王馨竹，陳小凱

（1. 中油華北油田分公司，河北 任丘 062500； 2. 中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124125）

懸浮凝膠顆粒調(diào)驅(qū)劑研究與現(xiàn)場試驗

王馨竹1，陳小凱2

（1. 中油華北油田分公司，河北 任丘 062500； 2. 中油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124125）

針對遼河油田注水區(qū)塊現(xiàn)有顆粒類深部調(diào)驅(qū)堵劑耐溫、抗剪切性能差，成膠強度低，有效期短，壓力提升幅度有限等問題，采用丙烯酰胺與天然橡膠膠乳、乙烯基吡咯烷酮通過自由基共聚，經(jīng)膠體干燥、造粒得到具有良好柔韌性和粘彈性能的柔性凝膠顆粒，并確定了最佳聚合反應條件：單體濃度30%，丙烯酰胺：天然橡膠膠乳：乙烯基吡咯烷酮質(zhì)量比為 1:0.8:0.3，交聯(lián)劑濃度 0.05%，引發(fā)劑（甲醛合次硫酸氫鈉與過硫酸銨質(zhì)量比為1:2）濃度0.6%，聚合反應溫度65 ℃。同時確定了用于懸浮凝膠顆粒的凝膠配方體系：聚合物800 mg/L、交聯(lián)劑400 mg/L、穩(wěn)定劑80 mg/L，得到了凝膠顆?，F(xiàn)場應用的合理粒徑中值為2 mm，最佳使用濃度范圍1%～3%?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明：凝膠顆粒對調(diào)驅(qū)壓力提升作用明顯，具有很高的可行性和實用性，為注水區(qū)塊穩(wěn)油控水提供了有力的技術(shù)保障。

深部調(diào)驅(qū)劑；柔性凝膠顆粒；丙烯酰胺；天然橡膠膠乳；封堵性能

目前，遼河油田注水區(qū)塊主要采用深部調(diào)驅(qū)、化學驅(qū)等技術(shù)改善水驅(qū)開發(fā)效果。常規(guī)調(diào)堵劑存在選擇性差，易污染油層，強度低，有效期短，對出水層較多、油水同層、底水錐進存在很大局限性，而深部調(diào)驅(qū)對于復雜小斷塊，斷層多，油層發(fā)育不穩(wěn)定，注采對應關(guān)系差的注水區(qū)塊，顯得乏善可陳。

現(xiàn)有聚丙烯酰胺類調(diào)驅(qū)劑存在耐溫耐鹽性差，抗剪切能力低，導致成膠強度低，有效期短；預交聯(lián)或體膨顆粒類調(diào)驅(qū)劑因分子結(jié)構(gòu)中含羧基或酰胺基，存在耐溫、耐鹽、抗剪切性差等問題，易分解，無法實現(xiàn)沿程動態(tài)調(diào)整深部液流方向[1,2]。

本文介紹了一種懸浮凝膠顆粒調(diào)驅(qū)劑，通過在丙烯酰胺分子鏈上引入一種分子柔性鏈和耐溫基團[3-6]，開發(fā)出具有良好耐溫性和柔韌性凝膠顆粒調(diào)驅(qū)劑，解決目前顆粒類調(diào)驅(qū)劑存在的耐溫、抗剪切性能差，有效期短，壓力提升幅度有限等問題，同時利用聚合物凝膠體系懸浮攜帶凝膠顆粒注入地層，增強了調(diào)驅(qū)劑封堵效率，提高調(diào)驅(qū)效果。

1 凝膠顆粒的制備及性能評價

1.1 實驗部分

（1）合成方法

采用水溶液中自由基共聚合方式，氧化還原體系引發(fā)反應的合成方法，在室溫條件下，依次加入丙烯酰胺水溶液、天然橡膠膠乳、乙烯基吡咯烷酮，緩慢加熱并攪拌，再加入交聯(lián)劑 N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBAM）與甲醛合次硫酸氫鈉（SHMS）。升溫至65 ℃，通入氮氣20 min后，加入過硫酸銨（APS）引發(fā)反應攪拌半分鐘后，密封靜置約5～6 h形成乳白色粘稠狀半固態(tài)，置于50 ℃干燥箱36 h，經(jīng)造粒機而成柔性聚合物。

