熱采用堿木素高溫堵劑研究

劉高文 (中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

熱采用堿木素高溫堵劑研究

劉高文 (中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東 青島 266555)

堿木素凍膠是一種具有熱穩(wěn)定且易于進(jìn)入地層深部的高溫堵劑，可以調(diào)整注汽剖面，控制蒸汽竄流，改善蒸汽開發(fā)效率。采用單因素法以凍膠強(qiáng)度和成膠時(shí)間為指標(biāo)分別對(duì)交聯(lián)劑酚醛樹脂含量、堿木素含量和體系pH值進(jìn)行優(yōu)化，并以凍膠強(qiáng)度為指標(biāo)，通過正交表優(yōu)化了堿木素-酚醛樹脂體系配方，得到了堿木素-酚醛樹脂體系的最優(yōu)化配方：ω(堿木素)=0.10，ω(酚醛樹脂)=0.035，pH值為9.75。性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該配方成膠時(shí)間為1.5h，成膠強(qiáng)度為0.092MPa，熱穩(wěn)定性強(qiáng)，是一種良好的熱采用高溫堵劑。

堿木素;凍膠強(qiáng)度；成膠時(shí)間；正交表；熱穩(wěn)定性；抗鹽性能

隨著石油的不斷開采，世界上石油儲(chǔ)量尤其是優(yōu)質(zhì)、易采石油儲(chǔ)量不斷減少，在已探明的石油資源中，稠油所占比例越來越大[1]。熱采被認(rèn)為是最有效的稠油開采方法。但由于油藏層間的非均質(zhì)性、滲透率的變化、原油性質(zhì)的差異、不利的流度比、重力分離、井距和油藏傾斜等因素，引起蒸汽竄流，降低了蒸汽利用率，導(dǎo)致吸汽剖面不均勻，降低了稠油開采效果[2]。這是蒸汽吞吐及蒸汽驅(qū)開采中最棘手的技術(shù)難題，也是關(guān)系到蒸汽驅(qū)開采能否成功的首要問題[3]。因此研制高效的、耐溫的堵劑是極具潛力的提高蒸汽驅(qū)效果的方法。堿木素凍膠能通過調(diào)整吸汽剖面、低界面張力和降粘作用來提高熱采采收率，而影響堿木素凍膠性能的因素主要有：堿木素含量、交聯(lián)劑酚醛樹脂的含量、體系pH和礦化度[4]。下面，筆者主要通過單因素法與正交表[5]相結(jié)合來優(yōu)化堿木素配方，并對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)藥品與儀器

1)試驗(yàn)藥品 堿木素(工業(yè)品，武漢華東化工有限公司)；酚醛樹脂(自制)鹽酸、氫氧化鈉、氯化鈉和氯化鈣(均為AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)等。

2)儀器 電子天平(感量分別為0.01、0.0001g)、pHs-25酸度計(jì)、NDJ-7旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、高溫罐、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、凍膠強(qiáng)度測(cè)定儀等。

1.2試驗(yàn)方法

1)成膠時(shí)間的確定 采用觀察法評(píng)價(jià)凝膠的成膠時(shí)間，其具體測(cè)試方法如下：①樣品準(zhǔn)備。將20g膠凝液樣品用滴管注入到安瓿瓶中，然后用酒精噴燈封口。每種配方配3個(gè)樣品同時(shí)測(cè)試。②監(jiān)測(cè)凝膠老化。將密封好的安瓿瓶放入高溫罐內(nèi)，然后置于烘箱中，將其調(diào)至設(shè)定溫度。定期將安瓿瓶從烘箱內(nèi)取出，觀察其是否喪失流動(dòng)性。判定凍膠成膠的標(biāo)準(zhǔn)是將安瓿瓶水平放置，觀察凍膠的前沿面與瓶壁所成角度是否大于45°，若大于45°則認(rèn)為其成膠[6]。

2)凍膠強(qiáng)度的確定 采用突破真空度法來表征凍膠的強(qiáng)度，即把玻璃管的一端插入凍膠中部，另一端用真空泵抽吸，用空氣突破凍膠時(shí)壓力表上的讀數(shù)來表征凍膠的強(qiáng)度[7]。

3)粘度的測(cè)定 用NDJ-7旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定成膠液的表觀粘度。

2 結(jié)果與討論

2.1影響堿木素-酚醛樹脂體系成膠的因素

1)堿木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)體系成膠性能的影響 在200℃，ω(酚醛樹脂)=0.02，pH=9.50條件下，研究了堿木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)堿木素-酚醛樹脂體系成膠性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，①堿木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，成膠時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)堿木素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.01時(shí)，生成凍膠上部有大量的清液，不能整體成膠。因此，堿木素-酚醛樹脂體系中堿木素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能低于0.01；②隨著堿木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，成膠后膠體的強(qiáng)度則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)堿木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.10后，其強(qiáng)度值有所下降。原因是當(dāng)堿木素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.10后，酚醛樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物以線型高分子為主，凍膠的整體強(qiáng)度下降；③隨著堿木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，堿木素-酚醛樹脂體系成膠時(shí)間逐漸縮短，符合反應(yīng)速率與濃度的基本關(guān)系，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)堵劑注入時(shí)間及成本的要求，選擇堿木素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.09～0.11[8]。

