倍，达到最大溶胀倍数，但黏度仅为未浸泡时的76%。污水中凝胶在反应到13 d时溶胀到未浸泡时的4.2倍，达到最大溶胀倍数，但黏度仅为未浸泡时的66%。随后凝胶黏度仍逐渐降低，胶体从边缘处逐渐破胶。

常规酚醛树脂交联体系凝胶浸泡评价实验结果表明：该体系无论在清水还是污水中浸泡，黏度都会随着反应时间的延长而降低，凝胶在水中存在溶胀作用及黏度损失。

1.2.2 不同质量分数凝胶的水浸泡评价实验 为考察同一凝胶体系中不同聚合物质量分数之间是否遵循上述溶胀规律，开展了不同质量分数凝胶的水浸泡评价试验。以铬交联体系凝胶为例，清水配液，60℃恒温条件，聚合物质量分数分别为0.2%、0.3%，铬交联凝胶体系污水不易成胶，因此只开展清水浸泡实验。试验结果见图3、图4。

图3 聚合物质量分数0.3%的凝胶浸泡评价实验

图4 聚合物质量分数0.2%的凝胶浸泡评价实验

由实验结果可以看出，在60 ℃恒温条件下，随着反应时间的延长，不同聚合物质量分数的铬交联体系凝胶在清水中浸泡，黏度均会逐渐降低。当反应到16 d时聚合物质量分数0.3%凝胶溶胀到未浸泡时的5.4倍，达到最大溶胀倍数，但黏度仅为未浸泡时的74%。反应到13 d时聚合物质量分数0.2%凝胶溶胀到未浸泡时的2.7倍，达到最大溶胀倍数，但黏度仅为未浸泡时的71%。随后凝胶黏度仍逐渐降低，胶体从边缘处逐渐破胶。

由以上实验可见，常规聚丙烯酰胺水凝胶中的亲水基团易与水相互作用，表现出亲水性强的特点，因水合作用而充分伸展，分子链呈扩展构象。凝胶中亲水基团与水分子之间形成的氢键随着浸泡时间的延长而增多，增强了凝胶的亲水作用，使更多的水进入凝胶发生溶胀，使凝胶的黏度大大降低，缩短了措施的有效期，影响了施工效果。

根据上述实验结果，以聚丙烯酰胺为主体的水凝胶，无论添加哪种交联剂，即使改变聚合物的用量，在水中充分浸泡时，均遵循上述溶胀规律，使得其在深部调剖的应用中受到很大限制。

2 有机高分子凝胶体系的研制

影响凝胶膨胀的因素较复杂，主要包括水溶液的pH值、盐离子作用、温度和凝胶的交联度等［2］。在实际生产过程中，在不考虑pH值、盐离子、温度的影响因素情况下，为改善常规凝胶的机械强度和亲水性，可通过引入新的纤维状增强剂PVA来增加交联密度、降低凝胶溶胀度［3-7］。PVA是一种具有水溶性的高分子聚合物，抗拉强度和成膜性良好，耐冲击、耐磨，绝缘性良好，在形成凝胶的过程中，链间羟侧基间形成的氢键缔可形成缠结结构，作用类似于交联网络结构中的交联点［8-11］。PVA自交联后形成的三维网络结构，对水凝胶机械强度的提高具有决定性作用［12］。

2.1 改进凝胶体系的吸水溶胀特性评价实验

实验目的：对比体系改进前后凝胶体系水浸泡强度损失情况。

样品1：质量分数0.25%聚丙烯酰胺，质量分数1%PVA，交联剂以及添加剂。

样品2：质量分数0.25%聚丙烯酰胺，添加交联剂以及添加剂。

实验方法：按上述组分配比制备样品1、样品2，在90 ℃下清水浸泡，每隔一定时间取出测试黏度和溶胀倍数，绘制黏度、溶胀倍数随时间变化曲线（见图5、图6）。

图5 改进体系黏度和溶胀倍数随水浸泡时间变化关系

图6 改进体系初始、180 d水浸溶胀形态

与图1对比，添加PVA颗粒后凝胶体系黏度增加30%以上，180 d后膨胀倍数小于1.7，黏度损失下降小于10%。实验表明，在常规凝胶中添加疏水材料能显著提高凝胶强度、降低水浸溶胀度。

2.2 改进体系水驱稳定性实验

分别向1#、2#岩心注入2 PV的上述样品1和样品2凝胶，岩心置于90 ℃恒温箱内24 h待成胶，进行200 PV的水驱实验，记录不同时刻的驱替压力，绘制驱替压力、渗透率随水驱体积变化曲线。

图7 1#、2#岩心驱替压力与水驱体积关系曲线

图8 1#、2#岩心渗透率与水驱体积关系曲线

由图7、图8可知，在常规凝胶体系中引入了增强剂，其分子中存在的骨架结构能很好地分散在凝胶中，和聚丙烯酰胺通过物理缠绕的方式结合在一起，起到了支撑作用，改善了凝胶强度，对大孔道及裂缝均有较好的物理堵塞作用，增强剂在水中溶解过程很缓慢，同时延长了凝胶在地层中的稳定期限。物模实验中经过200 PV水驱，常规凝胶对1#岩心的封堵率降低了57.8%，改进凝胶对2#岩心的封堵率降低了22.7%。

3 结论与认识

（1）常规聚丙烯酰胺水凝胶在水中充分浸泡时，随着反应时间的延长会出现溶胀现象，致使凝胶黏度降低，影响施工效果，在常规聚丙烯酰胺水凝胶中添加可溶性高分子材料PVA能显著提高凝胶强度、降低水浸溶胀度。

（2）调剖堵水属于二次采油的配套技术，与化学驱油等三次采油技术相结合，即“2+3”技术，这种技术既能发挥调剖堵水提高波及系数的优势，又能发挥化学驱油提高洗油效率的优势，能更大幅度地提高油田采收率。

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（修改稿收到日期 2014-06-03）

〔编辑 景 暖〕

Evaluation and improvement of swelling characteristics of gel used for profile control

WU Gang,TIAN Limin,WANG Ketao,ZHU Guoliang,LI Shenghua,CHEN Shanfeng
（Huabei Oilfield Company,CNPC,Renqiu062552,China）

In view of the technical limitations of ordinary polyacrylamide hydrogel revealed gradually in the chemical profile control,a research was conducted on water soaking and viscosity loss of chrome crosslinking system and phenolic resin crosslinking system within a temperature range of 50 ℃ to 90 ℃;and following the basic theory of Darcy’s Law,a new soluble polymer material was introduced to improve the strength of ordinary gel crosslinking strength starting from increasing the crosslinking density and reducing gel swelling degree.The results show that,when gel is adequately soaked in water,its viscosity will decrease with the extension of reaction time,and that the gel has swelling function and its viscosity loses.Addition of PVA can easily create in-grid hydrogen bond or winding with polyacrylamide molecules,which plays the role of physical crosslinking point and improves the gel viscosity by 30%.After observation for 180 days,its viscosity loss is less than10%.The research results can provide technical support for solving interlayer contradictions and initiating the production potential of low-permeability sections.

profile control;gel;viscosity;soak;swell

吴刚，田利民，王克涛，等.调剖用凝胶的吸水溶胀特性评价及改进［J］.石油钻采工艺，2014，36（4）：109-111，125.

TE357.4；TE39

：B

1000–7393（2014）04–0109–04

10.13639/j.odpt.2014.04.027

吴刚，1965年生。1989年毕业于大庆石油学院石油地质专业。现为采油工程研究院副院长。电话：0317-2756901。E-mail：cyy_wug@petrochina.com.cn。