賴南君 聞一平 傅 波 徐俊芳 王思遙 王愛香

（1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都 610500；2.長慶油田公司第三采油廠，寧夏銀川 750006；3. 川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司，陜西西安 710018；4.華北油田公司，河北任丘 062552）

油田進入高含水期或特高含水期后，提高采收率的常用途徑是擴大注水波及體積和提高洗油效率［1-3］。聚合物驅(qū)三次采油措施雖有很好的堵水調(diào)剖效果，但驅(qū)油成本高，現(xiàn)場實施難度大，并且在高滲透層，聚合物易竄流到油井［4］，由此提出了調(diào)驅(qū)技術(shù)，該技術(shù)在充分發(fā)揮調(diào)剖作用的基礎(chǔ)上提高驅(qū)油效率，起到了既“調(diào)”又“驅(qū)”的雙重作用［5］。目前，聚合物弱凝膠類的調(diào)驅(qū)劑以其膠凝時間可控、適用范圍較廣的優(yōu)勢在油田被廣泛應(yīng)用［6-8］。針對常規(guī)的酚醛樹脂或有機鉻/HPAM類弱凝膠在高溫下成膠時間短、抗剪切性能差、形成的凝膠穩(wěn)定性差等現(xiàn)狀［9-10］，筆者開發(fā)出了一種復(fù)合交聯(lián)聚合物弱凝膠調(diào)驅(qū)劑，擴大了弱凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)在油藏的應(yīng)用范圍。

1 實驗物品和實驗方法

1.1 實驗試劑與儀器

試劑：聚合物AM/AA/NVP（自制），甲醛–苯酚復(fù)合交聯(lián)體系（自制），硫脲、氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氫氧化鈉、鹽酸（成都科龍試劑廠，AR）。

儀器：電子分析天平（上海梅特勒–托利多儀器有限公司，AL204）、烘箱（30～200 ℃）、Brookfield DV-Ⅲ黏度計（美國）、磁力攪拌器及機械攪拌器、HAAKE RS600流變儀（德國HAAKE公司）、巖心流動實驗裝置。

1.2 實驗方法

1.2.1 弱凝膠的制備及影響因素分析實驗 將自制共聚物AM/AA/NVP、穩(wěn)定劑（硫脲）、復(fù)合交聯(lián)劑等各組分按一定的物料比加入到100 m L廣口瓶中，攪拌均勻后置于60 ℃的恒溫箱中，反應(yīng)一段時間將其取出，用Brookfield DV-Ⅲ黏度計測定其黏度。

由于AM/AA/NVP、交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑在不同條件下對所配制的弱凝膠的凝膠強度和成膠時間的影響不同，所以篩選出各組分的最佳配比范圍后，再進行對比實驗，即改變各組分含量、溫度、pH值等條件，分析不同條件對弱凝膠成膠性能的影響。

1.2.2 巖心驅(qū)替實驗 通過單管巖心實驗?zāi)M調(diào)驅(qū)過程，考察復(fù)合交聯(lián)聚合物弱凝膠對高滲透地層的封堵率、突破壓力及耐沖刷能力。實驗用巖心的滲透率為5.60 D（模擬高滲透層），將AM/AA/NVP和交聯(lián)劑在未交聯(lián)時注入巖心，將巖心兩端封閉，放入60 ℃的恒溫箱中待其成膠。一定時間后取出，然后以1 m L/min的流量水驅(qū)，直至填砂管出口端流出第1滴液體，且以后不斷有液體流出時，記錄壓力pmax，再由巖心長度算出突破壓力梯度pm。

通過雙管巖心實驗?zāi)M調(diào)驅(qū)過程，考察復(fù)合交聯(lián)聚合物弱凝膠體系選擇封堵能力。所用巖心的滲透率分別為1#巖心6.45 D（模擬高滲透層），2#巖心0.46 D（模擬低滲透層）。對并聯(lián)雙管巖心進行3個驅(qū)替過程：常規(guī)水驅(qū)、弱凝膠驅(qū)、后續(xù)水驅(qū)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 弱凝膠調(diào)驅(qū)體系影響因素分析

2.1.1 聚合物質(zhì)量濃度的影響 固定聚合物/交聯(lián)劑質(zhì)量比為1 000∶1，交聯(lián)劑甲醛/苯酚摩爾比為4∶1，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為100 mg/L，體系pH值為7，改變聚合物的質(zhì)量濃度，測定凝膠黏度，結(jié)果見圖1。由圖1可知，聚合物質(zhì)量濃度低于1 200 mg/L時，體系黏度很低，此時體系不成膠，而當聚合物質(zhì)量濃度在800～3 000 mg/L的范圍內(nèi)，都能形成穩(wěn)定性和強度均較高的弱凝膠；當聚合物質(zhì)量濃度為3 000 mg/L時，弱凝膠強度較高，但是體系交聯(lián)速度較快；當聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L時，弱凝膠黏度已達到6 000 mPa·s以上，滿足一般油藏要求，且成膠時間可控性強，所以最終選擇聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L。

