铬冻胶调驱体系实验研究

2017-12-17李桂峰

石油地质与工程 2017年6期

关键词：冻胶成胶交联剂

李桂峰

（中国石化中原油田分公司采油二厂，河南范县 457532）

铬冻胶调驱体系实验研究

李桂峰

（中国石化中原油田分公司采油二厂，河南范县 457532）

针对油藏非均质性特点，进行了铬冻胶调驱实验研究。研究表明：随着聚合物浓度和交联剂用量的增加，调驱体系成胶时间减小，体系的成胶强度和稳定性增加；随着促凝剂质量分数增加，调驱体系成胶时间和成胶强度增加，稳定性随交联剂和促凝剂质量分数的增加先增加后减小。对优选出的最佳成胶体系配方性能评价表明：体系的成胶时间和成胶强度随着矿化度的增加均先减小后增加；随着pH值的增加，体系的成胶时间增长，成胶强度先增加后下降。该体系的耐冲刷性好，最终采收率在水驱基础上提高21.26 %，在非均质地层中具有良好的调驱效果。

铬冻胶；体系优选；性能评价；采收率

我国是世界上注水开发油田比例较高的国家之一，陆上各主要油田相继进入高含水采油期，综合含水90 %以上，采出程度仅为30 %左右，大量原油剩余在地下[1–4]。我国油田多为陆相沉积，储层非均质严重，水驱不均的现象普遍存在，为了提高高含水期的水驱采收率，改善地层的非均质性，常采用水井调剖和油井堵水的工艺技术来改善水驱开发效果[5–7]。众多堵剂中，铬冻胶是一种由聚丙烯酰胺与铬的多核羟桥铬离子发生交联反应生成的堵剂，具有成冻时间可调、强度可控、能封堵距井眼不同距离的特点[8–11]。本文以无机交联剂CrCl3为研究对象，考察了矿化度、温度、pH值等多个因素对铬冻胶的影响，并研究了铬冻胶的封堵及驱油能力。

1 实验准备

1.1 实验药品

CrCl3，乳酸，部分水解聚丙烯酰胺（工业级），硫脲（分析纯），氯化钠（分析纯），氯化钙（分析纯），目标区块脱水脱气原油，模拟地层水pH值5.5，总矿化度14 000 mg/L，其中Na+含量12 000 mg/L，Ca2+含量 1 150 mg/L。

1.2 实验材料

恒温箱，平流泵，中间容器，布氏黏度计，恒温水浴锅，填砂管，压力表，量筒，玻璃棒等。

1.3 调剖剂的制备

（1）交联剂的配制：将一定量的 CrCl3溶解于水中，加入乳酸，搅拌溶解，在45 ℃恒温箱中放置3 d后备用（随着体系老化时间的延长，溶液中的环状乳酸铬三聚体含量增多，聚丙烯酰胺/交联剂体系的成胶时间随老化时间的延长而增加），可以观察到交联剂溶液从绿色变为蓝黑色。

（2）铬冻胶的制备：取一定量已配好的聚丙烯酰胺母液和硫脲稳定剂母液混合并稀释，边搅拌边加入一定量配制好的交联剂，继续搅拌使交联剂均匀分散在溶液中，得到一系列不同质量分数的铬冻胶调剖剂。

2 体系成胶配方确定

2.1 聚合物浓度2 000 mg/L时成胶配方确定

实验温度为30 ℃，矿化度为14 000 mg/L，聚合物浓度2 000 mg/L的体系初始黏度14.7 mPa·s，设置了交联剂和促凝剂不同配比的三组实验：实验1∶2 000 mg/L聚合物 + 0.2 %交联剂 + 0.05 %促凝剂；实验 2∶2 000 mg/L聚合物 + 0.3 %交联剂 +0.09 %促凝剂；实验3∶2 000 mg/L聚合物 + 0.4 %交联剂 + 0.13 %促凝剂，成胶过程见图1。

