何　宏，王業(yè)飛*，張　健，徐曉麗，唐恩高，朱玥珺

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京100027；3.中海油研究總院，北京100027）

海上油田深部調驅用凍膠體系強度調控機制及運移特性

何宏1，王業(yè)飛1*，張健2，3，徐曉麗1，唐恩高2，3，朱玥珺2，3

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266580；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京100027；3.中海油研究總院，北京100027）

針對海上油田儲層非均質性較強、油層厚和井距大等特點，研制了一種適合于深部調驅的強度可控凍膠體系，即在常規(guī)有機酚醛凍膠基礎上，加入強度調節(jié)劑叔丁基過氧化氫，調控凍膠強度。研究了叔丁基過氧化氫對凍膠體系成膠時間和強度的影響，利用掃描電鏡分析不同老化時間下凍膠的微觀結構和強度變化機理，研究多孔介質中靜態(tài)成膠后水驅壓力隨老化時間的變化，分析其在多孔介質中的運移特性。結果表明，強度調節(jié)劑對成膠時間影響不大，隨著老化時間延長和強度調節(jié)劑質量濃度的增加，在強度調節(jié)劑和油藏溫度作用下，凍膠強度逐漸降低。常規(guī)有機酚醛凍膠加入強度調節(jié)劑叔丁基過氧化氫，使其老化30 d后，凍膠的三維空間網絡結構被破壞程度較高，能夠在多孔介質中發(fā)生運移。

海上油田凍膠強度調節(jié)劑微觀結構運移特性

渤海油田屬于常規(guī)砂巖稠油油藏，具有儲層非均質性較強、膠結疏松等特點。隨著油田進入中高含水期開發(fā)階段，注入流體的長期沖刷作用，再加上油藏沉積環(huán)境及非均質性的影響，層間、平面矛盾越來越突出，注入井和采油井之間形成了優(yōu)勢滲流通道，注入的聚合物溶液在注采井組之間進行低效或無效循環(huán)，出現(xiàn)竄流現(xiàn)象，采油井含水率上升加快，嚴重影響了聚合物驅開發(fā)效果。調驅技術作為一項油田改善水驅開發(fā)效果、實現(xiàn)油藏穩(wěn)產的重要技術措施，已經在中外高含水油田得到廣泛應用［1-3］。針對海上油田儲層非均質性較強、油層厚和井距大等特點［4-6］，以及常規(guī)的有機酚醛樹脂凍膠深部調驅體系存在用量大、成本高等缺點［7-9］，筆者研究了一種適合于油藏深部調驅的強度可控式凍膠調驅體系，即在常規(guī)有機酚醛凍膠基礎上加入強度調節(jié)劑叔丁基過氧化氫，研究強度調節(jié)劑的自發(fā)熱分解反應和對凍膠成膠時間和強度的影響，分析凍膠體系的強度調控機制；并研究多孔介質中靜態(tài)成膠后水驅壓力隨老化時間的變化，分析其在多孔介質中的運移特性。

1　實驗部分

1.1實驗藥劑與儀器

實驗藥劑主要包括：聚合物FP，固含量為88.46%，相對分子質量為2 200×104，水解度為24.35%；有機酚醛交聯(lián)劑，由間苯二酚與六亞甲基四胺組成，質量濃度比為1∶4；助劑乙酸，分析純；強度調節(jié)劑叔丁基過氧化氫，化學純；實驗所用有機酚醛凍膠待成膠液配方為2 000mg/L聚合物、1 250 mg/L交聯(lián)劑和1 250mg/L助劑；實驗用水為油田模擬注入水，其礦化度為1 678.83mg/L；Na+和K+質量濃度為489.9mg/L，Ca2+質量濃度為72.14mg/L，Mg2+質量濃度為17.02mg/L，CO32-質量濃度為63.0mg/L，HCO3-質量濃度為414.94 mg/L，SO42-質量濃度為19.18mg/L，Cl-質量濃度為602.65mg/L。

