張俊瑾，李遵照，蔣明龍，譚 肖

（中國(guó)石油 中原油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001）

相對(duì)水基泡沫，凝膠泡沫是一種假塑形流體，具有非牛頓流體性質(zhì)［1］。有研究表明，凝膠泡沫提高原油采收率最主要的機(jī)理是因?yàn)樗哂小白冃蜗x”效應(yīng)和賈敏效應(yīng)，“變形蟲”效應(yīng)能使凝膠泡沫通過(guò)微孔介質(zhì)而抗剪切，因此穩(wěn)定性能好［2］。凝膠泡沫的連續(xù)相是凝膠，在凝膠內(nèi)包裹有大量均勻分布的氣體泡沫，因此凝膠泡沫體系具有泡沫和凝膠雙重特性，耐油性和黏彈性優(yōu)異，具有較強(qiáng)的調(diào)驅(qū)能力［3-4］。目前常用的凝膠泡沫體系包括：作為油田堵水劑的硅酸鹽凝膠泡沫體系［5-7］，作為選擇性堵劑的有機(jī)凝膠泡沫體系等。但硅酸鹽凝膠泡沫體系對(duì)Ca2+和Mg2+敏感，極易與Ca2+和Mg2+發(fā)生沉淀絮凝，且脆性大，易于破碎［8］；而有機(jī)凝膠泡沫體系中起泡劑一般多采用單一表面活性劑，同時(shí)膠凝劑多采用部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），耐溫抗鹽性能不理想［9-10］。因此，它們的應(yīng)用受限。無(wú)機(jī)凝膠泡沫體系是采用凝膠生成劑與泡沫劑復(fù)合，在油藏地層條件下生成的，該體系的凝膠內(nèi)部包裹著泡沫，擴(kuò)大了凝膠的波及體積，而凝膠增加了泡沫的機(jī)械強(qiáng)度，增長(zhǎng)了泡沫壽命，可延長(zhǎng)調(diào)驅(qū)措施的時(shí)效性。

本工作以鋁鹽為主劑，尿素為助劑得到無(wú)機(jī)凝膠體系，并加入復(fù)配泡沫劑得到凝膠泡沫體系。分析了影響凝膠體系成膠的因素，考察了成膠后凝膠的性能，提出了凝膠泡沫體系的調(diào)驅(qū)機(jī)理，并建立了凝膠成膠強(qiáng)度模型用于預(yù)測(cè)凝膠成膠強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

離子型甜菜堿（L-30）、SH1：泡沫劑，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鋁鹽（凝膠主劑）、尿素（凝膠助劑）：化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；模擬地層水：礦化度為15×104mg/L，鈣鎂離子含量為5 000 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

凝膠基液的配制：將鋁鹽與尿素分別溶于一定礦化度模擬地層水中，配制成一定質(zhì)量濃度的溶液，然后加入到高溫玻璃管中。

凝膠成膠實(shí)驗(yàn)：將裝有充分溶解鋁鹽與尿素的溶液的高溫玻璃管豎直置于油浴鍋中。在一定溫度條件下，當(dāng)溶液由透明狀變成白色，且旋轉(zhuǎn)高溫管至45°不流動(dòng)時(shí)，即認(rèn)為開始成膠，并記錄為凝膠成膠時(shí)間，用上海尼潤(rùn)智能科技有限公司DV-Ⅱ型布式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定黏度。

凝膠泡沫體系的配制：在上述凝膠體系中加入泡沫劑即為凝膠泡沫體系。單一泡沫劑不能滿足起泡能力高、穩(wěn)泡性能好的要求，綜合考慮泡沫綜合指數(shù)，選擇0.2%（w）L-30+0.1%（w）SH1作為復(fù)配泡沫劑，該復(fù)配泡沫劑起泡體積510 mL，消泡半衰期136 min，具有較好的泡沫穩(wěn)定性能。

泡沫性能測(cè)定采用上海隆拓儀器設(shè)備有限公司 Ross-Mile 型泡沫儀按 GB/T 7462—1994［11］規(guī)定的方法測(cè)定，測(cè)定溫度50 ℃，發(fā)泡劑質(zhì)量濃度0.5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠基液生成凝膠的條件

采用單因素法對(duì)影響凝膠基液成膠性能的因素進(jìn)行研究。

2.1.1 主劑的影響

固定尿素含量2%（w）、礦化度15×104mg/L、鈣鎂離子含量5 000 mg/L，100 ℃下主劑用量對(duì)成膠性能的影響見圖1。從圖1可知，隨凝膠主劑鋁鹽用量的增大，成膠時(shí)間延長(zhǎng)。這是因?yàn)?，鋁鹽的金屬離子交替發(fā)生水解和羥基橋聯(lián)作用。當(dāng)體系中的OH-濃度高時(shí)，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)時(shí)間縮短。反之，體系中的OH-濃度低時(shí)，反應(yīng)速率降低，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。所以，當(dāng)固定助劑濃度，增大主劑用量，相當(dāng)于單位物質(zhì)的量的主劑對(duì)應(yīng)的OH-就會(huì)減少，反應(yīng)速率降低，成膠時(shí)間延長(zhǎng)。隨主劑用量的增大，參與反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)的金屬離子含量增大，凝膠強(qiáng)度增大。

圖1 主劑用量對(duì)成膠性能的影響Fig.1 The influence of main agent concentration on the properties of gel.

