馬濤

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083；2.中國石化海相油氣藏開發(fā)重點實驗室,北京 100083)

1922年,Hill最早提出把水溶性硅酸鹽溶液注入地層以提高采收率。過去幾十年,水溶性硅酸鹽廣泛用于油井堵水、水井調(diào)剖、抑制氣錐等方面[1-9]。硅酸凝膠是由硅酸溶膠轉(zhuǎn)變而來的一種失去流動性的體系。硅酸溶膠可分為酸性硅酸溶膠和堿性硅酸溶膠[10-12]。前者是將水玻璃加到活化劑中配成,后者是將活化劑加到水玻璃中制得?；罨瘎┦侵缚墒顾Ａё兂扇苣z而后變成凝膠的物質(zhì)。

硅酸凝膠的優(yōu)點在于價廉、粘度低能進入地層小孔隙,在高溫下較穩(wěn)定[13-14]。硅酸凝膠的主要缺點是膠凝時間短,而且地層溫度越高,膠凝時間越短。為了克服這一缺點,人們嘗試將活化劑與硅酸鹽分開注入,這樣雖然能夠控制反應(yīng)時間,但是由于兩個液相在多孔介質(zhì)中接觸混合不充分,凝膠形成率低、藥劑利用率低[15]。CO2溶于水即為碳酸,可作為硅酸凝膠的活化劑,其具有很好的穿透性,能夠輕松穿透隔離液而溶于硅酸鹽水溶液中,從而降低硅酸鹽水溶液的pH值,引發(fā)膠凝反應(yīng),形成硅酸鹽凝膠。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硅酸鈉、二模硅酸鈉、3.3模硅酸鈉均為工業(yè)品；NaCl,分析純。

CT3型質(zhì)構(gòu)儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 硅酸凝膠的制備 用模擬鹽水(0.5%NaCl)配制不同條件的硅酸鹽水溶液,取100 g置于100 mL藍(lán)蓋瓶中,向水溶液中通入CO2氣體至溶液剛剛變暗,快速將蓋子擰緊并置于70 ℃的烘箱中反應(yīng)20 h。

1.2.2 硅酸凝膠強度的測量 以破裂壓力為參數(shù),采用質(zhì)構(gòu)儀進行測量,選擇探頭TA10,從烘箱中取出即測,模式Bloom,觸發(fā)4 g,速度0.5 mm/s,70 ℃。

用CT3質(zhì)構(gòu)儀測試凝膠的強度和脆裂性的原理是一旦質(zhì)構(gòu)儀探頭的感應(yīng)力達(dá)到,曲線開始表達(dá)出樣品被探頭下壓過程的效果。曲線最大壓力數(shù)值可以表達(dá)樣品的破裂強度；破裂距離表明樣品的脆性,顯示樣品能抗多長距離后被破壞；斜率表明樣品的硬度,斜率越高,硬度越大。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈉水玻璃模數(shù)對凝膠強度的影響

將模數(shù)分別為1,2,3.3的鈉水玻璃配制成質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為8%的水溶液,通CO2至變色后在70 ℃反應(yīng)20 h,用質(zhì)構(gòu)儀測強度,考察鈉水玻璃模數(shù)對形成凝膠性能的影響,結(jié)果見圖1。

圖1 不同模數(shù)鈉水玻璃凝膠的破裂實驗曲線Fig.1 Fracture experiment curve of silicic acid gel formed by sodium silicate with different modulus 模數(shù)：a.1；b.2；c.3.3

由圖1可知,鈉水玻璃的模數(shù)越高,形成凝膠的強度越大、破裂壓力越高,這與國內(nèi)外的用其它引發(fā)劑形成凝膠的研究結(jié)果相一致。鈉水玻璃的模數(shù)由1增加至3.3時,破裂壓力由4 949 Pa增至49 822 Pa,強度增加10倍。模數(shù)為1時的脆性相對較小,模數(shù)為3.3的鈉水玻璃形成的凝膠硬度最大。因此在工程應(yīng)用中,應(yīng)盡量選用高模數(shù)鈉水玻璃。