2)酚醛樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)體系成膠性能的影響 在200℃，ω(堿木素)=0.10，pH=9.50條件下，研究了酚醛樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)堿木素-酚醛樹脂體系成膠性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，隨著酚醛樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其成膠時(shí)間是逐漸減小的，凍膠強(qiáng)度是逐漸增大的。原因是酚醛樹脂濃度的增加有利于堿木素-酚醛樹脂體系中體型高分子的形成，提高了聚合反應(yīng)速率，符合反應(yīng)速率與濃度的基本關(guān)系。綜合考慮酚醛樹脂含量對(duì)成膠時(shí)間、凍膠強(qiáng)度及成本的影響，可選擇酚醛樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.025～0.035之間[9]。

圖1 堿木素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)成膠時(shí)間和凍膠強(qiáng)度的影響

圖2 酚醛樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)成膠時(shí)間和凍膠強(qiáng)度的影響

圖3 pH值對(duì)成膠時(shí)間和凍膠強(qiáng)度的影響

3)pH值對(duì)體系成膠性能的影響 在200℃，ω(酚醛樹脂)=0.030，ω(堿木素)=0.10條件下，研究了pH值對(duì)堿木素-酚醛樹脂體系成膠性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可以看出：①當(dāng)pHlt;8.50時(shí)，由于酚醛樹脂不溶于水，體系不成膠；②隨著pH值的增加，成膠時(shí)間逐漸增加，凍膠強(qiáng)度先增大后減小，出現(xiàn)極大值。這是因?yàn)榉尤┚酆戏磻?yīng)中，酸性條件有利于線型聚合，堿性條件有利于體型聚合，堿性條件下，pH值的增大有利于體型聚合，所以凍膠強(qiáng)度逐漸增大[10]，但當(dāng)pHgt;9.75時(shí)，堿木素的活性基團(tuán)與堿發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，從而凍膠強(qiáng)度降低。堿性條件下，體型聚合速率快，因此，局部生成體型結(jié)構(gòu)的速度也快，但是整體形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)速度相對(duì)較慢，因此堿性條件下，體系需要的成膠時(shí)間逐漸增加。③綜合考慮成膠時(shí)間和凍膠強(qiáng)度2方面因素，可選擇該體系成膠的pH值范圍在9.50～10.00之間。

2.2堿木素-酚醛樹脂體系配方的優(yōu)化

在單因素研究的基礎(chǔ)上，以凍膠強(qiáng)度為指標(biāo)，通過L9(34)正交表(見表1)優(yōu)化了堿木素-酚醛樹脂體系配方。測(cè)得9種配方的凍膠強(qiáng)度并進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。由表2可以看出，堿木素-酚醛樹脂體系的最優(yōu)化配方為：ω(堿木素)=0.10，ω(酚醛樹脂)=0.035，最佳適用pH值為9.75，因子主次的先后順序?yàn)轶w系pH、酚醛樹脂含量、堿木素含量、礦化度，pH對(duì)堿木素-酚醛樹脂體系的影響最大，礦化度對(duì)體系的影響最小，可初步判斷堿木素凍膠耐鹽性能較好。

表1 堿木素高溫堵劑正交試驗(yàn)的因素與水平

2.3最優(yōu)配方性能評(píng)價(jià)

表2 以凍膠強(qiáng)度為主要考察指標(biāo)的正交試驗(yàn)

1)優(yōu)化配方成膠前的粘度 按優(yōu)化配方配置堿木素-酚醛樹脂體系，用NDJ-7型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得在25℃下的粘度為3.3mPa·s，該體系為分子分散的溶液體系，方便注入地層。

2)優(yōu)化配方的成膠時(shí)間和凍膠強(qiáng)度 按優(yōu)化配方配置堿木素-酚醛樹脂體系，測(cè)得該體系在200℃條件下的成膠時(shí)間為1.5h，凍膠強(qiáng)度(突破真空度)為0.092MPa，2個(gè)指標(biāo)均可滿足蒸汽調(diào)驅(qū)的要求。

3)抗鹽性能 研究了氯化鈉和氯化鈣含量對(duì)堿木素-酚醛樹脂體系成膠性能的影響[11],鹽含量的增加可縮短膠凝時(shí)間，降低凍膠強(qiáng)度；當(dāng)?shù)V化度低于一定值時(shí)，鹽含量對(duì)該體系的影響較低，說明該堵劑抗鹽性能好；體系可應(yīng)用于NaCl 濃度低于5×104mg/L、CaCl2濃度低于7.5×103mg/L的地層。

4)優(yōu)化配方的熱穩(wěn)定性 200℃條件下考察了堿木素-酚醛樹脂體系的熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明，堿木素-酚醛樹脂體系在200℃的高溫環(huán)境下，一個(gè)月內(nèi)未發(fā)生破膠現(xiàn)象，而且其強(qiáng)度損失為9.78%(低于10%)，表明該體系具有良好的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

①正交試驗(yàn)優(yōu)化了堿木素高溫堵劑配方，最優(yōu)化配方為：ω(堿木素)=0.10，ω(酚醛樹脂)=0.035，pH值為9.75。②堿木素高溫堵劑最優(yōu)配方的基液的初始粘度為3.3mPa·s，方便注入地層。③該配方成膠時(shí)間為1.5h，凍膠強(qiáng)度為0.092MPa，成膠時(shí)間短，凍膠強(qiáng)度大。④該堵劑在200℃的高溫環(huán)境中，一個(gè)月內(nèi)未發(fā)生破膠現(xiàn)象，熱穩(wěn)定性好。⑤該堵劑在NaCl含量為5×104mg/L、CaCl2含量為7.5×103mg/L時(shí)仍可形成強(qiáng)度較高的凍膠，其耐鹽性能好。

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[編輯] 洪云飛

10.3969/j.issn.1673-1409.2012.01.023

TE357

A

1673-1409(2012)01-N071-03