高矿化度下弱凝胶体系调剖性能研究

张承丽，王 鹏，宋国亮

（1. 东北石油大学 石油工程学院，黑龙江 大庆 163318；2. 东北石油大学 数学与统计学院，黑龙江 大庆 163318）

低渗透油藏往往存在大量裂缝，注水开发过 程中易造成水淹、水窜等现象［1］，因此需要对油水井进行调剖和堵水措施，进而提高低渗透油藏的采收率。弱凝胶调驱技术结合了聚合物驱的流度控制和调剖堵水的调整油藏渗透率非均质性两者的优势，可以大幅度提高油井产油量，降低含水，增加最终采收率［2］，但油藏高盐条件严重限制了弱凝胶调驱技术的推广应用［3］。聚丙烯酰胺（HPAM）交联体系形成的弱凝胶是由HPAM分子上的官能团与交联剂之间发生反应，形成复杂的具有三维立体的网状结构的分散体系，具有聚合物用量少、可流动性好、可选择性封堵和剪切稳定性好等优点［4］。Sydansk［5］于1988年提出了利用HPAM和有机交联剂生成的凝胶体系进行油藏调剖，目前，建立了该类凝胶体系的动力学［6-11］，解决了凝胶体系流变性和力学性能的评价［12-14］。Vega等［15］提出一种评价和调整凝胶体系的实验方法可用来考察聚合物浓度、温度等对凝胶体系的影响。Saez等［16］利用弱凝胶体系在位于阿根廷内乌肯盆地的油田进行现场应用，在部分井组取得了技术上和经济上的良好效果。但关于地层矿化度对凝胶体系的影响则鲜有报道。

本工作针对低渗透裂缝性油藏的特点，研制了一种适用于高矿化度低渗透裂缝性油藏的弱凝胶体系配方，并对其驱油效果进行了评价。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

利用三氯化铬和乳酸配制不同质量浓度（100，200，300，400 mg/L）和不同摩尔比（1∶5，1∶8，1∶10）的有机铬交联剂，采用硫脲配制不同质量浓度的稳定剂（600，800，1 000 mg/L）；聚合物为部分水解HPAM，相对分子质量为25×106，根据实验方案和实验要求，配制成不同质量浓度的聚合物溶液（1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 mg/L）；实验所用原油是模拟油田的地层油，脱水脱气后，32 ℃下模拟原油的平均黏度为2.6 mPa·s；实验用水模拟油田地层水，矿化度为29 500 mg/L。

为模拟低渗透裂缝性油藏中的裂缝系统，实验模型采用高渗透岩心和低渗透岩心二管并联。高渗透率岩心渗透率分别为 300×10-3，500×10-3，1 000×10-3μm2，低渗透率岩心渗透率为 10×10-3μm2，高低渗岩心二管并联后，高渗透率岩心分别模拟渗透率为 300×10-3，500×10-3，1 000×10-3μm2的裂缝系统。

采用南通仪创实验仪器有限公司的HW-4A型双联恒温箱保持弱凝胶体系的温度；利用上海巴玖实业有限公司的Brook fi eld DV-Ⅲ Ultra型旋转黏度仪测量弱凝胶体系的黏度；使用济宁市润煤工矿物资有限公司的JJ-1型电动搅拌机将配置溶液搅拌均匀；利用自制岩石流动实验装置进行弱凝胶体系的驱油实验。

1.2 弱凝胶调驱效果评价

弱凝胶调驱效果评价实验步骤为：1）岩心抽空饱和地层水，32 ℃下恒温8 h；2）水测渗透率，将岩心饱和原油后，静止8 h，并计算岩心含油饱和度；3）使用地层水以0.20 mL/min的速率进行水驱实验，至岩心出口含水98%（w），记录压力、油量等参数，计算水驱采收率；4）分别进行注入0.3～0.6 PV弱凝胶体系时的驱油实验，并记录压力、产液量等数据。

2 结果与讨论

2.1 单因素对凝胶性能的影响

2.1.1 聚合物浓度对调剖剂性能的影响

在水质矿化度29 500 mg/L、实验温度32 ℃、交联剂质量浓度为200 mg/L条件下进行凝胶性能实验，结果见图1。

图1 凝胶强度随聚合物浓度的变化曲线Fig.1 The gel strength changing with the polymer concentration.

