缓膨强吸水凝胶颗粒的研发与性能评价

张生魁 赵 昆 张建明 王 鹏 张玉秋

长庆油田分公司第三采油厂（宁夏银川 750000）

预交联凝胶颗粒是由单体丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、交联剂甲叉基双丙烯酰胺、引发剂过硫酸铵以及一些添加剂（如黏土、污泥等）在地面一定的温度条件下发生聚合反应成胶，再通过烘干、造粒等工序制得的一种调剖堵剂[1-3]。其注入地层后，在压力作用下能够变形，并向地层深部运移。同时在地层条件下其吸水能膨胀，从而封堵大孔道，使液流发生转向从而改变水驱通道，增大水驱波及系数，达到提高采收率的目的，其在油田调剖中被广泛应用[4-5]。虽然凝胶颗粒在调剖中有一定的效果，但存在吸水膨胀速率过大、膨胀后强度差、抗盐性差等问题[6]。

吴452 区块位于鄂尔多斯盆地吴起地区，生产层位为侏罗系延安组，区块地层水总矿化度较高，为84 160 mg/L。该区块采用等配注调剖，注入压力较低，目前在用调剖体系微凝胶、聚合物微球等效果较差，主要原因是强度不够，不能实现有效封堵。为了满足吴452 区块对调剖剂强度高、调剖深度深和抗盐性好的要求，研发了一种缓膨强吸水凝胶颗粒，其具有较好的缓膨性、强吸水膨胀性和抗盐性，并能在低注入压力下达到深部调剖的目的。

1 实验条件与方法

1.1 实验药剂与仪器

药剂：丙烯酰胺、丙烯酸，天津市北联精细化学品开发有限公司；甲叉基双丙烯酰胺、过硫酸铵、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS），上海麦克林生化科技有限公司；十二烷基磺酸钠（AS）、十二烷基三甲基氯化铵（DTC）、Span60，国药集团化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

主要仪器：黏度计、电子天平、恒温烘箱和岩芯驱替实验装置。

1.2 吸水膨胀倍数的测定

凝胶颗粒的膨胀性能主要由一定时间内的吸水膨胀倍数来表征。测试方法为：称取一定量凝胶颗粒（m1）放入烧杯中，加入一定量水，在一定温度下静置一定时间，取出吸水膨胀后的凝胶颗粒，用滤网过滤，用滤纸吸干表面多余的水后称重（m2）。吸水膨胀倍数=（m2-m1）/m1。

2 结果及分析

2.1 缓膨强吸水凝胶颗粒的配方优化

缓膨强吸水凝胶颗粒通过增强凝胶颗粒的吸附性减小其吸水速率。同时，在体系中加入吸水增强剂，借助生产过程中的放热和吸水增强剂来增加网状结构之间的间隙，从而增强吸水功能。

2.1.1 吸水增强剂的优选和质量分数优化

吸水增强剂主要是增加凝胶网状结构的空间，从而使得其吸水性能增强，因此通过表面活性剂即可达到目的。从常用的阴离子、阳离子和非离子3 种类型表面活性剂中分别各选AS，DTC 和Span60 来进行实验。实验中AM 的质量分数为20%，交联剂甲叉基双丙烯酰胺的质量分数为0.03%，引发剂的质量分数为0.1%，添加剂的质量分数为5%，水为200 mL，分别加入3 种表面活性剂（质量分数均为0.15%），对所产生凝胶颗粒的吸水量进行计算，得到如表1 所示的结果。

表1 添加不同表面活性剂的凝胶吸水膨胀性能

从表1 可以看出，AS 的吸水膨胀倍数可以达到12.4，大大地提高了颗粒的吸水量。选择不同质量分数的AS 进行实验，其结果如表2 所示。

表2 不同质量分数AS 条件下凝胶吸水膨胀性能

从表2 可以看出，当AS 的质量分数大于0.10%后，凝胶网状结构空间增加有限，对凝胶颗粒的吸水膨胀性能影响很小，因此在工业生产中AS 的质量分数定为0.10%即可。