2.1.2 助劑的影響

凝膠助劑對(duì)成膠性能的影響見圖2。從圖2可知，體系成膠時(shí)間隨助劑用量的增大而縮短。這是因?yàn)?，?dāng)固定主劑濃度，增大助劑用量時(shí)，助劑發(fā)生分解反應(yīng)使OH-濃度增大，反應(yīng)速率加快，成膠時(shí)間縮短。隨助劑用量的增大，參與反應(yīng)形成凝膠網(wǎng)絡(luò)的OH-含量增大，凝膠強(qiáng)度增大。

2.1.3 溫度的影響

溫度對(duì)成膠時(shí)間的影響見圖3。從圖3可知，成膠時(shí)間隨反應(yīng)溫度的升高而縮短。因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，溶液中助劑CO（NH2）2發(fā)生分解反應(yīng)的速率增大，即溶液中的OH-濃度增幅變快，從而使主劑金屬離子Al3+發(fā)生水解并與羥基橋聯(lián)反應(yīng)的速率加快。另一方面，隨溫度的升高，溶液中各離子運(yùn)動(dòng)速率加快從而發(fā)生碰撞的機(jī)會(huì)增大，使體系成膠時(shí)間縮短。

圖2 助劑用量對(duì)成膠性能的影響Fig.2 The influence of additive concentration on the properties of gel.

圖3 溫度對(duì)成膠時(shí)間的影響Fig.3 The influence of temperature on gel time.

2.1.4 礦化度的影響

礦化度對(duì)成膠性能的影響見圖4。從圖4可看出，成膠時(shí)間隨礦化度的增大而縮短。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)V化度升高時(shí)，助劑CO（NH2）2發(fā)生分解反應(yīng)生成的CO2的溶解度減小，減少了溶液中CO2的溶解量，使助劑分解反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，溶液中OH-濃度增大，成膠時(shí)間縮短。體系成膠強(qiáng)度隨礦化度的增大迅速減小。這是因?yàn)楦叩V化度降低了主劑金屬離子的水解程度，同時(shí)鹽離子的存在使金屬離子與OH-生成凝膠的機(jī)率降低，從而使凝膠強(qiáng)度減小。

圖4 礦化度對(duì)成膠性能的影響Fig.4 The influence of salinity on the properties of gel.

2.2 泡沫劑對(duì)凝膠泡沫體系的影響

在凝膠泡沫體系成膠過(guò)程中體系氣相壓力變化的曲線見圖5。從圖5可看出，泡沫劑的加入對(duì)凝膠泡沫體系的壓力影響不大，所以泡沫劑的加入對(duì)凝膠泡沫體系的反應(yīng)速率影響很小。

圖5 泡沫劑對(duì)凝膠泡沫體系成膠的影響Fig.5 The influence of foam agent on gelling process of gelling foam system.

2.3 成膠后凝膠的性能

2.3.1 溫度對(duì)成膠后凝膠黏度的影響

凝膠基液與成膠后凝膠的黏度見圖6。從圖6可看出，隨溫度的升高，成膠后凝膠的黏度逐漸增大。這與溫度對(duì)HPAM溶膠黏溫關(guān)系影響規(guī)律［12］不同，表現(xiàn)出與一般流體黏度隨溫度變化趨勢(shì)相反的行為。這可能是因?yàn)?，HPAM溶膠為有機(jī)型溶膠，隨溫度的升高，有機(jī)分子鏈被破壞，因此黏度下降，而本工作采用的是無(wú)機(jī)型凝膠，表現(xiàn)出隨溫度升高，凝膠黏度逐漸增大的規(guī)律。

從圖6還可看出，成膠后凝膠的黏度大于凝膠基液的黏度近100倍，說(shuō)明凝膠基液中的主劑與助劑在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了具有高黏度的凝膠。

2.3.2 成膠后凝膠的高溫穩(wěn)定性

成膠后凝膠在130 ℃下的耐溫性能見圖7。從圖7可知，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)，成膠后凝膠可在130 ℃高溫下保持300 d穩(wěn)定性。

圖7 凝膠后凝膠在130 ℃下的耐溫性Fig.7 The temperature tolerance of gel system after gelling under 130 ℃.

