弱凝胶深部调剖剂的研制及性能评价

2014-04-04郑继龙宋志学

精细石油化工进展 2014年1期

张　洪，郑继龙，宋志学，陈　平,胡　雪,赵　军

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司;2.中海油能源发展股份有限公司钻采工程研究院:天津塘沽 300452)

交联聚合物驱可充分发挥交联聚合物的优势，实现高注入能力和大规模注入，对油藏内部流体起到调节作用[1]。交联聚合物驱不仅能起到调剖、堵水的作用，同时能调节层间或层内矛盾，增加波及体积[2]。按聚合物使用浓度分类，交联聚合物可分为2种：一是胶态分散凝胶或可流动凝胶等低浓度聚合物体系；二是弱凝胶调驱体系。

弱凝胶[3]是一种由低浓度聚合物和交联剂形成的凝胶体系，可大幅度降低化学剂用量。大量研究表明，弱凝胶或胶态分散凝胶(CDG)深部调剖技术经济可行，具有较好的应用前景[4]。与常规聚合物相比，弱凝胶体系具有成胶时间长、成胶强度小、聚合物用量低、选择性强、耐高温高盐、阻力系数和残余阻力系数低、剪切稳定性好、对地层不会造成永久伤害等特点[5]。

1　弱凝胶驱油机理

交联弱凝胶驱油技术是在聚合物驱技术和凝胶堵水技术基础上发展起来的一项新技术，其驱油体系是一种由低浓度聚合物和交联剂形成的以分子间交联为主、分子内交联为辅的凝胶体系。宏观上，凝胶线团之间靠化学键作用连成整体；微观上，凝胶线团由聚合物分子交联而成，线团间靠化学键和氢键连接，这种连接受剪切作用后易破坏。因此，一方面交联弱凝胶会对高渗通道产生封堵作用，使后驱流体流向改变，对低渗层中未波及或波及程度低的区域产生驱替作用，起到调剖作用；另一方面，由于凝胶线团间靠少量化学键和氢键相连，在后续注入流体的推动下，凝胶线团间的化学键和氢键易被破坏，使弱凝胶向储层深部运移。在运移过程中，弱凝胶受地层剪切形成体积小的凝胶团，这些凝胶团在向储层深部运移过程中会重新分布、聚集，从而改变多孔介质中的微应力分布，在后注驱替液粘滞力的作用下，对剩余油产生驱替作用[6]。

2　实验部分

2.1　试剂和仪器

乳酸钠，化学纯，淄博天智化工有限公司；结晶氯化铝，化学纯，南通金鼎化工有限公司；柠檬酸三钠，分析纯，上海之臻化工有限公司；乙酸钠，化学纯，廊坊天科生物科技有限公司；硫脲，山东振华工业股份有限公司；聚丙烯酰胺，法国。

恒温箱，扬州华宝石油仪器有限公司；JJ-3六联电动搅拌器，上海汗诺仪器有限公司；Sartorius电子天平，精度0.001 g；移液管;洗瓶;玻璃棒;烧杯;量筒等。

2.2　实验步骤及方法

1)聚合物主剂的配制。根据所需溶液浓度及用量，称取聚丙烯酰胺粉末，配制聚丙烯酰胺溶液母液，备用；将配制好的母液稀释为所需的含量(文中百分数均指质量分数)。

2)交联剂的制备。称取一定量的柠檬酸三钠、乙酸钠、乳酸钠和氯化铝，加蒸馏水分别溶解在烧杯中，并分别移入250 mL的容量瓶中，配制成10%的盐溶液。按物质的量比为1∶1将氯化铝分别与柠檬酸三钠、乙酸钠和乳酸钠配制成交联剂，并标记为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ，静置3天后使用。

3)交联剂种类的筛选。分别取一定量聚丙烯酰胺溶液(pH为7)，各加入0.3%交联剂Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ，混合摇匀后装入标有代号的密封玻璃瓶中，放入65 ℃烘箱内静置，观察其成胶情况。

4)交联体与配位体物质的量比的确定。配制物质的量比不同的有机交联剂，静置3天后使用。聚丙烯酰胺含量为0.17%，混合摇匀后装入标有代号的密封玻璃瓶中，放入65 ℃烘箱内静置，观察其成胶情况。

5)交联剂含量的确定。配制含量为0.11%和0.17%的聚丙烯酰胺溶液，交联剂中交联体与配位体物质的量比为1∶1，交联剂含量分别为5%，8%，10%，12%，15%。混合摇匀后装入标有代号的密封玻璃瓶中，放入65℃烘箱内静置，观察其成胶情况。

6)交聚比的确定。加入0.1%硫脲为稳定剂，聚丙烯酰胺含量为0.11%。交聚比为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，混合摇匀后装入标有代号的密封玻璃瓶中，放入65 ℃烘箱内静置，观察其成胶情况。