由于主剂聚合物溶液的浓度限制，以及高矿化度下聚合物分子链由于静电屏蔽作用蜷缩严重，聚合物分子卷曲程度相对较高，导致聚合物分子间溶液的降黏特性明显，宏观上体系初期黏度较低，距离相对较大，起到交联质点桥梁作用的交联剂不能很好发挥作用，体系成胶时间较长。实验1和实验2成胶强度达到8 000 mPa·s以上，成胶时间10~15 d，冻胶稳定性较好。实验1的交联剂和促凝剂质量分数较低，黏度也略低于实验2。对于实验3，铬冻胶黏度先增加，维持一段时间后急剧下降，主要原因是由于交联剂和促凝剂用量过多，凝胶交联过度，稳定性下降，脱水现象严重，体系黏度降低。

图1 交联剂和促凝剂不同配比条件下体系黏度变化

2.2 聚合物浓度3000 mg/L时成胶配方确定

实验温度为30 ℃，矿化度为1 4000 mg/L，聚合物浓度3 000 mg/L的体系初始黏度38.0 mPa·s，设置了交联剂和促凝剂不同配比的三组实验：实验4：3000 mg/L聚合物 + 0.2 %交联剂 + 0.09 %促凝剂；实验5：3000 mg/L聚合物 + 0.3 %交联剂 + 0.13 %促凝剂；实验6：3000 mg/L聚合物 + 0.4%交联剂 +0.05%促凝剂，成胶过程见图2。

图2 交联剂和促凝剂不同配比条件下体系黏度变化

可以看出，实验6成胶时间为8~10 d，成胶强度达到12 000 mPa·s以上，铬冻胶稳定性较好。观察20 d后，实验4未能形成稳定冻胶，黏度几乎无变化；实验5在观察13 d后黏度缓慢增加，20 d后稳定在2 000 mPa·s左右，并伴有促凝剂结块沉淀现象。初步分析认为，当促凝剂用量相对交联剂用量较大时（交联剂与促凝剂比例小于3∶1），且在低温（交联剂及促凝剂分子反应活化能降低，导致反应缓慢或长时间不反应）及大量二价金属离子作用下，促凝剂难与交联剂发生作用，两者都失去交联活性，长时间不交联，促凝剂以沉淀形式出现，最终导致交联失败。将实验1~6进行汇总对比，见表1所示，可以看出:

（1）成胶强度随聚合物浓度和交联剂质量分数的增加而增加，当交联剂质量分数相对较低时（＜0.3%），其对交联过程作用不明显，当交联剂质量分数达到0.3%后，其交联作用特性显著增加。

（2）铬冻胶稳定性随聚合物浓度的增加而增加，随交联剂质量分数的增加先增加后减小，随促凝剂质量分数的增加先增加后减小，减小原因均是由于过度交联使凝胶产生脱水现象而降黏。

（3）交联剂与促凝剂比例小于3∶1，在低温高矿化度条件下，交联剂和促凝剂不发生反应，进而不能与聚合物产生交联。

（4）综合考虑，最佳体系配方为：3000 mg/L聚合物 + 0.4 %交联剂 + 0.05 %促凝剂。

3 凝胶体系性能评价

针对优选出的体系：3000 mg/L聚合物 + 0.4 %交联剂 + 0.05 %促凝剂，分别进行矿化度、温度、剪切速率等影响因素的考察。

3.1 矿化度影响

模拟地层水矿化度分别为 2 000 mg/L，3 500 mg/L，7 000 mg/L，15 000 mg/L，20 000 mg/L，30 000 mg/L，配制交联体系溶液，调节溶液的 pH值为中性，观察成胶情况。见图3，矿化度20 000 mg/L体系小部分成胶，30 000 mg/L体系不成胶。

表1 地层水条件下不同聚合物浓度时成胶配方

由图3可以看出，随着矿化度的增加，成胶时间先减少后增加，铬冻胶强度先增强后减弱；当矿化度超过20 000 mg/L，交联体系不成胶。表明适量盐的存在有利于交联，因为盐可以降低聚丙烯酰胺分子间的静电排斥作用，从而加强分子间的交联强度。当体系中盐的含量过少时，会使HPAM分子线团过度扩张，增加HPAM单分子球间的静电排斥作用，从而使分子间的交联强度变弱。盐浓度过大时，会压迫凝胶分子层，使水分子从凝胶分子层中脱出，大幅度降低未交联溶液的黏度，使HPAM分子线团收缩，不利于聚丙烯酰胺分子间的交联反应，破坏凝胶体系的稳定性。