（2）合成條件

實驗采用丙烯酰胺、天然橡膠膠乳和乙烯基吡咯烷酮三種單體在引發(fā)劑和交聯(lián)劑協(xié)同作用下發(fā)生自由基共聚而成，經(jīng)干燥、造粒制成柔性凝膠顆粒。根據(jù)正交試驗結(jié)果，確定出最佳聚合反應條件：單體濃度30%，三者質(zhì)量比為1:0.8:0.3，交聯(lián)劑濃度0.05%，引發(fā)劑（甲醛合次硫酸氫鈉與過硫酸銨質(zhì)量比為1:2）濃度0.6%，聚合反應溫度65 ℃。

1.2 合成原理

根據(jù)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計思想，采用丙烯酰胺與乙烯基吡咯烷酮通過自由基共聚[7-8]得到耐溫、耐鹽性能良好的凝膠顆粒，同時利用天然橡膠膠乳良好的增塑性能，提高顆粒的柔韌性和粘彈性，減少了以往調(diào)驅(qū)劑分子結(jié)構(gòu)中易水解基團，充分發(fā)揮丙烯酰胺交聯(lián)和聚合的協(xié)同作用，避免了傳統(tǒng)顆粒類調(diào)驅(qū)劑吸水膨脹后，抗剪切性差的問題。

圖1 凝膠顆粒在常溫和高溫條件下形態(tài)Fig.1 The morphology of gel in normal and 120 ℃temperature condition

1.3 形態(tài)特征

凝膠顆粒常溫下能夠任意擠壓，拉伸可產(chǎn)生形變，高溫120 ℃條件下發(fā)生粘黏和膨脹，變成連續(xù)狀膠體，這種凝膠顆粒本身并未發(fā)生任何化學變化，如圖1所示。正是這種特性可以使應用于封堵高溫油藏裂縫大孔道或高滲通道深部調(diào)驅(qū)（圖1）。

1.4 凝膠顆粒的變形能力

將凝膠顆粒制成長度為(10.0±0.5)mm，寬度為(2±0.5)mm，厚度為(5±0.2)mm的長方形試樣，常溫下通過Instron萬能材料試驗機對其進行拉伸試驗，測定試樣的應力-應變曲線［9］，如圖2所示。

圖2 柔性凝膠顆粒應力-應變曲線Fig.2 The strain-stress curve of flexibility gel particle

從圖2可以看出，拉伸開始階段應力與應變成正比，表現(xiàn)出聚合物的高彈形變，隨后出現(xiàn)塑性形變，應力隨應變增加幅度變小，當達到一定形變后，應力又隨應變的增加而不斷增大，直至斷裂，因此，凝膠顆粒表現(xiàn)出良好的柔韌性。

2 懸浮凝膠顆粒復合調(diào)堵劑體系研究

2.1 凝膠顆粒攜帶液凝膠體系配方研究

為了便于堵劑注入地層深部，提高堵劑的懸浮性和配伍性，采取凝膠體系攜帶凝膠顆粒注入地層，常用凝膠體系主要是有機鉻和酚醛樹脂交聯(lián)兩種凝膠體系。由于有機鉻交聯(lián)體系耐溫性能差，優(yōu)選酚醛樹脂凝膠體系，主要是基于體系成膠后形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有良好的溶解性、增粘性和耐溫性，明顯的控制油水流度比作用等優(yōu)點［10］。

為得到最優(yōu)化的凝膠顆粒攜帶液凝膠配方體系，室內(nèi)實驗設(shè)計了聚合物、交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑三因素三水平正交實驗，試驗結(jié)果見表 1。從實驗結(jié)果可以得出，凝膠體系成膠強度影響大小順序為聚合物、穩(wěn)定劑、交聯(lián)劑，且體系最佳配方濃度為：聚合物800 mg/L、交聯(lián)劑400 mg/L、穩(wěn)定劑80 mg/L。

表1 柔性凝膠配方體系正交實驗結(jié)果Table 1 The orthogonal experiment result of flexibility gel formula system