圖1 聚合物質(zhì)量濃度對弱凝膠體系的影響

2.1.2 交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比的影響 聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L，交聯(lián)劑甲醛/苯酚摩爾比為4∶1，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為100 mg/L，體系pH值為7，交聯(lián)劑 /聚合物質(zhì)量比分別為 1/10 000、1/1 000、1/100、1/10，測定凝膠黏度，結(jié)果見表1。

表1 交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比對弱凝膠體系的影響

由表1可知，當交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比為1/1 000時，交聯(lián)30 h后，形成弱凝膠的黏度為5 579.1 Pa·s，且隨著交聯(lián)時間的延長，弱凝膠黏度隨之增加。在此比例下能合成強度較高且性能穩(wěn)定的弱凝膠。因此，交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比應(yīng)在1/1 000附近繼續(xù)優(yōu)化，結(jié)果見圖2。當交聯(lián)劑/聚合物比增加到3/1 000后，成膠速度過快，且形成弱凝膠隨著成膠時間的延長黏度呈現(xiàn)下降的趨勢，穩(wěn)定性變差，其原因可能是由于交聯(lián)劑的加量過大，聚合物與交聯(lián)劑之間發(fā)生過度交聯(lián)而引起弱凝膠的脫水收縮。故較優(yōu)的交聯(lián)劑/聚合物比是2/1 000，即選取交聯(lián)劑的質(zhì)量濃度是4 mg/L。

圖2 交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比對弱凝膠體系的影響

2.1.3 交聯(lián)劑配制比例的影響 聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L，交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比為2/1 000，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為100 mg/L，體系pH值為7，甲醛/苯酚摩爾比分別為 2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1，測定凝膠黏度，結(jié)果見圖3。由圖3可知，當甲醛/苯酚摩爾比小于3時，凝膠體系交聯(lián)緩慢，且形成凝膠強度較低；當甲醛/苯酚摩爾比為4時，體系能在30 h內(nèi)成膠，且形成凝膠強度較高；而當其摩爾比為6時，體系成膠太快，不易控制。故最終選甲醛/苯酚摩爾比為 4∶1。

圖3 甲醛/苯酚摩爾比對弱凝膠體系的影響

2.1.4 溫度的影響 聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L，交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比為2/1 000，甲醛/苯酚摩爾比為4∶1，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為100 mg/L，體系pH值為7的凝膠體系，靜置于30～80 ℃的烘箱內(nèi)，每隔一段時間取出，測定其黏度，結(jié)果見圖4。由圖4可知，當反應(yīng)體系溫度小于40 ℃，體系的膠凝十分緩慢，且成膠黏度較低；隨著溫度的升高，體系的膠凝速度加快，最高膠凝強度也隨之增加。這是因為隨著溫度的上升，分子的熱運動加劇，分子間的碰撞加劇，聚合物分子與交聯(lián)劑之間的交聯(lián)反應(yīng)更劇烈，更容易形成連續(xù)性強的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)［11-12］。60 ℃時，膠凝時間適中且形成凝膠強度較高，因此，最終選擇膠凝溫度為60 ℃。

圖4 溫度對弱凝膠體系的影響

2.1.5 穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度的優(yōu)選 在溶液中加入適當?shù)牧螂遄鳛楦邷胤€(wěn)定劑，這種穩(wěn)定劑具有良好的性能，能使聚合物和弱凝膠在高溫下仍具有很好的穩(wěn)定性和長時間較高的黏度保留率［13］。

聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L，交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比為2/1 000，甲醛/苯酚摩爾比為4∶1，體系pH值為7，測定不同穩(wěn)定劑加量下的凝膠黏度，結(jié)果見圖5。由圖5可知，當穩(wěn)定劑的加量為100 mg/L時，形成的弱凝膠黏度最高，且隨著交聯(lián)時間的延長，黏度沒有明顯的變化，具有較高的黏度保留率，穩(wěn)定性較好，所以選取穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為100 mg/L。

圖5 穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度對弱凝膠體系的影響

2.1.6 pH值的影響 將聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L、交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比為2/1 000、甲醛/苯酚摩爾比為4∶1、穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為100 mg/L，不同pH值條件下的凝膠體系靜置于60 ℃烘箱內(nèi)，反應(yīng)20 h后取出，測定其黏度，結(jié)果見表2。

