预交联凝胶颗粒的吸水膨胀性能评价及应用

赵燕红

（西安长庆化工集团有限公司研究所，陕西西安 710018）

预交联凝胶颗粒作为一种低成本、易注入的调剖剂在调整油层吸水剖面、扩大波及体积方面发挥着重要的作用，先后在河南油田、中原油田、大庆油田等工业化推广应用并取得了较好的措施效果[1-4]，为油田的稳油控水发挥了重要作用。预交联颗粒调剖剂一般是由丙烯酰胺聚合或聚合物交联（部分含有无机物添料）经造粒、干燥、粉碎、筛分制成的遇水膨胀而不溶解的固体颗粒。颗粒吸水后膨胀且具有良好的柔顺性和韧性，注入地层后，颗粒在水驱作用下产生形变，选择性进入不同尺度的喉道。颗粒经运移、聚集、堵塞等在地层中反复作用使后续水流转向，最终达到改善水驱剖面、提高波及体积的目的。预交联凝胶颗粒在白于山长4+5 裂缝性油藏现场应用14 口井取得了较好的效果，显著改善了区块水驱开发效果。

1 凝胶颗粒合成及膨胀性能评价

1.1 合成方法

本文合成凝胶颗粒的原料和比例为：16 %～20 %丙烯酰胺、1 %～2 %丙烯酸、0.03 %～0.04 %交联剂、0.8 %～1 %引发剂和2 %稳定剂。颗粒采用爆聚合成工艺法，即通过爆聚反应形成高强度凝胶团，再经过造粒、干燥、粉碎、筛分工艺制作而成。在预交联凝胶颗粒合成过程中，可根据实际需要调整配方中的个组分比例和制作工艺，形成颗粒粒径、膨胀倍数、膨胀时间、耐温性和强度大小均可调的系列调剖剂。

1.2 膨胀性能评价

预交联凝胶颗粒的吸水膨胀性能通过用膨胀倍数表征，其定义为颗粒充分吸水膨胀后的质量与干颗粒质量之比，反映颗粒的吸水能力。在强度满足要求的条件下, 追求颗粒吸水能力的最大化是预交联凝胶颗粒的目标。吸水膨胀倍数测定方法为：称取一定量的预交联颗粒样品放入容器，加入一定量的水，定时称取颗粒吸水膨胀后的质量，样品吸水前后质量之比即为颗粒膨胀倍数。

图1 不同粒径颗粒的膨胀性能

1.2.1 不同粒径颗粒的膨胀性能 实验在55 ℃条件下分别测试了粒径分别为0.5 mm、1 mm～3 mm 和3 mm～5 mm 的三种颗粒在油田注入水（矿化度3.1×104mg/L）浸泡下的膨胀倍数，结果（见图1）。可以看出，颗粒粒径越小, 吸水膨胀速度越快，0.5 mm 颗粒5 h 后基本上达到吸水平衡状态，1 mm～3 mm 颗粒在9 h 左右达到吸水平衡，3 mm～5 mm 颗粒在10 h 后趋于平衡。这是因为在吸水膨胀初期，水分子大量进入颗粒网络结构内，与颗粒中的强亲水基团相互作用形成氢键，同时具有网络结构的凝胶体交联点之间的分子直链因吸水而变为卷曲链，产生分子聚合力。当聚合力达到相对平衡态时，吸水膨胀达到饱和状态。而对于比表面相对较大的小粒径颗粒，水进入颗粒内部较容易[5]，因此，其膨胀速度越快。

1.2.2 不同温度下的膨胀性能 分别在室温、60 ℃、80 ℃条件下考察粒径为1 mm～3 mm 预交联凝胶颗粒的膨胀性（水的矿化度3.1×104mg/L）。实验结果（见图2）。

图2 不同温度条件下的颗粒膨胀性能

可以看出，三种温度条件下颗粒吸水膨胀速度不同，温度越高，膨胀速度越快，最终达到的膨胀倍数没有明显差异。室温下颗粒吸水膨胀速率较慢，25 h 后颗粒吸水基本上达到饱和状态，在60 ℃条件下，颗粒10 h后吸水趋于平衡，80 ℃条件下膨胀最快，7 h 后基本趋于平衡，说明温度越高，水分子热运动加剧，分子间形成的聚合力减弱，凝胶体交联点形成的分子链卷曲速率越快，聚合力达到相对平衡状态所需的时间更短。因此，温度主要影响颗粒的吸水膨胀速度，而对最终膨胀倍数没有明显影响。

1.2.3 不同矿化度下的膨胀性能 实验在55 ℃条件下，考察了粒径1 mm～3 mm 颗粒在水型为CaCl2型（矿化度8.6×104mg/L）、NaHCO3型（矿化度9.2×104mg/L）水中的膨胀性能，结果（见图3），实验结果为颗粒膨胀30 h 的膨胀倍数。

图3 不同矿化度条件下的颗粒膨胀性能

从图3 可看出，颗粒膨胀倍数随矿化度增大而变小，当矿化度小于10 000 mg/L 时，膨胀倍数随矿化度增大而变小的速率较快，当矿化度大于10 000 mg/L后，膨胀倍数基本保持不变。相同矿化度条件下，颗粒在CaCl2水型的膨胀倍数比在NaHCO3水型中大。这是因为颗粒吸水膨胀后，凝胶体分子链段上大量可离解的基团生成高分子负离子和带正电的阳离子。阳离子自由分散在负离子周围，形成稳定电场，但由于引入的阳离子对负电荷的中和屏蔽作用，导致高聚物分子间的作用力减弱，分子间聚合自由能降低，更容易趋于稳定状态，吸水能力降低。而且，由于二价离子比一价离子具有更强的屏蔽能力[6]，因此，Ca2+比Na+对颗粒吸水膨胀倍数的制约性更强。

