注水开发油藏硅酸凝胶堵水剂改进与应用研究

宋淑娟

摘要：研究一种用水玻璃为主剂、甲醛为活化剂以及其他添加剂制备堵水剂。油井出水是油田尤其是注水油田开发进入中后期普遍存在的问题。多年的研究工作和油田实践证明，注水井调剖见效快、效益高，是提高注水开发效果的关键技术措施。硅酸凝胶是一种重要的堵水剂，它是由硅酸溶胶转变而来的一种失去流动性的体系。相同的反应物，根据不同的添加顺序反应得到的凝胶分为酸性硅酸凝胶和碱性硅酸凝胶。硅酸凝胶有一定的强度，而且有一定的稳定性和耐酸碱性。

关键词：注水开发；水玻璃；堵水剂优化；硅酸凝胶；评价

研究一种用水玻璃为主剂、甲醛为活化剂以及其他添加剂制备堵水剂。通过对该堵水剂的配方进行筛选，使堵水剂凝胶时间长，凝胶强度高。在对实验配方筛选的过程中，以胶凝时间和凝胶强度等技术指标来衡量堵水剂的效果。最终确定出最佳配方：10%～ 15%水玻璃，2%～ 4%甲醛，0.5%～ 1.2%表面活性剂A，0.6%～ 0.7%螯合剂B和0.02%～ 0.03%助凝剂C。

本文主要采用单液法，研究以硅酸凝胶为主剂，添加不同浓度的活化剂、表面活性劑、螯合剂以及其他助剂制得的堵剂，主要测定其凝胶时间和凝胶相对强度等指标，系统的分析凝胶机理，最后筛选出胶凝时间5d，凝胶强度达到3.5～5MPa的最佳配方。

1 基本原理

常温下活化剂甲醛在水中能缓慢氧化、水解，电离出H +离子，H +离子与水玻璃反应成硅酸凝胶：2H+ + Na2SiO3→H2SiO3+2Na+在生成单硅酸分子中的硅原子没有满足6配位，存在聚合趋势。特别当存在OH -时，不同分子中的硅原子通过OH -发生聚合，生成二聚物、三聚物。聚合链可以继续下去，形成多聚硅酸的胶球粒子。开始只是形成单硅酸，继而线性硅酸继续缩聚，但达到一定程度后，通过硅酸分子间的相互作用和缠结，便形成结构，发生胶凝，硅酸溶胶转变成硅酸凝胶，缩合成多硅酸。常温下，表面活性剂A通过吸附作用，控制氢离子的浓度。随着反应温度的升高，氢离子与硅酸根的成胶反应大于吸附作用，从而形成硅胶聚合物。加入螯合剂B，即有外加盐存在时，硅酸在自身聚合的同时，螯合剂影响硅酸聚合的速度，即胶凝速度。使体系的成胶时间延长，对凝胶强度影响不大。助凝剂C主要是增强凝胶强度，对于反应速度没有很大影响。

2 实验部分

2.1实验配方

10%～15%（质量分数，下同）水玻璃（含量40%，模数3.3）；2%～4%活化剂甲醛（分析纯）；0.5%～1.2%表面活性剂A；0.6%～0.7%螯合剂B；0.02%～0.03%助凝剂C。

2.2 堵剂配制

常温（20～ 30℃）常压下，蒸馏水做溶剂，分别配制螯合剂B、表面活性剂A以及其他助剂；按照不同的浓度稀释水玻璃、甲醛，分别用作主剂、活化剂。然后，按照不同顺序混合上述溶液，调节pH >11，得到澄清混合液。常温下静置24h；如果不凝胶也无凝胶颗粒，则应继续在70℃恒温条件下加热反应，得到硅酸凝胶堵剂。

2.3 胶凝时间测定

水玻璃从活化到失去流动性的时间即胶凝时间，原则上可用粘度法进行测定。由于水玻璃活化后粘度很低，从粘度开始升高到失去流动性的时间很短（几秒至几分钟），本文中采用倾斜试管法测定水玻璃从活化到液面倾斜45°而不移动的时间。

2.4 凝胶强度的测定

采用固砂体实验来评价凝胶堵剂的强度。首先取孤岛地层砂（300μm以下）装入内径25mm的玻璃管中。倒入一定浓度的堵剂（石英砂和堵剂按质量比2：1），浸泡墩实，置于70℃水浴中恒温24h，去掉模型；磨制成Υ 2cm × 2cm的圆柱形固砂体样品。在抗压强度测试仪上测定其抗压强度。

2.5 岩心封堵率测试

在岩心实验装置中，先将岩心抽空，用水驱替液饱和，测堵前渗透率Ka；再挤堵剂，放入70℃恒温箱中加热72～ 180h（根据堵剂固化时间决定）后，测注堵剂后岩心渗透率。

3 实验结果与讨论

3.1 活化剂的影响

随着活化剂的浓度增大，堵剂固化后的强度增大，初凝时间缩短。在实验要求范围内（初凝时间≥ 3d），选择浓度为2%～ 4%的甲醛作为活化剂，其初凝时间约在3d左右，凝胶强度比一般堵剂（强度在1～3MPa）增大，见表1。

3.2 表面活性剂A的影响

改变实验溶胶溶液中包覆剂的用量，在70℃下得到的数据见表2。从表2可以看出，包覆剂对凝胶结果有很大影响。用量低时溶胶溶液凝胶时间短，随着用量的增大，初凝时间延长，凝胶强度有所增大。根据表2的实验结果以及实验要求，表面活性剂的最佳浓度为0.5%～1.2%。

3.3 岩心封堵实验结果

3.3.1 实验原料及条件

实验所用模型为孤岛油井产出砂充填的岩心管（Υ25mm×300mm）；实验所用水为孤岛油田孤四联合站污水；实验温度65～ 70℃。

3.3.2 实验结果

将0.5PV的堵剂分别注入渗透率相近的01#、02#、03#三根岩心管中，放入65～ 70℃的恒温箱中加热，候凝3d以上，再次水驱测岩心参数，该堵剂配方的岩心封堵率为90%左右。

4 现场试验

堵剂于2017年6～11月进行应用。施工8井次，措施类型为封堵水淹层，取得了良好效果。堵水剂堵水8口井，有效6口井，堵水有效率89.2%，平均单井有效期120d，措施前平均日产液量76.5t，平均日产油量1.4t，平均含水量98.2%；措施后平均日产液量45.6t，平均日产油量3.8t，平均含水量91.7%，累计增油986.5t，堵水增油效果明显，说明此堵水剂适用于油田。

参考文献

[1] 水溶性两性聚合物的研究及其在油田开发中的应用[J]. 李娟，王中华，胡群爱.油田化学. 2016（02）

[2] 油田生产中化学堵水剂的有效应用[J]. 李广青，高俊龙，宗彦玲，杨智. 中国新技术新产品. 2017（11）

（作者单位：胜利油田现河采油厂工艺研究所）