2.1.2 缓膨凝胶体系的配方优化

常规凝胶颗粒主要由AM，AA，交联剂和添加剂在引发剂的作用下合成。在此基础上，采用正交试验对缓膨凝胶体系的配方进行优化。固定AA 的质量分数为2.5%、交联剂的质量分数为0.05%，引发剂的质量分数为0.05%，AS 的质量分数为0.10%，主要考虑AM 的质量分数、AA 中和度以及添加剂黏土的质量分数3 个因素，各因素对应水平如表3 所示。

表3 各因素水平值

正交试验方案设计及结果分析如表4 所示。

表4 正交实验设计及结果分析表

表4 中，AA 中和度的极差R 最大，表明其对体系膨胀倍数的影响较大。取各因素最优水平组合，即AM 的质量分数为22.5%，AA 中和度为0.6，黏土的质量分数为8.75%。

2.1.3 AMPS 质量分数优化

考虑AMPS 质量分数对凝胶吸水膨胀倍数的影响，其添加量越大，凝胶的抗盐性能越好，但是会影响凝胶的吸水膨胀倍数和膨胀时间。因此，在实验条件下考虑AMPS 质量分数分别为0，0.05%，0.10%，0.15%和0.20%时对凝胶颗粒吸水膨胀倍数的影响，其中吸水膨胀倍数的测试时间为12 h。其实验结果如图1 所示。

从图1 可以看出，随着AMPS 的量逐步增加，凝胶颗粒的吸水膨胀倍数先增大后减小；AMPS 质量分数为0.10%时吸水膨胀倍数最大。实验过程中，当AMPS 的量增加后，颗粒变得越来越脆，吸水后易被镊子夹断。

图1 AMPS 质量分数对凝胶吸水膨胀倍数的影响

综上所述，得到缓膨强吸水凝胶颗粒的配方为：AM 质量分数为22.5%，AA 质量分数为2.5%，中和度为0.6，AMPS 质量分数为0.1%，交联剂质量分数为0.05%，引发剂质量分数为0.05%，AS 质量分数为0.10%，黏土质量分数为8.75%。

2.2 缓膨强吸水凝胶颗粒的性能评价

2.2.1 吸水膨胀性能

由于凝胶颗粒在清水中和地层水中的膨胀性能差别较大，本研究主要测试其在注入水和地层水条件下的膨胀性能，结果如图2 所示。

图2 凝胶颗粒的吸水膨胀性能

从图2 可以看出，在120 min 内，常规凝胶颗粒在注入水中的膨胀倍数高于缓膨凝胶颗粒，但是随着时间的延长，缓膨强吸水凝胶颗粒的吸水膨胀倍数远远大于常规凝胶颗粒，表明其具有很好的缓膨效果。在地层水中，缓膨强吸水凝胶在近30 h 后吸水膨胀倍数达到最大，而常规凝胶颗粒在1 h 内就几乎达到最大，且最大膨胀倍数大2 倍以上。这不仅表明缓膨强吸水凝胶颗粒具有很好的缓膨效果，同时也具有很好的抗盐性。

2.2.2 老化性能

为了测试凝胶的老化性能，用清水和地层水各配制1.0%的凝胶颗粒溶液，分别放入老化罐中，然后置于60 ℃的滚子炉中进行老化试验，结果如图3所示。

图3 凝胶颗粒老化试验结果

图3 中，凝胶颗粒先吸水膨胀，吸水膨胀倍数达到最大，后由于老化，吸水膨胀倍数出现下降。在100 天内其膨胀倍数的损失值都小于20%，表明其老化性能较好。

2.2.3 突破压力梯度与残余阻力系数

突破压力梯度和残余阻力系数（RRF）是表征堵剂的封堵能力和堵剂降低流体介质渗流能力的重要指标，通过岩芯流动实验测得[7]。实验岩芯的相关参数如表5 所示。

表5 实验岩芯参数

注入不同孔隙体积倍数（PV）的凝胶堵剂，流量为0.05 mL/min,得到凝胶颗粒封堵效果的实验结果，如表6 所示。

表6 注入不同PV 凝胶颗粒堵剂的堵水效果

岩芯突破压力梯度大主要是因为岩芯渗透率较低。注水压力上升快，最后是“注不进，采不出”。考虑到油藏裂缝发育，为了模拟该条件，对岩芯进行人工造缝，研究注入堵剂及其封堵强度稳定性，其造缝岩芯如图4 所示。