2.2 水玻璃濃度對凝膠強度的影響

使用3.3模鈉水玻璃配制不同濃度溶液,CO2引發(fā)形成硅酸凝膠,用質(zhì)構(gòu)儀測強度,分析硅酸鈉鹽用量的影響,結(jié)果見圖2。

由圖2可知,隨著3.3模硅酸鈉用量的增加,形成凝膠的強度越大、破裂距離越短,硅酸鈉質(zhì)量百分含量為2%時,所形成的凝膠較弱,因分子網(wǎng)絡(luò)空間大,觸碰凝膠易析水,破裂壓力只有735 Pa；硅酸鈉質(zhì)量百分?jǐn)?shù)增加后,所形成凝膠的強度呈直線上升,硅酸鈉質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為8%時,破裂壓力接近50 000 Pa。這是由于水玻璃濃度增加后所形成的凝膠中的分子網(wǎng)絡(luò)密度增加所致。

圖2 不同硅酸鈉鹽用量下的破裂壓力Fig.2 Fracture pressure of silicic acid gel at different amounts of sodium silicate

2.3 反應(yīng)溫度對凝膠強度的影響

用3.3模鈉水玻璃配制6%的溶液,CO2引發(fā)形成硅酸凝膠,考察反應(yīng)溫度對硅酸凝膠的影響,結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)溫度對破裂壓力的影響Fig.3 Influence of reaction temperature on fracture pressure of silicic acid gel

由圖3可知,隨著反應(yīng)溫度的增加,破裂壓力下降、破裂時間增加,即脆性下降?？赡苁菧囟仍礁叻磻?yīng)劇烈,硅酸聚合物網(wǎng)絡(luò)過早形成,影響了其它未反應(yīng)分子的參與。溫度低時,反應(yīng)溫和,形成的分子網(wǎng)絡(luò)更加致密。

2.4 壓力對成膠的影響

將100 mL的6%鈉水玻璃溶液放入500 mL的高溫高壓容器中,抽真空,充入4.5 MPa的CO2氣體,70 ℃放置24 h,取出容器冷卻、卸壓,打開容器發(fā)現(xiàn)里面的溶液均已形成凝膠,且在高壓下CO2部分充填在凝膠中,卸壓后緩慢從凝膠中釋放出來,即可以聽到“呲呲”的氣體竄出聲音。說明在油藏高壓條件下,CO2可以引發(fā)硅酸鹽溶液形成凝膠,見圖4。

圖4 高壓下CO2引發(fā)形成的硅酸凝膠Fig.4 Silicic acid gel induced by CO2 at high pressure

2.5 硅酸凝膠的熱穩(wěn)定性

用3.3模鈉水玻璃配制6%的溶液,CO2引發(fā)形成硅酸凝膠,70 ℃烘箱中恒溫保存,每隔一段時間取出一個樣品用質(zhì)構(gòu)儀測強度,分析硅酸凝膠的長期穩(wěn)定性,以及脫水情況,結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 長期穩(wěn)定性曲線Fig.5 Long-term stability curve

由圖5可知,在實驗條件下破裂壓力變化不大,只比初始略有降低,后期一直保持不變,破裂壓力保留率一直在80%以上,說明CO2引發(fā)的硅酸凝膠的強度變化不大。由圖6可知,四個多月的時間凝膠表面的水分基本不變,沒有發(fā)生持續(xù)收縮、析水的現(xiàn)象,CO2引發(fā)的硅酸凝膠性能穩(wěn)定。

圖6 長期老化析水體積曲線Fig.6 The curve of water precipitation volume during long-term aging

3 結(jié)論

無論是常壓還是油藏高壓狀態(tài)下,CO2均可以引發(fā)鈉水玻璃形成硅酸凝膠,性質(zhì)與其它活化劑引發(fā)形成的凝膠的性質(zhì)一致。水玻璃模數(shù)越高形成凝膠強度越高；低溫形成的凝膠的強度高于高溫形成的；形成凝膠的強度可長期穩(wěn)定。