實驗儀器包括：UV2802型紫外分光光度計，尤尼柯上海儀器有限公司；METLER TOLEDO電子天平；DY-Ⅲ型多功能物理模擬裝置，江蘇南通華興石油儀器；平流泵，北京衛(wèi)星儀器廠；直徑為2.5 cm，長度分別為10和100 cm的填砂管；安瓿瓶；Brookfield DVII型粘度計；JJ-1型攪拌器；恒溫水浴鍋；冷凍干燥器；掃描電子顯微鏡。

1.2實驗方法

1.2.1強度調節(jié)劑質量濃度測定方法

利用紫外分光光度計測定叔丁基過氧化氫溶液質量濃度［10-11］，其原理是在酸性條件下，叔丁基過氧化氫溶液能夠將淀粉—碘化鎘中的碘離子氧化生成碘，形成藍色絡合物，在一定波長范圍內存在吸光度峰值，在吸光度峰值波長處測定其吸光度，在一定質量濃度范圍內，吸光度與叔丁基過氧化氫溶液質量濃度之間呈線性關系。

測定步驟為：①取5個50mL容量瓶將其編號為1—5號，利用移液管分別加入1，2，3，4和5mL質量濃度為1 000mg/L的叔丁基過氧化氫溶液；②向5個容量瓶中分別加入1mL濃度為0.5mol/L的標準鹽酸溶液，混合搖勻；③再向5個容量瓶中分別加入5mL的淀粉—碘化鎘試劑，并用蒸餾水將50mL容量瓶定容到刻度線，將其混合；④顯色反應100min后，用UV2802型紫外分光光度計測量5個容量瓶溶液波長為300～1 100 nm的吸光度曲線，觀察實驗結果發(fā)現(xiàn)，波長為580～585 nm時出現(xiàn)吸光度峰值，波長較穩(wěn)定，最后選用測量波長為582 nm；⑤用UV2802型紫外分光光度計在波長為582 nm時測定5個容量瓶溶液的吸光度，以叔丁基過氧化氫質量濃度為橫坐標，以吸光度為縱坐標，繪制標準曲線。

1.2.2成膠時間和凍膠強度確定方法

采用Sydansk的GSC（Gel Strength Codes）目測代碼法確定凍膠成膠時間和突破壓力梯度表征凍膠強度［12］。以凍膠強度達到F級的時間為成膠時間。利用長度為10 cm的填砂管模擬油藏多孔介質，測定凍膠在多孔介質中的強度。凍膠突破壓力梯度測定方法［13］為：①利用80～120目的石英砂填制滲透率為2μm2的填砂管；②填砂管飽和水，計算孔隙體積，測定滲透率；③利用平流泵以1mL/min的速度注入2倍孔隙體積的聚合物凍膠待成膠液，在模擬油藏溫度57℃的恒溫水浴中放置待其成凍；④體系成膠后以1mL/min的速度水驅，當填砂管出口端流下第1滴液體且以后不斷有液體流出，此時填砂管進口端壓力表的讀數(shù)為凍膠的突破壓力，凍膠的突破壓力梯度即為凍膠的突破壓力與填砂管長度的比值。

1.2.3聚合物凍膠的微觀形態(tài)結構表征方法

利用掃描電鏡分析不同老化時間條件下的凍膠微觀形態(tài)結構［14-17］。掃描電鏡實驗中首先用導電膠將干凈的毛玻璃片固定在冷凍臺上，然后滴入少量的聚合物凍膠；灌注液氮抽真空將樣品中的水分子升華除去，得到干樣；將制得的干樣置于一定真空度的高壓電場中，高壓電場使空氣電離，然后在干樣表面鍍上一層可以導電的金屬膜，噴金分2次進行，每次30 s；將樣品從冷凍室中取出直接移入S-4800冷場發(fā)射掃描電鏡，對其進行觀察并進行結構分析。