从图1可看出，凝胶黏度随聚合物质量浓度的增加而增大，当聚合物质量浓度超过3 000 mg/L时凝胶黏度增速逐渐减缓。在交联剂浓度一定的条件下，有限的活化中心离子不能与过多的聚合物分子长链结构充分接触，弱凝胶体系黏度增加幅度减小［17］。从深度调剖对凝胶强度（弱凝胶黏度大于4 000 mPa·s）的需要及节约成本的角度出发，适宜的聚合物质量浓度为2 000～3 000 mg/L。

2.1.2 交联剂质量浓度对体系成胶的影响

在水质矿化度29 500 mg/L、32 ℃、聚合物质量浓度为2 000 mg/L、硫脲质量浓度为800 mg/L、三氯化铬/乳酸摩尔比为1∶8、pH=7条件下，设计有机铬交联剂的质量浓度为100，200，300，400 mg/L，实验考察了交联剂质量浓度对调剖剂成胶情况的影响，结果见图2。从图2可知，在一定聚合物浓度下，交联剂质量浓度的增加加快了成胶速度；总体上凝胶黏度先增加后减小，但交联剂质量浓度太高，则聚合物溶液会发生过度交联，产生的凝胶会发生脱水收缩，从而使得凝胶稳定性变差、黏度降低。一定浓度聚合物溶液要匹配合适的交联剂浓度，研究发现聚合物与交联剂的合理浓度比值在 10∶1～5∶1 之间［18］。

图2 不同交联剂质量浓度下调剖剂的成胶情况Fig.2 The gelling situation of profile control agent changing with crosslinking agent concentration.

2.1.3 稳定剂质量浓度对体系成胶的影响

通过凝胶黏度表征凝胶强度，在水质矿化度28 000 mg/L、32 ℃、聚合物质量浓度2 000 mg/L、交联剂质量浓度200 mg/L（聚合物与交联剂质量比为10∶1）、三氯化铬/乳酸摩尔比为 1∶8、溶液pH=7条件下，设计不同的稳定剂质量浓度为600，800，1 000 mg/L，实验考察了稳定剂质量浓度对调剖剂成胶情况的影响，结果见图3。由图3可知，稳定剂质量浓度对交联反应速度影响较小，所以成胶时间受稳定剂质量浓度影响较小；但对凝胶强度影响较大，稳定剂质量浓度增加，凝胶强度提高，这是因为稳定剂在成胶过程中生成树脂，质量浓度低时生成的树脂量低，凝胶强度低。而质量浓度超过一定范围后，生成树脂量增加，凝胶强度增强［19］。通过对比选取稳定剂合理用量为800 mg/L。

图3 稳定剂质量浓度对调剖剂成胶情况的影响Fig.3 The gelling situation of profile control agent changing with stabilizer concentration.

2.1.4 不同配比的交联剂对体系成胶的影响

通过凝胶黏度表征凝胶强度，在水质矿化度28 000 mg/L、32 ℃、聚合物质量浓度2 000 mg/L、交联剂质量浓度200 mg/L（聚合物与交联剂质量比为10∶1）、稳定剂质量浓度为800 mg/L、溶液pH=7条件下，考察了三氯化铬/乳酸不同配比对凝胶性能的影响，结果见图4。

图4 不同配比的交联剂对凝胶性能的影响Fig.4 The effect of crosslinking agent mixing ratio on gel properties.

