微球增效的聚合物凝胶复合体系研制与评价*

2020-12-02代磊阳刘丰钢刘光普

化学工程师 2020年11期

黎慧，鞠野，代磊阳，王楠，刘丰钢，刘光普，俞爽

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300457；2.中海油田服务股份有限公司，天津300457；3.河南省资源环境调查四院，河南郑州450000）

目前，各大油田已经进入注水开发的中后期，为了控水、堵水，提高水驱后的采收率，各种化学驱，如聚合物驱、碱-表面活性剂-聚合物驱、泡沫驱、凝胶调剖等方法已被广泛使用[1-4]。其中微球作为预成型凝胶的一种，拥有耐温耐盐性好，易分散，颗粒直径小，溶液黏度低等众多优点[5]。因此，微球在井口注入压力小，能够向地层深部运移，并且在地层深部吸水膨胀后，能够形成堵塞而改变原有的水流方向，提高储层的波及系数。已经在中国的渤海、胜利、大港、长庆、新疆等油田应用[6-8]。

有学者的研究表明，微球颗粒在地层深部可以通过架桥形成封堵[9,10]，但在高渗、强非均质的地层微球的封堵性和耐冲刷性能较差。因此，提出了将微球和凝胶复合的调驱体系，来提高对强非均质地层的调剖和驱油效果。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

疏水缔合聚合物AP-P4，（相对分子质量1300×104，固含量90%，水解度18%四川光亚科技有限公司）；乙酸铬交联剂（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；微球（爱森（中国）絮凝剂有限公司）。

将脱水原油混合煤油，制备60℃下黏度为96.5mPa·s的模拟油样。采用去离子水和盐配制矿化度为9047.65mg·L-1模拟地层水，离子组成见表1。

德国徕卡荧光显微镜；英国MS2000型激光粒度分析仪；美国Brookfield DV-III型黏度仪；德国美墨尔特HPP750型电热鼓风恒温干燥箱；JJ-1型增力电动搅拌器；LDY40-180高温高压多功能岩心驱替装置。

1.2 复合体系的制备与优化

（1）制备5000mg·L-1微球、5000mg·L-1聚合物和500mg·L-1乙酸铬的母液若干；

（2）将装瓶密封后的微球溶液放置于60℃的恒温干燥箱内加热老化一段时间，使微球吸水膨胀；

（3）将经过充分吸水膨胀的微球、聚合物AP-P4和乙酸铬3种母液以一定比例混合，将所获的一系列不同浓度的复合溶液在60℃环境下老化，每隔一段时间观察其成胶情况。

1.3 体系性能评价

（1）显微镜观察微球的微观结构形态；

（2）激光粒度分析仪测定60℃下老化不同时间后微球的粒度，以研究微球在水溶液中的膨胀性能；

（3）黏度仪测量复合溶液在初始时刻的黏度，采用目测代码法[11]评价复合溶液的成胶强度，成胶时间定义为复合体系从代码A到C的时间；

（4）研究单一微球以及微球与凝胶的复合体系在单岩心中的运移和封堵特性；

（5）研究微球与凝胶复合体系在非均质岩心中的调剖和驱油性能。

2 结果与讨论

2.1 微球的物理性质及结构

微球呈淡黄色，透明澄清，密度约为1.0g·cm-3。微球黏度约为1.25mPa·s。图1为微球在水溶液中的光学显微照片，显示了微球是球形颗粒。微球的粒径分布见图2，可以看出，微球的粒径为0.3～0.9μm，平均粒径为0.6μm。

表1 模拟地层水参数Tab.1 Simulated formation water parameters

图1 微球在水溶液中的微观形态图像Fig.1 Microsphere morphology in aqueous solution

图2 微球的粒径分布曲线Fig.2 Particle size distribution curve of microspheres

2.2 微球在水溶液中的膨胀性能

微球可以通过吸水膨胀，图3所示微球的膨胀倍数随时间增加而增大，在10d左右达到最大值，约为12倍。膨胀倍数计算公式：n=（d1-d0）/d0，其中d0为微球初始直径，d1为膨胀后直径。

