閆海俊 ，巨登峰 ，謝剛 ，李翠琴 ，張冀 ，胡春明

（1.中國(guó)石油華北油田公司采油工藝研究院，河北 任丘 062552；2.中國(guó)石油華北油田公司二連公司，內(nèi)蒙古 錫林 026017；3.中國(guó)石油渤海鉆探井下作業(yè)公司，河北 任丘 062552）

近年來，雖然水平井堵水技術(shù)已在部分油藏試驗(yàn)取得初步效果［1-3］，但堵水作業(yè)普遍采用的聚合物凍膠堵水劑難以適應(yīng)水平井堵水的技術(shù)需求［4-6］。針對(duì)華北油田水平井的實(shí)際狀況，開發(fā)了一種新型二次交聯(lián)伴生氣泡沫凍膠體系。該體系不僅能滿足水平井層內(nèi)封堵的要求，而且克服了堵劑進(jìn)入地層后易被地層水稀釋和沿高滲透層漏失的缺點(diǎn)［7-8］，在灰?guī)r油藏水平井礦場(chǎng)堵水試驗(yàn)中取得了良好的應(yīng)用效果。

1 體系成膠機(jī)理

二次交聯(lián)泡沫凍膠體系由聚合物溶液、交聯(lián)劑和酸催化劑在氣體作用下發(fā)泡形成，其中氣體由NaNO2/NH4Cl伴生氣體系溶液在高溫下反應(yīng)生成。凍膠體系溶液在注入地層前，聚合物羧基與Cr3+絡(luò)合形成具有一定黏度的預(yù)凝膠［9-11］，注入地層后，預(yù)凝膠在地層溫度和生氣反應(yīng)放熱共同作用下，與雙酚樹脂發(fā)生二次交聯(lián)，最終形成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度凍膠；同時(shí)，體系中內(nèi)生氣組分的存在，使其在第2次交聯(lián)過程中，將產(chǎn)生的氣體包裹在所形成的凍膠體內(nèi)，最終形成以凍膠為外相的凍膠泡沫體系，比以水為外相的普通泡沫穩(wěn)定性好。

泡沫凍膠有3種結(jié)構(gòu)形式：1）泡沫密度遠(yuǎn)大于孔隙密度時(shí)，泡沫的結(jié)構(gòu)完美，在孔隙體和孔隙喉道處具有很多很薄的凝膠薄膜；2）泡沫密度與孔隙密度相同時(shí)，泡沫的結(jié)構(gòu)是適度結(jié)構(gòu)，1個(gè)泡占據(jù)1個(gè)孔隙體，且有大量凝膠充填于孔隙喉道中；3）氣泡橫跨了幾個(gè)孔隙體，并使很多孔隙喉道顯露出來，此時(shí)的泡沫結(jié)構(gòu)粗糙。在3種結(jié)構(gòu)形式中，適度結(jié)構(gòu)的泡沫凍膠結(jié)構(gòu)最理想，因?yàn)橛凶畲髷?shù)量的凝膠充填在孔隙喉道里，其對(duì)流體流動(dòng)的影響最大。

2 體系性能評(píng)價(jià)

2.1 實(shí)驗(yàn)藥劑

試驗(yàn)藥品：陰離子聚合物HPAM，工業(yè)品，相對(duì)分子量1.8×107，北京恒聚公司提供；雙酚樹脂交聯(lián)劑，實(shí)驗(yàn)室自制；乙酸鉻交聯(lián)劑，實(shí)驗(yàn)室自制；NH4Cl，分析純；NaNO2，分析純；草酸，分析純；鈉基膨潤(rùn)土，工業(yè)品。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

將HPAM溶解，攪拌配成0.3%的聚合物母液；依次加入已配好的NaNO2/NH4Cl溶液、乙酸鉻和雙酚樹脂交聯(lián)劑；用草酸調(diào)節(jié)溶液的pH；加入一定量的鈉基膨潤(rùn)土，攪拌均勻。將配好的母液放入80℃的烘箱中，觀察成膠情況，記錄成膠時(shí)間（目測(cè)代碼法）并測(cè)定一次和二次成膠后的凍膠黏度。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 草酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)二次交聯(lián)泡沫凍膠的影響

文獻(xiàn)［12］提到反應(yīng)溫度大于60℃時(shí)，鉻交聯(lián)聚合物有強(qiáng)烈的成膠傾向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于草酸可釋放H+控制溶液的pH，草酸的加入明顯影響了凍膠成膠過程（見表1）。如果質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，會(huì)引起溶液H+濃度不均，導(dǎo)致局部聚合物短時(shí)間爆聚，從而出現(xiàn)嚴(yán)重的脫水現(xiàn)象，同時(shí)凍膠黏度明顯降低。因此，草酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.019%～0.021%、溶液的pH以6.5為宜。