2　實驗結果分析

2.1強度調節(jié)劑質量濃度隨老化時間的變化關系

將不同質量濃度的叔丁基過氧化氫溶液注入到安瓿瓶中，放置在溫度為57℃的恒溫水浴中，在不同老化時間后取出，并測定叔丁基過氧化氫溶液質量濃度（圖1）。由圖1可知，隨著老化時間的延長，叔丁基過氧化氫溶液的質量濃度逐漸降低，在油藏溫度下，叔丁基過氧化氫溶液的自發(fā)熱分解反應為一級反應，叔丁基過氧化氫溶液質量濃度與老化時間之間具有良好的指數(shù)衰減關系，叔丁基過氧化氫溶液的半衰期與其初始質量濃度無關。

圖1　不同老化時間條件下叔丁基過氧化氫溶液的質量濃度（57℃）Fig.1　The concentration of tert-butylhydroperoxide atdifferentaging times（57℃）

2.2強度調節(jié)劑質量濃度對成膠時間和強度的影響

叔丁基過氧化氫溶液質量濃度對成膠時間的影響在油藏溫度下，研究叔丁基過氧化氫溶液質量濃度對體系成膠時間的影響（圖2）。由圖2可知，隨著叔丁基過氧化氫溶液質量濃度的升高，體系的成膠時間變化不大，這是因為在一定溫度條件下，叔丁基過氧化氫溶液自發(fā)分解釋放自由基，對體系成膠時間的影響較小。

圖2　叔丁基過氧化氫溶液質量濃度對成膠時間的影響Fig.2　The effectof the tert-butylhydroperoxide concentration on gelation time

凍膠強度隨老化時間和強度調節(jié)劑質量濃度變化規(guī)律在滲透率為2μm2的填砂管中分別注入2倍孔隙體積的不同強度調節(jié)劑質量濃度的聚合物溶液，等待其成膠液濃度體系時，再放置在油藏溫度下靜態(tài)成膠，每隔一段時間取出并測定其突破壓力梯度（圖3）。在強度調節(jié)劑和油藏溫度作用下，隨著老化時間的延長和強度調節(jié)劑質量濃度的增加，強度可控式凍膠調驅體系強度逐漸降低。因此，凍膠調驅體系進入地層后，當凍膠調驅體系的突破壓力梯度與地層某一位置處壓力梯度相等時，凍膠調驅體系就停留在該位置使后續(xù)液流轉向；當凍膠調驅體系在強度調節(jié)劑和油藏溫度作用下，凍膠強度降低，在后續(xù)水驅作用下，向地層深部運移，再次停留在與其突破壓力梯度相等的位置，實現(xiàn)更深部地層的液流轉向作用。

圖3　不同老化時間和叔丁基過氧化氫溶液質量濃度下凍膠的突破壓力梯度Fig.3　The breakthrough pressure gradientofgelatdifferent aging timesand various concentrationsof the tert-butylhydroperoxide

2.3凍膠微觀結構

利用掃描電鏡研究有機酚醛凍膠和強度可控凍膠微觀結構隨老化時間的變化，分析叔丁基過氧化氫對凍膠微觀結構的影響。由圖4可知，加入與未加入強度調節(jié)劑，凍膠初始結構均為致密網絡結構，而老化30 d后，加入強度調節(jié)劑的凍膠三維空間網絡結構被破壞程度較高，導致凍膠強度降低。

圖4　在不同老化時間加入與未加入強度調節(jié)劑的凍膠微觀結構Fig.4　Themicriostructure ofgelwith and withoutgelstrength modifieratdifferentaging times

2.4多孔介質中靜態(tài)成膠后運移特性

利用多孔測壓巖心流動裝置研究凍膠加入強度調節(jié)劑后的運移特性。多孔測壓填砂管的直徑為2.5 cm，長度為100 cm，測壓點1和2與注入端的距離分別為30和70 cm。多孔測壓填砂管水測滲透率為2μm2，在其中以1mL/min的速度注入0.3倍孔隙體積的強度調節(jié)劑制成膠液，油藏溫度條件下，恒溫72 h后靜置成膠后，測定填砂管不同位置處（注入端、測壓點1和測壓點2）壓力隨老化時間的變化（圖5），分析其在多孔介質中的運移特性。