表2 pH值對弱凝膠體系的影響

當pH值在3～5范圍內(nèi)，溶液中存在大量的氫離子，氫離子強烈地吸附在羧酸根上，聚合物基團和分子鏈之間的電性斥力大大降低，聚合物分子卷曲，溶液黏度較低，難于形成弱凝膠［14］。在弱酸和弱堿條件下，凝膠強度也較低，只有在pH值為7時才能夠形成較為穩(wěn)定且強度較高的弱凝膠。

2.1.7 礦化度的影響 室內(nèi)用蒸餾水配制不同礦化度的標準鹽水，測定聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L、交聯(lián)劑/聚合物質(zhì)量比為2/1 000、甲醛/苯酚摩爾比為4∶1、穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為100 mg/L、體系pH值為7的不同鹽濃度的凝膠體系黏度（見圖6）。隨著礦化度的增加，凝膠的初始黏度降低，成膠時間縮短。這主要是由于鹽中的陽離子比偶極水分子的親電性更強，它能優(yōu)先取代水分子與聚合物鏈上的陰離子基團形成反離子對，從而屏蔽聚合物鏈上的負電荷，產(chǎn)生去水化作用，聚合物分子由伸展逐漸變?yōu)榫砬鷺?gòu)象，導(dǎo)致分子有效體積和水動力學(xué)尺寸減小，限制了分子間的交聯(lián)點［15-16］，因此交聯(lián)后的體系結(jié)構(gòu)減弱，形成的弱凝膠強度變差。總體上，用礦化度為0～5 000 mg/L的鹽水配液時，該體系成膠性能良好，形成的弱凝膠表現(xiàn)出良好的抗鹽性和穩(wěn)定性。

圖6 礦化度對弱凝膠體系的影響

2.2 弱凝膠體系性能評價

2.2.1 抗剪切性 分別測定2 000 mg/L聚合物AM/AA/NVP+4 mg/L交聯(lián)劑甲醛/苯酚（摩爾比為4∶1）+100 mg/L穩(wěn)定劑硫脲的凝膠體系成膠后，在轉(zhuǎn)速3 500 r/m in下剪切后的黏度，結(jié)果見表3。

表3 弱凝膠調(diào)驅(qū)劑受剪切作用的影響結(jié)果

從表3可以看出，高速剪切后體系黏度下降，剪切50 m in后原液黏度下降了38.35%，而凝膠黏度保留率91.38%，表明凝膠體系具有良好的抗剪切性，能夠保證溶液到達地層深部時仍具有較高的黏度，有利于擴大波及體積，提高原油采收率。

2.2.2 封堵率 在巖心實驗中，先以2 m L/min的恒定流速向填砂管中注入人工配制的模擬地層水至壓力恒定，記錄流量Q1和壓差Δp1，計算填砂管的滲透率k1；再以1 m L/m in流速向填砂管中注入弱凝膠體系，然后放入溫度設(shè)定為油藏溫度的烘箱中成膠，成膠時間為弱凝膠在塑料瓶中成膠時間再延長12 h；最后后續(xù)水驅(qū)，以1 m L/m in流速向填砂管中注入地層水，記錄流量Q2及平穩(wěn)后的壓差Δp2，計算滲透率k2。實驗結(jié)果見表4。

表4 封堵率實驗結(jié)果

從實驗結(jié)果可知，所研制的弱凝膠在填砂管模擬實驗中的封堵率為99%以上，最高達到99.95%，封堵率很高，封堵效果很好。

2.2.3 突破壓力及突破壓力梯度 先將填砂管飽和地層水，再以2 m L/m in的流量注入一定量的弱凝膠體系，把注入弱凝膠的填砂管兩端密閉后，放進設(shè)定溫度為油藏溫度的烘箱中等待成膠；最后，在溫度為油藏溫度下，以1 m L/m in流量注入地層水，直至填砂管出口端流出第1滴液體，且以后不斷有液體流出，此時進口端壓力表的讀數(shù)為弱凝膠的突破壓力pmax，該值與巖心長度的比值即為突破壓力梯度p m［17］。實驗結(jié)果見表 5。

表5 突破壓力與突破壓力梯度

由表5可看出弱凝膠形成的封堵需要較高壓力才能突破，說明弱凝膠能夠在地層中形成很強的封堵作用。

2.2.4 選擇封堵能力 弱凝膠對不同滲透率級差地層的封堵情況，以剖面改善程度來定量描述［18］。模擬地層條件，將兩個滲透率不同的填砂管并聯(lián)，測量調(diào)剖前后高低滲透層的吸水量，然后計算剖面改善程度，實驗結(jié)果見表6。