图3 微球的膨胀倍数随时间的变化曲线Fig.3 Curve of expansion multiple of microspheres over time

事实上，微球是一种具有三维网状结构的交联颗粒，微球内部含有许多容易与极性水分子结合的自由亲水基团（-CONH2），因此，微球的尺寸因易吸水而膨胀[12]。

2.3 微球与凝胶复合体系优化

采用单因素变量法，分别改变聚合物AP-P4、乙酸铬、微球的浓度，优选出最适宜的复合体系配方。

2.3.1 聚合物AP-P4浓度优选在交联剂浓度为100mg·L-1、微球浓度为2000mg·L-1时，聚合物AP-P4浓度对复合体系成胶时间和成胶强度的影响见表2。

表2 聚合物AP-P4浓度对复合体系成胶时间和成胶强度的影响Tab.2 Effects of the concentration of polymer AP-P4 on the gelation time and strength of the composite system

由表2可见，随着AP-P4浓度的增加，成胶时间缩短。AP-P4加量小于1000mg·L-1时不成胶，APP4加量为2000mg·L-1时，成胶时间较长且强度较低，AP-P4加量为4000mg·L-1时，复合溶液初始黏度较大，且成胶时间过快，不利于体系注入。综合考虑，AP-P4溶液适宜的加量为3000mg·L-1。

2.3.2 乙酸铬浓度优选在聚合物质量浓度为3000mg·L-1、微球浓度为2000mg·L-1时，交联剂乙酸铬浓度对复合体系成胶时间和成胶强度的影响见表3。

乙酸铬浓度越高，成胶越快，强度越大。但乙酸铬加量在150mg·L-1以上时的体系在60d后容易脱水失效。考虑到过高的交联剂浓度会降低复合体系的稳定性，且需要控制复合体系的成胶时间，因此，优选的乙酸铬浓度为100mg·L-1。

表3 交联剂乙酸铬浓度对复合体系成胶时间和成胶强度的影响Tab.3 Effects of chromium acetate concentration of crosslinking agent on time and strength of the composite system

2.3.3 微球浓度优选在聚合物质量浓度为3000mg·L-1、乙酸铬浓度为100mg·L-1时，微球的浓度对复合体系成胶时间和成胶强度的影响见表4。

由表4可见，微球加量在1000mg·L-1以下时，体系成胶强度较低，高于3000mg·L-1时，复合体系成胶后会出现脱水现象。因此，优选的微球浓度为2000mg·L-1。

表4 微球浓度对复合体系成胶时间和成胶强度的影响Tab.4 Effects of microsphere concentration on gelation time and strength of composite system

综合可得，复合体系的优化配方为：3000mg·L-1聚合物AP-P4＋100mg·L-1乙酸铬＋2000mg·L-1微球。

2.4 单岩心模型注入与封堵实验

两组对比实验的岩心参数见表5。实验温度为60℃，注入速度为0.5mL·min-1，实验过程如下：

（1）注入1PV矿化度为9047.65mg·L-1的模拟地层水；

（2）注入1PV上述经过充分膨胀的微球溶液（5000mg·L-1）。

（3）注入5PV模拟地层水。

（4）对比实验在第（2）步注入1PV优选的微球与凝胶的复合体系，经过12h以上的老化成胶后，再进行后续水驱5PV。驱替过程中压力变化情况见图4、5。

表5 单岩心驱替实验参数表Tab.5 Parameters of single core displacement experiment

注微球时，压力先小幅波动变化，后续水驱时降低，突破压力为0.01MPa，持续注水发现，封堵率从50%下降为20%，说明微球在岩心当中的封堵效果并不理想。而在注入复合体系的岩心中，压力迅速上升，后续水驱发现突破压力达到3.70MPa，封堵率始终维持在99%以上，说明复合体系比微球具有更佳封堵能力和耐冲刷能力。