圖5　強度可控式凍膠調驅體系在多孔介質中的運移特性Fig.5　The transportpropertiesofpolymergelwith controllable strength in porousmedia

強度可控式凍膠調驅體系靜態(tài)成膠老化3 d后，注入端壓力升高，測壓點1和2的壓力基本不變，表明該體系不發(fā)生運移；當體系靜態(tài)成膠老化30 d后，注入端壓力略有降低，測壓點1和2壓力升高，表明該體系在多孔介質中發(fā)生了運移。

3　結論

在常規(guī)的有機酚醛凍膠基礎上，加入強度調節(jié)劑叔丁基過氧化氫，進行調控凍膠強度。在油藏溫度條件下，隨著叔丁基過氧化氫溶液質量濃度的升高，體系的成膠時間變化不大，表明叔丁基過氧化氫溶液對體系成膠時間的影響較小。隨著老化時間的延長和叔丁基過氧化氫溶液質量濃度的增加，在強度調節(jié)劑和油藏溫度作用下，叔丁基過氧化氫溶液自發(fā)分解釋放自由基，強度可控式凍膠調驅體系強度逐漸降低，起到調控凍膠強度作用。掃描電鏡分析不同老化時間凍膠微觀結構可知，凍膠調驅體系老化30 d后，強度可控式凍膠的三維空間網絡結構破壞程度較高。當強度可控式凍膠調驅體系靜態(tài)成膠老化30 d后，注入端壓力略有降低，測壓點1和2壓力升高，表明該體系在多孔介質中發(fā)生了運移。強度可控式凍膠調驅體系區(qū)別于常規(guī)的有機酚醛凍膠調驅體系，其能夠在油藏溫度和強度調節(jié)劑作用下，調控凍膠強度，在孔介質中逐級運移，實現(xiàn)深部調驅作用。

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編輯王星

Strength controlmechanism and transport propertiesof polymer gel for deep profile controland oil disp lacement in offshoreoilfield

He Hong1，Wang Yefei1，Zhang Jian2，3，Xu Xiaoli1，Tang Engao2，3，Zhu Yuejun2，3

（1.SchoolofPetroleum Engineering，China University ofPetroleum（EastChina），Qingdao City，Shandong Province，266580，China；2.State Key Laboratory ofOffshoreOil Exploitation，Beijing City，100027，China；3.CNOOCResearch Institute，Beijing City，100027，China）

In view ofstrong reservoir heterogeneity，thick oil layers and largewellspacing in the offshore oilfield，a polymer gelwith controllable gelstrength for deep profile controland oildisplacementwas developed.Gelstrengthmodifier tert-butyl hydroperoxide（TBHP）was added into common organic phenolic resin gel to adjust the gel strength.The effects of the tert-butylhydroperoxide（TBHP）on gelation time and gel strengthwere studied.Themicrostructuresof the novelgelatdifferent aging timeswere observed by scanning electron microscopy（SEM）to analyze the gel strength changemechanism. The transportproperties of the novelgel in porousmediawere evaluated bymonitoring the pressure distribution duringwater flooding after gelation in porousmedia at differentaging times.Results show that the effectof gel strengthmodifier on gelation time is notobvious.As the aging time and gel strengthmodifier concentration increase，the gel strength decreases gradually under reservoir temperature and the gel strengthmodifier.Compared with the conventionalgel，the network structureof thenovelgel isdestroyedmore seriously and itcanmigrate in porousmediaafteraging for 30 d.

offshoreoilfield；polymergel；strengthmodifier；microstructure；transportproperties

TE357.43

A

1009-9603（2015）02-0098-05

2015-01-12。

何宏（1986—），男，江西撫州人，在讀博士研究生，從事油田化學及提高采收率研究。聯(lián)系電話：15954083096，E-mail：he hong1103@163.com。

王業(yè)飛（1968—），男，湖北天門人，教授，博導，從事油田化學及提高采收率研究。聯(lián)系電話：15953230699，E-mail：wangyf@up c.edu.cn。

國家科技重大專項“海上稠油化學驅油技術”（2011ZX05024-004），長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助（IRT1294）。