1.2.4 颗粒膨胀后的热稳定性 将预交联凝胶颗粒放入矿化度为3.1×104mg/L 的水中，在80 ℃下浸泡膨胀，定时测定膨胀倍数，测其粘弹性、韧性及抗压强度，计算膨胀倍数保留率，结果（见图4）。

图4 预交联颗粒的长期稳定性

可以看出，颗粒膨胀主要在初期吸水阶段，10 d 左右膨胀倍数达到最大值，70 d 以后膨胀倍数保留率98 %以上，且颗粒吸水膨胀后形态完整，柔顺性、韧性和粘弹性均保持良好。说明该颗粒的长期热稳定性好。

2 现场应用

2.1 施工工艺

预交联凝胶颗粒的应用对象为裂缝性水窜特征明显、渗透率级差大于10 和PI 值低于7.7 的井。单井颗粒用量采用白于山区块调剖用量经验公式计算：

式中：V 为颗粒用量，m3；R 为调剖半径，m；H 为调剖目的层厚度，m；Φ 为孔隙度，%；K 为裂缝水窜方向系数。

考虑泵注过程中颗粒的流动性和单一凝胶颗粒物理封堵后注入水易在颗粒间水窜，采用聚合物作为颗粒的携带液以及交替注入颗粒和聚合物段塞，提高颗粒的泵注效率和最终的封堵效果。聚合物用量采用以下公式计算：

14 口调剖井平均单井用量为1 650 m3，其中颗粒1 000 m3～1 100 m3，聚合物550 m3～650 m3。

现场施工采用两种注入工艺：一种是聚合物段塞和凝胶颗粒段塞交替注入；另一种是首先配制预交联颗粒，初步溶胀后搅拌均匀，加入聚合物继续搅拌均匀后进行泵注。

2.2 应用效果

白于山长4+5 油藏为长庆靖安油田的主力区块之一，储层平均孔隙度13.5 %，渗透率1.45×10-3μm2，微裂缝发育，属典型的低孔低渗油藏。早期的规模化压裂建产使人工裂缝与储层天然裂缝大面积沟通，投产开发至今，注水开发过程中裂缝性水窜，含水先后四次突然上升，含水上升上升速度越来越快，油井水淹产能损失加剧。2010 年底区块综合含水达70 %，自然递减17.4 %，综合递减14.6 %，采出程度仅6.1 %，开发形势十分严峻。2011 年在该区块开展了预交联凝胶颗粒整体调剖现场应用。

调剖后，14 口注水井调剖后注水压力明显上升，上升幅度1.2 MPa～5.2 MPa，平均上升2.8 MPa。表明颗粒对裂缝带形成了有效封堵，为注入水动用低渗油层建立了良好了驱替条件。压降速率明显变缓，吸水指示曲线明显上移，吸水能力增强，吸水剖面得到了有效调整，吸水状况得到了有效改善。调剖后对应77 油口井普遍见效，见效比例53 %，综合含水由调剖前69 %下降至64 %，含水上升率由调剖前的3.4 %下降至-5.6 %，区块整体调剖显著控制了油井含水和含水上升速度。调剖后区块水驱动用程度提高了0.17 %，表明调剖后水驱波及体积扩大。

3 结论

（1）颗粒粒径越小，吸水膨胀速度越快，不同粒径颗粒的最终膨胀倍数相同。温度越高，膨胀速率越快，不同温度下颗粒最终膨胀倍数相同。粒径大小和温度主要影响膨胀速率，对最终膨胀倍数没有显著影响。凝胶颗粒微观分子结构特征是影响膨胀性能的要因。

（2）颗粒膨胀倍数随矿化度增大而变小。当矿化度小于10 000 mg/L 时，膨胀倍数随矿化度增大而变小的速率较快，当矿化度大于10 000 mg/L 后，膨胀倍数基本保持不变。相同矿化度条件下，颗粒在CaCl2水型的膨胀倍数比在NaHCO3水型中大，这是因为Ca2+对负离子的中和屏蔽作用比Na+更强。在80 ℃、水矿化度3.1×104mg/L 条件下，颗粒浸泡80 d，膨胀倍数保留率98 %以上，且柔顺性、韧性和粘弹性均保持较好。

（3）预交联颗粒在白于山长4+5 裂缝性油藏现场应用14 口井，调剖后，注水压力平均上升2.8 MPa，压降、吸水指示曲线和吸水剖面等测试资料均表明颗粒调剖后地层裂缝带得到了有效封堵，水驱剖面得到了调整，区块开发指标变好，注水开发状况得到明显改善。

［1］ 王志瑶，李颖，吕昌森，等.预交联凝胶颗粒类调剖剂性能评价方法研究［J］.大庆石油地质与开发，2005，24（6）：77-79.

［2］ 刘一江，刘积松，李琇富.预交联凝胶微粒在深度调剖中的应用［J］.油气地质与采收率，2001，8（3）：65-66.

［3］ 周亚贤，郭建华，王同军，等.一种耐温抗盐预交联凝胶颗粒及其应用［J］.油田化学，2007，24（1）：75-78.

［4］ 李科星，邓秀模，钱志鸿，等.JSF-1 复合调剖体系的研制与应用［J］.油田化学，2010，27（4）：411-415.

［5］ 唐孝分，刘玉章，刘戈辉，等.颗粒调剖剂性能评价方法［J］.石油钻采工艺，2004，26（4）：72-75.

［6］ 董朝霞，吴肇亮，林梅钦，等.盐浓度对交联聚合物线团形态的影响［J］.油田化学，2002，19（1）：80-84.