續(xù)表

2.2 不同粒徑中值凝膠顆粒懸浮性能

凝膠顆粒的懸浮性能關(guān)系到顆粒能否順利注入地層。因此，在凝膠體系溶液分別加入不同粒徑中值的凝膠顆粒，觀察其懸浮時間，實驗結(jié)果如圖3。

圖3 不同粒徑中值凝膠顆粒懸浮性實驗Fig.3 The suspension property experiment of gel particle of different diameter medians

從圖3可以看出，凝膠顆粒粒徑中值越小，懸浮時間越長，反之，越短，為了便于更好的攜帶，使顆粒順利注入地層，要求凝膠顆粒的懸浮時間至少要求在2 h以上，因此，凝膠顆粒的粒徑中值最好控制在3 mm內(nèi)較適宜。

2.3 凝膠顆粒粒徑選擇

為了取得最佳的調(diào)驅(qū)效果，必須考慮凝膠顆粒粒徑中值與地層孔徑的匹配性[11]。采用3 mm人造巖心，進行單管驅(qū)替實驗，模擬不同粒徑中值凝膠顆粒對調(diào)驅(qū)壓力變化情況。實驗條件：驅(qū)替體積為 2倍孔隙體積，凝膠顆粒質(zhì)量濃度為 5%，實驗溫度為20 ℃，注入速率為2 mL/min，結(jié)果如圖4。

從圖4中可以看出不同粒徑凝膠顆粒注入壓力變化呈現(xiàn)不同趨勢，當凝膠顆粒粒徑中值不斷增大時，注入壓力也隨之增大；當粒徑中值較小時，隨著注入體積的增大，注入壓力呈現(xiàn)先增大后減小變化趨勢，而當粒徑中值較大時，隨著注入體積的增大，注入壓力呈現(xiàn)不斷增大變化趨勢。

圖4 不同粒徑凝膠顆粒注入壓力的變化Fig.4 The injection pressure change of different diameter median gel particles

因此，在應用凝膠顆粒實際調(diào)驅(qū)過程中，應結(jié)合油藏物性及大孔道或地層裂縫發(fā)育等情況，選擇粒徑中值合理的凝膠顆粒進行調(diào)驅(qū)。

2.4 不同凝膠顆粒濃度的壓力提升能力

考慮到現(xiàn)場調(diào)驅(qū)成本和提壓幅度，有必要對凝膠顆粒的使用濃度進行研究[12]。分別加入不同濃度的凝膠顆粒，進行巖心驅(qū)替實驗研究，注入方式按先注水，再注凝膠顆粒懸浮調(diào)堵劑，再注水三階段各3倍孔隙體積。實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同凝膠顆粒濃度的壓力提升能力情況Fig.5 The overpressure capability of different concentration of gel particles

從實驗結(jié)果圖5可以看出，凝膠顆粒用量越大，注入壓力提升幅度也越大，后期注水壓力雖然有所下降，但較調(diào)堵前注入壓力有較大幅度的提升，說明凝膠顆粒能夠起到很好的提升注水壓力，改變液流方向，擴大波及體積的目的?？紤]經(jīng)濟效益，現(xiàn)場施工時，合適顆粒用量范圍在1%～3%之間。

2.5 懸浮凝膠顆粒與強凝膠調(diào)驅(qū)劑封堵強度對比

實驗裂縫型人工砂巖柱狀巖心，巖心基質(zhì)滲透率為600～1 000 md，巖心裂縫寬度為1.9～2.2 mm，長度為8.54～10.2 cm，橫截面積5 cm2，試驗溫度20℃。實驗結(jié)果如表2所示。

