一种复合凝胶堵水剂的研究

王代流 （中石化胜利油田分公司孤岛采油厂，山东 东营257231）

李学佼，侯影飞 （中国石油大学（华东）化学工程学院，山东 青岛288560）

油井出水是油田开发过程中普遍存在的现象，它不仅严重影响油井产量，减少原油的采出率，而且环境也会受到一定程度的影响。硅酸堵水剂具有耐温耐盐性能好、强度高、有效期长、成本低等优点［1～3］，可以有效封堵油井的出水层位，达到降水增油的效果。硅酸堵水剂的缺点是在高温下胶凝速度快［4～7］，这就影响了在油田井中的实际应用。

笔者针对硅酸胶凝堵水剂胶凝速度快、有机硅和硅酸钠用量高等问题，进行了优化研究，在降低有机硅和硅酸钠用量的同时，实现凝胶时间在模拟地层温度60℃下达到8h以上，这既降低了成本，又确保了增产效果。

1 试验内容

1.1 试验试剂

硅酸钠，模数3.0；有机硅，固含量45%；孤岛油田污水，悬浮物870～1250mg／L；磷酸，氯化铵，EDTA（防垢剂）分析纯；去离子水，实验室自制。

1.2 试验方法

1）缓释酸的配制 37.7gNH4Cl，80.6g缓释剂，24.9g磷酸，856.8g水配制成1L酸液备用。

2）堵水剂的制备 先称取一定量的甲基硅酸钠、硅酸钠，与污水混合；再加入0.15g EDTA，搅拌均匀；最后加入适量的缓释酸，搅拌混合，常温放置12h，观察溶液变化。如果没有胶凝，将混合液放入60℃的水浴锅中加热，观察其胶凝时间和凝胶强度。

3）堵水剂性能的测试 将配制好的堵水剂移入恒温水浴锅中模拟地层温度60℃，恒温候凝至混合液形成具有一定强度的凝胶体。按文献 ［8］中的凝胶强度等级划分标准，通过观察法确定堵剂的凝胶强度。

2 结果与讨论

2.1 配方优化

有机硅堵水剂配方：3～10mL有机硅＋5～15mL硅酸钠＋10～40mL缓释酸＋油田污水（总体积100mL），混合搅拌均匀。

2.1.1 不同硅源对凝胶性能的影响

考察不同硅源对凝胶性能的影响，如表1所示，在保证凝胶强度的前提下，加入有机硅可以提高堵剂凝胶的弹性。这是由于有机硅的主链十分柔顺，其分子间的作用力比碳氢化合物要弱得多，因此，比同分子量的碳氢化合物黏度低，表面张力弱，当有机硅体积分数较高时，不易形成凝胶。而硅酸钠黏结力强、强度较高，但当其体积分数较高时，形成的凝胶易碎。

2.1.2 硅酸钠对胶凝时间的影响

当有机硅1.3mL，缓释酸15mL时，硅酸钠加量对胶凝时间的影响如表2所示，随硅酸钠加量的增加胶凝时间缩短。这是由于硅酸钠的硅酸根离子遇H＋逐渐质子化，与有机硅形成二聚体，然后以相同的反应机制形成三聚体，直至形成具有空间体型的长链网状结构的高聚体［9，10］。故硅酸钠加量过低，则不足以形成高聚体；加量过高则胶凝速度过快，都不能达到要求。

2.1.3 有机硅对胶凝时间的影响

当硅酸钠9.0mL，缓释酸15.0mL时，有机硅加量对胶凝时间的影响如表3所示，随着有机硅加量的增加，胶凝时间延长。当有机硅为1.5mL，硅酸钠为9.0mL时，胶凝时间最长达到4.7h。这是因为有机硅的硅原子上充足的甲基将高能量的聚硅氧烷主链屏蔽起来，使得硅酸很难接近而发生聚合反应，从而降低了反应速率。因此，有机硅加量增加时，胶凝时间延长；而加量过高则很难形成具有良好强度的凝胶。

2.1.4 缓释酸对胶凝时间的影响

当硅酸钠7.5mL，有机硅1.4mL时，缓释酸加量对胶凝时间的影响如表4所示，随缓释酸加量的增加，胶凝时间缩短。为适应高温的需要加入缓释剂以延迟胶凝，原因是缓释剂的加入使得酸释放H＋的速度减缓，整个反应速率降低。当缓释酸加量过高时，即使释放H＋速率缓慢，产生的H＋也足以产生硅酸进行聚合反应，胶凝时间短；而当缓释酸加量过低时，则产生的H＋不足以参与反应，不能形成具有良好强度的凝胶。

表1 不同硅源对凝胶性能的影响

表2 硅酸钠对胶凝时间的影响

表3 有机硅对胶凝时间的影响

2.2 胶凝时间

设计正交试验，考察有机硅、硅酸钠、缓释酸3个因素（表5）。通过极差分析，有机硅1.5mL，硅酸钠8.2mL，缓释酸14.5mL时，胶凝时间最长（表6）。各因素对胶凝时间的影响大小顺序为缓速酸、有机硅、硅酸钠（表7）。

表4 缓释酸对胶凝时间的影响

表5 正交试验影响因素及因素水平取值

为了充分节约成本，在以上试验结果的基础上做了适当调整，当有机硅 1.5mL、缓释酸 14.5mL时，减少硅酸钠加量，当硅酸钠加量在6.4～8.2mL时，胶凝时间均能达到13h以上。从经济方面考虑，选择硅酸钠加量6.4mL为宜。因此，堵水剂优化配方为有机硅1.5mL＋硅酸钠6.4mL＋缓释酸14.5mL＋EDTA 0.15g＋油田污水。

表6 正交试验结果

表7 极差分析结果

3 结论

1）通过正交试验分析了各因素对堵水剂胶凝时间的影响效果，堵水剂的最佳配方为有机硅1.3mL＋硅酸钠6.4mL＋缓释酸14.5mL＋EDTA 0.15g＋油田污水，胶凝时间13h。

2）堵水剂的设计既减少了硅源的用量，又保证胶凝效果，满足现场施工强度，符合实际应用环境。

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