从图4可看出，凝胶强度随乳酸/三氯化铬摩尔比的增加而增大，这是由于过量的乳酸使络合反应的更加充分，因而凝胶强度得到提高，同时凝胶的成胶时间大体相近。

2.2 弱凝胶体系配方优化

通过正交实验来对体系配方进行优化，正交实验结果见表1。由表1可知，影响成胶性能的大小顺序为：交联剂浓度＞聚合物浓度＞三氯化铬/乳酸的摩尔比＞稳定剂浓度。凝胶强度随聚合物和稳定剂浓度的增加而增强；成胶时间随交联剂浓度、三氯化铬/乳酸的摩尔比的增加而延长，凝胶强度减弱，当聚合物和稳定剂浓度低时几乎不成胶。体系的优化配方为：三氯化铬/乳的摩尔比为1∶8，聚合物浓度为2 000 mg/L，稳定剂浓度为800 mg/L，交联剂浓度为200 mg/L。

2.3 弱凝胶调驱效果评价结果

三组模拟裂缝系统并联岩心中的驱油实验结果见表2。

表1 正交实验结果Table 1 The results of orthogonal experiment

表2 三组模拟裂缝系统并联岩心中的驱油实验结果Table 2 The experimental results of three groups of simulated fractured systems in parallel cores

由表2可知，凝胶注入量（0.3～0.6 PV）越大，低渗管采收率提高值越高；在高渗管渗透率为300×10-3μm2的并联岩心中，注入 0.4 PV 的凝胶时，低渗管采收率提高值为15.24%，能够达到预期效果；在高渗管渗透率为500×10-3μm2并联岩心中，注入0.5 PV的凝胶时，低渗管采收率提高值为15.44%，能达到预期效果；在高渗管渗透率为 1 000×10-3μm2并联岩心中，由于两管渗透率差别较大，注入0.6 PV的凝胶时，低渗管采收率提高值才能达到15.25%；因此，对于层间差异大的油层，或者对于存在高渗透率的油层，加大注入凝胶的量才能调整流量分配，使注凝胶后的注入水更多的进入低渗透油层驱油。

驱替实验结果图5。由表5可知，当注入2.7 PV的凝胶时，体系压力开始升高，凝胶开始封堵高渗层，后续注入水开始分流进入低渗层，低渗层采收率明显提高。部分后续水顶替凝胶段塞在高渗层形成调驱效果，高渗层采收率得到提高后趋于平稳，调驱效果良好。

图 5 500×10-3 μm2与 10×10-3 μm2（0.4 PV）的并联岩心中弱凝胶驱油实验曲线Fig.5 The oil displacement experimental curve of weak gel system in 500×10-3 μm2 and 10×10-3 μm2（0.4 PV） parallel cores.

3 结论

1）随交联剂质量浓度的增加，凝胶体系成胶速度加快，成胶强度增大，但稳定性变差；稳定剂质量浓度对凝胶体系成胶时间影响极小，但体系成胶强度随稳定剂质量浓度的增加而增大；随交联剂配比的增加，凝胶强度增大。

2）弱凝胶体系配方为：聚合物质量浓度2 000 mg/L，稳定剂质量浓度800 mg/L，交联剂质量浓度为200 mg/L，三氯化铬/乳酸的摩尔比为1∶8。

3）弱凝胶注入量越大（0.3～0.6 PV），低渗管采收率提高值越高。对于层间差异大的油层，或者对于存在高渗透率的油层，加大注入凝胶的量（0.6 PV）才能调整流量分配，注凝胶后的注入水更多的进入低渗透油层驱油。弱凝胶可以满足本工作提出的 300×10-3～1 000×10-3μm2模拟裂缝渗透率范围，可达到预计调驱效果。

4）当注入2.7 PV时，压力开始升高，凝胶开始封堵高渗层，后续注入水开始分流进入低渗层，低渗层采收率明显提高。部分后续水顶替凝胶段塞在高渗层形成调驱效果，高渗层采收率得到提高后趋于平稳，调驱效果良好。