表6 選擇封堵能力

當具有滲透率差異的兩根填砂管并聯(lián)時，滲透率較大的填砂管吸收的堵水弱凝膠的量更多，封堵率更高，這說明該調(diào)剖堵水劑具有一定的選擇性堵水能力，能夠首先封堵高滲透層和大孔道，并且弱凝膠注入量越大，剖面改善能力越強。

3 結(jié)論

（1）確定了弱凝膠體系的最佳使用條件，在此條件下，當?shù)V化度小于5 000 mg/L時，能形成強度較高且比較穩(wěn)定的凝膠，黏度在3 800 mPa·s以上，并且該弱凝膠體系具有良好的抗剪切稀釋特性，經(jīng)過剪切的凝膠體系的黏度保留率仍在80%以上。

（2）通過調(diào)驅(qū)性能評價，該弱凝膠體系在填砂管模擬實驗中的堵水率很高，能達到99%以上；弱凝膠形成的封堵突破壓力大于7 MPa，能夠在地層中形成較強的封堵作用；并且該弱凝膠體系具有一定的選擇封堵能力，剖面改善率達到80%以上。

（3）該弱凝膠調(diào)驅(qū)體系能夠達到較好的調(diào)驅(qū)和封堵效果，解決了由于弱凝膠體系抗剪切性差而不能有效解決高含水期注水開發(fā)效果的問題。

［1］ 楊懷軍，張杰，徐國安，等.高深油藏聚合物溶液攜帶彈性微球驅(qū)室內(nèi)實驗［J］.石油鉆采工藝，2011，33（1）：70.

［2］ 顧錫奎.川口油田低滲透油藏調(diào)驅(qū)劑性能研究［D］.西安：西安石油大學(xué)，2010.

［3］ 鄭家朋，駱洪梅，馬靜榮，等.邊底水驅(qū)油藏可動凝膠調(diào)驅(qū)研究［J］.石油鉆采工藝，2007，29（S0）：71-72.

［4］ 趙洪明.弱凝膠調(diào)剖劑的研究及在采油九廠的應(yīng)用［D］.黑龍江大慶：大慶石油學(xué)院，2003.

［5］ 呂西輝，田玉芹，劉軍，等.一種耐溫抗鹽的交聯(lián)聚合物調(diào)驅(qū)體系［J］.油田化學(xué)，2005，22（1）：81-82.

［6］ 劉慶旺，范振中，林瑞森.陽離子型弱凝膠調(diào)驅(qū)劑的性能與應(yīng)用［J］.浙江大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2005，32（3）：295-298.

［7］ 王立軍，王輝，王磊，等.改性復(fù)合交聯(lián)聚合物弱凝膠調(diào)驅(qū)劑的研制及性能評價［J］.重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，11（4）：54-56.

［8］ 王平美，羅建輝，李宇鄉(xiāng)，等.弱凝膠調(diào)驅(qū)體系在巖心試驗中的行為特性研究［J］.石油鉆采工藝，2000，22（5）：48-49.

［9］ 白寶君，李宇鄉(xiāng)，劉翔鶚.國內(nèi)外化學(xué)堵水調(diào)剖技術(shù)綜述［J］.斷塊油氣田，1998，5（1）：1-5.

［10］ 王平美，羅建輝，張穎，等.用于高溫高鹽油田的非離子聚合物弱凝膠調(diào)驅(qū)體系［J］.石油鉆采工藝，2002，24（5）：53-57.

［11］ 郭擁軍，馮茹森，張新民，等.高溫高鹽油藏低化學(xué)交聯(lián)疏水締合聚合物成膠前溶液性能研究［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：98-99.

［12］ AL-MUNTASHERI G A, NASR-EL-DIN H A, ZITHA P L J. Gelation kinetics and performance evaluation of an organically crosslinked gel at high temperature and pressure［J］. SPE Journal, 2008, 13（3）: 337-345.

［13］ 陳鐵龍，侯天江，趙繼寬，等.高礦化度下影響弱凝膠調(diào)驅(qū)劑性能因素的研究［J］.油田化學(xué)，2003，20（4）：351-352.

［14］ 魏舉鵬.疏水締合聚合物室內(nèi)研究與現(xiàn)場應(yīng)用［D］.成都：西南石油大學(xué)，2005.

［15］ 周會強.二連油田哈76斷塊天然高分子改性聚合物深部調(diào)驅(qū)礦場試驗［D］.成都：成都理工大學(xué)，2011：25-27.

［16］ WANG H G, GUO W K, JIANG H F. Study and application of weak gel system prepared by complex polymer used for depth profi le modification［R］. SPE 65379, 2001.

［17］ 范振忠，周陽.陽離子型弱凝膠調(diào)驅(qū)劑的性能與應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（6）：1517-1518.

［18］ 劉慶旺，范振中，王德金.弱凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003.