图4 人工造缝岩芯

测定造缝后4#岩芯渗透率，根据达西公式计算岩芯渗透率为26.66 md，在流量为0.5 mL/min 条件下驱替1PV 颗粒堵剂，测得其渗透率为2.96 md，岩芯封堵率达到88.89%，RRF 为9.01，突破压力为5.55 MPa/m。

2.2.4 耐冲刷性

在4#岩芯的基础上继续驱替实验，当注入至40PV 地层水后，连续记录压差计算水相渗透率，注水孔隙体积倍数与封堵率之间的关系如图5 所示。

图5 凝胶颗粒耐冲刷性曲线

从图5 可以看出：封堵率首先随着注入PV 的增大而增加，而后随着PV 的增大而下降。主要原因是：在初期，凝胶颗粒未完全膨胀，因而随着水的注入吸水膨胀，导致封堵率增加，而后凝胶颗粒已完全膨胀，随着注水的延续，部分凝胶被水冲刷掉，从而导致封堵率降低。最终封堵率的下降不到15%，表明缓膨强吸水凝胶颗粒具有很好的耐冲刷能力。

2.2.5 调剖能力评价

调剖能力主要用来评价堵剂在非均质多孔介质中的行为特征，是堵剂的重要性能，常用剖面改善率来评价。实验时采用高低渗透率的并联填砂管，先注入清水测各管的吸水比，然后注入0.5%的缓膨强吸水凝胶颗粒1.0PV 进行封堵，再注入清水测各管的吸水比，由此来模拟堵剂在不同渗透率级差下的选择性封堵程度。实验结果如表6 所示。

表6 凝胶颗粒调剖能力实验结果

从表6 可以看出：注入堵剂后，渗透率高的填砂管吸水能力下降，渗透率低的填砂管吸水能力增强；堵剂的调剖效果明显，且渗透率级差越大，调剖效果越明显，表明该堵剂在非均质油藏条件下具有很好的选择性。

2.3 凝胶颗粒质量分数优化

凝胶颗粒质量分数优化主要研究其封堵率随质量分数的变化情况。在人工造缝的岩芯中，以0.05 mL/min 注入不同质量分数1PV 的凝胶颗粒，测试封堵率。凝胶颗粒与封堵率之间的关系如图6 所示。

图6 凝胶颗粒质量分数与封堵率的关系

从图6 可以看出：在相同注入量下，随着凝胶颗粒质量分数的增大，岩芯封堵率增大，但是当质量分数达到0.7%后，由于凝胶颗粒通过多孔介质时会受到剪切作用，质量分数越大剪切越严重，从而导致质量分数的增加对封堵率的影响相对较小。因此，选择0.7%～1.0%为最优的凝胶颗粒施工质量分数，对于控制压力施工的一些井，可以选择0.5%的质量分数进行施工。

3 结论

针对常规凝胶颗粒因吸水膨胀速率过大很难达到地层深部的问题，研发了一种缓膨强吸水凝胶颗粒。同时为了满足吴452 区块调剖耐盐性的需求，在凝胶颗粒中增加抗盐组分AMPS，通过室内正交试验优化得到了其配方：AM 质量分数为22.5%，AA质量分数为2.5%，中和度为0.6，AMPS 质量分数为0.1%，交联剂质量分数为0.05%，引发剂质量分数为0.05%，AS 质量分数为0.10%，黏土质量分数为8.75%。实验评价结果表明，该凝胶颗粒具有缓膨、高吸水膨胀倍数和剖面改善能力较好的特点，最优施工质量分数为0.7%～1.0%。