2.4 凝膠泡沫體系調(diào)驅(qū)機(jī)理

本工作制備的凝膠泡沫體系采用與無(wú)機(jī)凝膠體系配伍性良好的低界面張力復(fù)配泡沫劑作為起泡劑，在無(wú)機(jī)凝膠生成的過(guò)程中泡沫劑被包裹在凝膠中，生成無(wú)機(jī)凝膠泡沫。由于凝膠主劑與助劑在常溫條件下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此基液黏度較低（30℃下7.5 mPa·s），較低的基液黏度保證了調(diào)驅(qū)體系具有良好的注入性能，能滿足深部調(diào)驅(qū)和低滲透油藏的注入。在油藏溫度90～130 ℃和礦化度10×104～25×104mg/L下凝膠基液發(fā)生反應(yīng)，生成高強(qiáng)度無(wú)機(jī)凝膠，而由凝膠助劑CO（NH2）2反應(yīng)生成的少量CO2等氣體可以使原油體積增加，降低油水界面張力，使剩余油進(jìn)一步被驅(qū)出。

凝膠泡沫體系的成膠強(qiáng)度隨溫度的升高而增大，生成的凝膠在原有水竄通道形成屏障，打破了原來(lái)的地下流體平衡，在后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中封堵段塞漂移、連續(xù)運(yùn)移，不斷擴(kuò)大封堵范圍，使后續(xù)注入水多次繞流從而增大注入水波及體積。若泡沫破裂，則泡沫液（表面活性劑）能降低原油界面張力，更好的驅(qū)替出油藏剩余油。

目前調(diào)剖劑發(fā)展方向之一是需研制具有深部調(diào)剖作用和強(qiáng)度高的調(diào)剖劑［13］，本工作制備的凝膠泡沫體系的成膠時(shí)間和凝膠強(qiáng)度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)控，從而保證了調(diào)驅(qū)液進(jìn)入目的層位，與上述發(fā)展方向相吻合。

2.5 凝膠成膠強(qiáng)度模型研究

2.5.1 模型建立

從成膠強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，成膠強(qiáng)度與主劑和助劑用量成正相關(guān)關(guān)系，與地層水礦化度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，可認(rèn)為成膠強(qiáng)度模型由三部分組成（見式（1））：

式中，P為凝膠強(qiáng)度，mPa·s；Cm為凝膠主劑含量，mg/L；Ca為凝膠助劑含量，mg/L；K為礦化度，mg/L。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，建立的凝膠成膠強(qiáng)度模型見式（2）。

式中，Pi是設(shè)定的系數(shù)，通過(guò)1st Opt軟件計(jì)算得出。

2.5.2 凝膠體系成膠強(qiáng)度模型計(jì)算結(jié)果

將建立的凝膠成膠強(qiáng)度模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，模型參數(shù)見表1。計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比較見圖8。從圖8可知，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，平均相對(duì)偏差為0.51%，能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameter

圖8 主劑含量（a）、助劑含量（b）和礦化度（c）對(duì)成膠強(qiáng)度的影響Fig.8 The influence of main agent concentration(a), additive concentration(b) and salinity(c) on gel strength.

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2012年11 月—2013年11月在中原油田采油一廠文13-195（調(diào)驅(qū)目的層滲透率0.13～30.63 md）、文13-204（調(diào)驅(qū)目的層滲透率50～130 md）等7個(gè)井組實(shí)施了耐溫抗鹽凝膠泡沫調(diào)驅(qū)措施，加入凝膠泡沫體系后平均注水壓力上升5.93 MPa，平均日增油4 t，含水率下降2%，截至2014年1月已累計(jì)凈增油1 397 t，累計(jì)降水3 674.9 t，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1）以鋁鹽為主劑，尿素為助劑，可得到無(wú)機(jī)凝膠體系。該體系隨主劑用量的增大，成膠時(shí)間延長(zhǎng)，凝膠強(qiáng)度增大；隨助劑用量的增大，成膠時(shí)間縮短，凝膠強(qiáng)度增大；隨溫度的升高，成膠時(shí)間縮短；隨礦化度的增大，成膠時(shí)間縮短，凝膠強(qiáng)度降低。

2）在該無(wú)機(jī)凝膠體系中加入復(fù)配泡沫劑0.2%（w）L-30+0.1%（w）SH1可 得 到 凝 膠 泡沫體系，泡沫劑的加入對(duì)凝膠的成膠性能沒有影響。

2）無(wú)機(jī)凝膠泡沫體系能夠耐溫130 ℃，耐鹽20×104mg/L，耐鈣、鎂離子5 000 mg/L；成膠后凝膠黏度隨著溫度的升高而增大?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該凝膠泡沫調(diào)驅(qū)體系可用于低滲透油藏深部調(diào)驅(qū)。

3）P=（P1Cm2+ P2Cm+ P3）（P4Ca+ P5）exp（-P6K）凝膠成膠強(qiáng)度模型，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)凝膠成膠強(qiáng)度的預(yù)測(cè)和配方優(yōu)化，平均相對(duì)偏差為0.51%。

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