2.3.2 聚鉻比對(duì)二次交聯(lián)泡沫凍膠的影響

聚鉻比較低時(shí)，凍膠黏度較低，脫水嚴(yán)重；當(dāng)聚鉻比為50～70時(shí)，凍膠黏度大于8 000 mPa·s，且不脫水；聚鉻比較高時(shí)，凍膠黏度有所降低（見圖1）。前人對(duì)此有不同的解釋，羅憲波等［13］認(rèn)為：自由水從局部交聯(lián)分布不均造成的“空洞”中滲濾出來，是二次交聯(lián)凍膠脫水的主要原因；低聚鉻比易造成交聯(lián)密度過大，導(dǎo)致凍膠脫水；形成大分子網(wǎng)絡(luò)所需的2種交聯(lián)劑為最佳配比時(shí)，凍膠強(qiáng)度最大。

表1 草酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)凍膠成膠情況的影響

圖1 聚鉻比對(duì)二次交聯(lián)伴生氣泡沫凍膠黏度的影響

2.3.3 伴生氣體系對(duì)鉻交聯(lián)凝膠的影響

為研究生氣反應(yīng)對(duì)鉻交聯(lián)凝膠的影響，測(cè)試了不同伴生氣體系濃度下，鉻交聯(lián)體系在80℃的成膠時(shí)間和凝膠黏度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著NaNO2/NH4Cl質(zhì)量濃度的增大，鉻交聯(lián)凝膠黏度有所增加；80℃鉻交聯(lián)成膠時(shí)間為 1.5～2.0 h，凝膠黏度為 1 000 mPa·s。

2.3.4 伴生氣體系對(duì)雙酚樹脂交聯(lián)凍膠的影響

體系中NaNO2/NH4Cl對(duì)堵調(diào)劑溶液的成膠影響較大，生氣反應(yīng)物質(zhì)量濃度越大，所需交聯(lián)劑質(zhì)量濃度越高，但凍膠黏度明顯降低（黏度為 1 500 mPa·s），其原因是強(qiáng)氧化劑NaNO2的存在，部分氧化了雙酚樹脂交聯(lián)劑的羥基。

2.3.5 伴生氣效果評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)對(duì)二次交聯(lián)泡沫凍膠的生氣效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。加入伴生氣體系后，凍膠密度由1.12 g/mL下降為1.11～0.92 g/mL，理論最大產(chǎn)氣量為0.01～0.16 m3。不同于表面活性劑驅(qū)在溶液表面鼓起的氣泡［14-16］，泡沫凍膠中生氣反應(yīng)的氣體被包覆在凍膠內(nèi)部，且均勻分散在凍膠中形成凍膠泡沫，因此有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)使凍膠體積膨脹、體密度降低。

2.3.6 二次交聯(lián)泡沫凍膠強(qiáng)度評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)比較了二次交聯(lián)泡沫凍膠與常用的鉻交聯(lián)凍膠、雙酚樹脂交聯(lián)凍膠的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種凍膠黏度從大到小依次為：二次交聯(lián)泡沫凍膠、雙酚樹脂交聯(lián)凍膠、鉻交聯(lián)凍膠（見表2）。二次交聯(lián)泡沫凍膠以2種不同的交聯(lián)方式形成2種不同的化學(xué)鍵，凍膠網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)非均質(zhì)性，交聯(lián)密度分布不均勻?qū)е聝瞿z網(wǎng)絡(luò)收縮，從而使預(yù)凝膠網(wǎng)絡(luò)部分得以加強(qiáng)，形成大分子網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，故泡沫凍膠具有良好的機(jī)械強(qiáng)度（見圖2），適用于封堵裂縫和中、高滲透層。

表2 3種聚合物交聯(lián)凍膠黏度和強(qiáng)度

圖2 二次交聯(lián)泡沫凍膠黏度隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線

3 礦場(chǎng)應(yīng)用

任平5井是一口灰?guī)r油藏水平井，投產(chǎn)初期產(chǎn)液量50.6 m3/d，含水率14.96%。2010年3月含水上升速度加快，最高含水率達(dá)84.73%，因此采用二次交聯(lián)伴生氣泡沫凍膠堵調(diào)劑對(duì)該井實(shí)施層內(nèi)堵水。2011年8月完成施工，總注入量160 m3，施工排量15 m3/h，頂替液用量20 m3，施工壓力保持在2～9 MPa。堵水措施后初期效果良好，產(chǎn)油量由7.6 t/d增至17.0 t/d，含水率由84.73%降至64.40%，有效期270 d，累計(jì)增油382 t。

4 結(jié)論

1）在油田常用聚合物凍膠基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了二次交聯(lián)泡沫凍膠堵調(diào)體系，該體系具有良好的穩(wěn)定性能和機(jī)械強(qiáng)度，成本低、封堵效率高，適用于水平井層內(nèi)堵水。

2）礦場(chǎng)先導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果表明，使用該體系不僅能夠獲得顯著的增油降水效果，而且也為其他特殊油藏（厚油層、裂縫大孔道油藏等）油井層內(nèi)堵水、提高單井產(chǎn)量和減少產(chǎn)水提供了新的技術(shù)手段。

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