图3 不同矿化度溶液对凝胶形成时间及黏度的影响

3.2 温度影响

考察温度对体系成胶情况的影响，结果见表2。由表2可以看出，在温度为40~100 ℃时，均能形成一定强度的铬冻胶，且随着温度的升高，成胶时间缩短，成胶强度增加；40~60 ℃内生成的铬冻胶体系最佳。

表2 温度对体系成胶的影响

根据化学反应动力学原理，发生化学反应时存在着一个最低能量(活化能)，低于此能量，物质间不能发生化学反应。温度太低时，聚合物分子和交联剂分子热运动的能量不足以克服反应的活化能，交联反应不能进行。随着温度的升高，分子间的碰撞加剧，有足够的能量克服交联反应的活化能，温度越高交联反应越剧烈，更容易形成连续性较强的空间网状结构。因此，体系的最高成胶强度随温度的升高而增加，但温度太高时，聚合物易发生热氧化而降解；因此，高温时形成的铬冻胶体系的稳定性有所下降。

3.3 pH值影响

改变成胶液的pH值，考察pH值对体系成胶强度的影响，结果见表3。

表3 pH值对体系成胶的影响

由表3可以看出，随着pH值的增加，体系的成胶时间增长，成胶强度先增加后下降，pH值在5~6时，调剖剂成胶强度最好，胶体稳定；因此，成胶液的最佳pH值应为5~6。

3.4 封堵能力研究

封堵率和残余阻力系数常用来表征冻胶的封堵性能。实验采用单管模型，在一定温度下测定注入凝胶前后的填砂管渗透率，封堵率为封堵前后渗透率之差比堵前渗透率，残余阻力系数为封堵前后渗透率之比。封堵率越大，渗流阻力越高，残余阻力系数越大，渗透率下降幅度越大，冻胶性能越好。实验测定了 4组岩心的封堵率、残余阻力系数（表 4）。

表4 封堵率、残余阻力系数测定结果

由表4可以看出，调剖前水相渗透率具有较大差别，但调剖后基本保持在一定数值；在一定范围内，随着岩心渗透率的增加，铬冻胶的残余阻力系数减小。经过5 PV盐水冲刷后，封堵率仍能达到98 %以上，具有很好的耐冲刷性。

3.5 提高采收率研究

利用渗透率级差为 7∶1的双管并联模型模拟地层的非均质性，考察铬冻胶提高采收率能力。饱和水、饱和油老化一定时间后水驱至含水率 98 %，注入0.3 PV的3 000 mg/L HPAM + 0.4 %交联剂 +0.05 %促凝剂，在地层温度下，侯凝24小时，后续水驱至含水率98 %，实验结束。整个实验过程每隔一定时间记录产出液、产出油，计算采收率增值。

由图4可以看出，在水驱阶段，含水率和采收率均先上升并逐渐平稳，高渗岩心分流率所占比例远高于低渗岩心，注入水90 %进入高渗透岩心，而进入低渗透岩心的注入水低于10 %，高、低渗岩心的水驱采收率分别为58.42 %和11.20 %，水驱综合采收率33.26 %。注入冻胶后，含水率明显下降，高低渗岩心分流率所占比例发生明显改变，说明冻胶的注入有效的调整了渗流剖面，液流转向低渗层，将低渗岩心中更多的液体驱替出来。后续水驱阶段，综合采收率进一步上升，并逐渐稳定，综合含水率在下降一定幅度后逐渐回升并最终达到 100 %，低渗岩心的分流率仍明显高于高渗岩心，说明冻胶具有良好的调剖作用和液流转向能力。非均质岩心的最终综合采收率达到54.52 %，在水驱基础上提高了21.26 %，显示出冻胶在非均质地层中具有良好的调驱效果。