從實驗結(jié)果來看，在強凝膠體系中加入凝膠顆粒能夠大幅度提高封堵性能，能夠起到很好的封堵效果，平均突破壓力梯度達24.9 MPa/m。

3 現(xiàn)場應用效果及分析

3.1 現(xiàn)場實施情況

2014年，遼河油田錦16塊應用柔性凝膠顆粒調(diào)驅(qū)4井次，累積注入6 123 m3，如表2所示。

表2 現(xiàn)場施工情況Table 2 The site construction Situation

3.2 措施效果分析

（1）注水壓力變化

措施后4口井注水壓力分別上升3.5、7.5、2.0、5.0 MPa，說明調(diào)驅(qū)后有效封堵了水竄通道。

（2）一線井生產(chǎn)情況

調(diào)驅(qū)后，四井組綜合含水平均下降2.7個百分點,累增油5735.6t，調(diào)驅(qū)效果顯著，如表3所示。

表3 調(diào)驅(qū)效果統(tǒng)計表Table 3 The statistical table of profile control effect

4 結(jié) 論

（1）采用丙烯酰胺與天然橡膠膠乳、乙烯基吡咯烷酮通過自由基共聚，經(jīng)膠體干燥、造粒得到柔性凝膠顆粒，并確定了最佳聚合反應條件：單體濃度 30%，丙烯酰胺:天然橡膠膠乳:乙烯基吡咯烷酮質(zhì)量比為1:0.8:0.3，交聯(lián)劑濃度0.05%，引發(fā)劑（甲醛合次硫酸氫鈉與過硫酸銨質(zhì)量比為 1:2）濃度0.6%，聚合反應溫度65 ℃。

（2）凝膠顆粒室內(nèi)性能評價實驗表明：凝膠顆粒具有良好的耐溫性能，可達120 ℃，還具有良好的柔韌性，可任意變形，拉伸形變能達8倍以上。

（3）確定了用于懸浮凝膠顆粒的凝膠配方體系：聚合物800 mg/L、交聯(lián)劑400 mg/L、穩(wěn)定劑80 mg/L，同時得到了凝膠顆?，F(xiàn)場應用的合理粒徑中值為2 mm，最佳使用濃度范圍1%～3%。

（4）現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：凝膠顆粒對調(diào)驅(qū)壓力提升作用明顯，有效期長，現(xiàn)場可靈活調(diào)整凝膠顆粒粒徑和使用濃度，具有很高的可行性和實用性，為注水區(qū)塊穩(wěn)油控水提供了有力的技術(shù)保障。

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Research and Field Test of Suspension Gel Particles Profiling/Flooding Agent

WANG Xin-zhu1，CHEN Xai-kai2
（1. PetroChina Huabei Oilfield Company，Hebei Renqiu 062500, China；2. PetroChina Liaohe Oilfield Company，Liaoning Panjing 124125, China）

Existing particle profiling/flooding agents used in Liaohe oilfield water flooding block has weak heat resistance, poor shearing resistance, low gel strength, short validity and limited pressure rising rate. So a kind of flexible gel particles with good elasticity and viscoelasticity have been developed by using acrylamide, natural rubber latex and vinyl pyrrolidone via free radical copolymerization, dehydration and granulation. The optimum polymerization conditions were determined as follows: monomer concentration 30%, the mass ratio of acrylamide: natural rubber latex: vinyl pyrrolidone 1:0.8:0.3, crosslinking agent concentration 0.05%, initiator (the mass ratio of formaldehyde and sodium hydrogen sulfate and ammonium persulfate 1:2) concentration 0.6%, the polymerization reaction temperature 65 ℃.Also the gel formula of suspension gel particles system was determined as follows: polymer 800 mg/L, cross-linking agent 400 mg/L,stabilizer 80 mg/L, and reasonable size of the gel particles in the field application 2 mm, the best test application concentration range 1%～3%.The field test results show that the gel particles can rise the profiling/flooding pressure obviously, which can provide a powerful technical support for stabilizing oil production and controlling water cut.

deep profiling/flooding agent; flexible gel particles; acrylamide；natural rubber latex；sealing characteristics

TE 357

A

1671-0460（2016）11-2537-04

遼河油田原油千萬噸持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究重大科技專項“水驅(qū)砂巖油藏提高采收率關(guān)鍵技術(shù)研究與應用”(2012E-3004)。

2016-05-23

王馨竹（1986-），女，工程師，研究生，現(xiàn)在從事油氣田開發(fā)工作。E-m ail：w angxinzhu0203@126.com。