7)聚合物主剂含量范围的确定。聚丙烯酰胺含量在0.05%～0.18%之间变化。交聚比为0.3%，硫脲加量为0.1%，混合摇匀后装入标有代号的密封玻璃瓶中，放入65℃烘箱内静置，观察其成胶情况。

2.3　弱凝胶强度评价标准

受条件限制，实验采用目测分级方法评价弱凝胶成胶后的强度变化情况。成胶分级见表1[7]。

表1　凝胶强度代码标准

3　结果与讨论

3.1　交联剂种类的筛选

配制含量分别为0.10%，0.12%，0.15%聚丙烯酰胺溶液。分别加入0.3%交联剂Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ，观察其成胶情况，结果见表2。交联剂I(即氯化铝与柠檬酸三钠配制的交联剂)的交联效果优于其他2种交联剂，能达到延缓交联的目的。

表2　不同交联剂的成胶情况

各种配位剂的配位能力不同，因而交联剂的成胶情况也不同。配位剂配位能力的强弱一般用配位常数[8]来表示。表3列举了几种常用配位剂的配位常数。

表3　常用配位剂的配位常数

柠檬酸的配位常数高于乙酸和乳酸的配位常数。一般配位常数越高，配位体和交联体形成的化合物稳定性就越好，释放交联体的速度就越慢。由于柠檬酸三钠的配位能力很强，它能控制铝离子的释放速度，从而达到延缓交联的目的。其他几种配位剂配位能力相对较弱，在实验条件下，不能达到延长交联时间的目的。因此，本实验采用柠檬酸铝作为交联剂。

3.2　交联体与配位体物质的量比的确定

有机交联剂的交联体与配位体之比对成胶性能有较大影响。配制了氯化铝和柠檬酸钠物质的量分别为1∶1,2∶1和3∶1的有机交联剂，静置3天后使用。实验中，聚合物含量为0.17%。将交联剂与聚合物混合摇匀后装入标有代号的密封玻璃瓶中，放入65 ℃烘箱内静置，观察成胶情况，结果见表4。

表4　交联体与配位体的物质的量比对成胶性能的影响

由实验结果可知，当有机交联剂的交联体与配位体的物质的量比为1∶1时，配制的弱凝胶强度较好。一般而言，弱凝胶起始黏度要低，经过一定时间后，达到一定黏度后方可保证其强度。

3.3　交联剂含量的确定

交联剂含量对凝胶的成胶速度和强度的影响较大，因此通过实验对交联剂的含量进行筛选。实验中，聚合物含量为0.11%和0.17%，交联剂中氯化铝和柠檬酸钠物质的量为1∶1，交联剂含量分别为5%，8%，10%，12%，15%，交聚比均为0.3%。将交联剂与聚合物混合摇匀后装入标有代号的密封玻璃瓶中，在60 ℃恒温条件下进行实验，结果见表5。

表5　交联剂含量对成胶性能的影响

由表5可知，交联剂的含量为8%～12%时，形成的弱凝胶效果较好。当交联剂含量低于8%时，交联剂的有效成分偏低，因此交联剂体系黏度低，达不到调剖的目的。当交联剂含量大于12%时，交联剂体系中会出现多余的交联剂分子，使体系不稳定，长时间放置有脱水现象。

3.4　交聚比的确定

交聚比的确定可进一步完善交联剂的选择和成胶结果。保持凝胶体系配方中其他组分加量不变，仅改变交聚比，体系成胶速率随交聚比的增加而增大，交聚比过少时体系不能形成冻胶。

实验中，加入0.1%硫脲作稳定剂，聚合物含量为0.11%，实验结果见表6。交聚比低于0.3%时，成胶缓慢；高于0.3%时，随着时间延长凝胶有脱水现象。根据实验结果并考虑经济成本，确定适宜的交聚比为0.3%。

表6　交聚比对成胶性能的影响

3.5　聚合物主剂含量范围的确定

在交联弱凝胶驱油提高采收率技术中，聚合物含量是确定凝胶成胶强度以及影响技术经济成果的关键参数[9]。因此，在室内研究基础上考察了聚合物主剂(聚丙烯酰胺)含量对交联弱凝胶体系成胶性能影响，结果见表7。

表7　聚丙烯酰胺含量对成胶性能的影响

由表7可知，聚合物含量在0.08%～0.17%范围内，均可形成稳定性较好的弱凝胶，且随聚合物含量增加，弱凝胶体系的成胶速度加快，形成的弱凝胶强度增加，稳定性变好。当聚合物含量高于0.17%时，形成的凝胶不稳定，易脱水。当聚合物含量低于0.08%时，形成的凝胶强度较低。根据实验结果并综合考虑经济成本，确定聚合物主剂含量在0.08%～0.17%范围内。