Cr3+與聚合物在巖心內(nèi)靜態(tài)成膠效果評價

孫鵬宵，徐國瑞，劉文輝，張云寶，薛寶慶，陳 欣

（1．中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津塘沽 300450；2．東北石油大學(xué)教育部油氣采收率重點實驗室，黑龍江大慶 163318）

Cr3+與聚合物在巖心內(nèi)靜態(tài)成膠效果評價

孫鵬宵1，徐國瑞1，劉文輝1，張云寶1，薛寶慶2，陳 欣2

（1．中海油田服務(wù)股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津塘沽 300450；2．東北石油大學(xué)教育部油氣采收率重點實驗室，黑龍江大慶 163318）

近年來，在SZ36-1和LD10-1油田開展了聚合物驅(qū)和聚合物凝膠調(diào)驅(qū)礦場試驗，取得了明顯增油降水效果，為海上油田提高采收率找到了一條有效途徑，但油藏中的各種復(fù)雜環(huán)境和條件可能會對其交聯(lián)反應(yīng)存在影響。通過理論分析和物理模擬實驗，開展了交聯(lián)劑Cr3+與聚合物在巖心內(nèi)靜態(tài)成膠效果評價實驗研究。結(jié)果表明，在靜態(tài)條件下，交聯(lián)劑Cr3+與聚合物分子間可以在巖心孔隙內(nèi)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，其成膠效果受到巖心滲透率及其類型（是否含膠結(jié)物）、巖心含油飽和度、黏土礦物類型和含量等因素的影響，其中滲透率影響程度較大；隨巖心滲透率增大即孔隙尺寸增大，巖心內(nèi)成膠效果變好；隨含油飽和度降低，巖心成膠效果變好；隨黏土含量增加，巖心內(nèi)成膠效果變差，而且在三種巖心黏土類型中，伊利石的影響最大，其次為高嶺石，再其次為蒙脫石；巖石顆粒膠結(jié)愈疏松，成膠效果愈好。這些研究成果對于國內(nèi)外油田利用弱凝膠進行深部調(diào)剖技術(shù)進一步提高開發(fā)效果具有指導(dǎo)作用。

交聯(lián)劑Cr3+；聚合物；交聯(lián)反應(yīng)；靜態(tài)成膠；物理模擬

近年來，聚合物凝膠在油田開發(fā)中被廣泛地接受和應(yīng)用，在近井地帶的調(diào)剖堵水，深部調(diào)剖和驅(qū)油等方面發(fā)揮著日漸重要的作用[1-5]。目前，在SZ36-1油田、LD5-2和LD10-1等海上油田，聚合物凝膠驅(qū)油技術(shù)提高了注入水的波及效率，改善了水驅(qū)效果，取得了明顯的增油降水效果[6-9]。以“分子間”交聯(lián)為主的凝膠具有分子聚集體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、黏度較高、分子線團尺寸較大等特點，在正常驅(qū)替壓力下難以進入巖心孔道。若在外力作用下進入孔隙，其分子結(jié)構(gòu)會被破壞，失去原有功能[10]。為了研究交聯(lián)反應(yīng)在巖心內(nèi)的反應(yīng)的規(guī)律，國內(nèi)外石油科技工作者在進行了大量的研究[11-14]。本文利用物理模擬方法，開展了在不同條件下Cr3+交聯(lián)劑和聚合物在巖心內(nèi)的靜態(tài)成膠實驗研究，并對其動態(tài)特征進行了分析，則獲得聚合物凝膠在近井地帶調(diào)剖堵水和深部調(diào)剖方面的新認(rèn)識，對油田開發(fā)具有重要意義。

1 實驗條件

1.1實驗材料

聚合物選用勝利油田生產(chǎn)速溶聚合物，有效含量為88%，分子量為1 000×104，濃度為2 000 mg/L，黏度為16.5 mPa·s，聚∶Cr3+=180∶1。交聯(lián)劑選用優(yōu)選有機鉻“交聯(lián)劑3”，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.7%。實驗用水為SZ36-1油田模擬注入水，其離子組成見表1。

實驗用巖心由不同粒度的石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)壓制而成，能夠真實地模擬孔隙結(jié)構(gòu)特征。實驗巖心實物照片見圖1，外觀幾何尺寸為：高×寬×長=4.5 cm×4.5 cm×30 cm，滲透率分別為500×10-3μm2、1 500×10-3μm2和5 000×10-3μm2[15]。

表1 溶劑水離子組成

圖1 巖心結(jié)構(gòu)實物圖

1.2實驗原理

如圖1所示，通過“注入端1”向巖心注入聚合物或聚合物凝膠1PV，然后關(guān)閉“注入端1”和“采出端1”閘門，見圖1a。將巖心放置在油藏溫度恒溫箱內(nèi)，當(dāng)達到預(yù)定時間后，在距原“注入端1”和“采出端1”端面3 cm處重新開孔并安裝閘門，見圖1b，形成“注入端2”和“采出端2”，以消除閘門至巖心端面空間內(nèi)滯留物對成膠效果評價結(jié)果帶來的影響。

實驗步驟：①巖心抽空飽和地層水，計算孔隙體積；②注模擬水，記錄壓力；③測試聚合物或聚合物凝膠黏度；④常溫下注調(diào)驅(qū)劑（保證交聯(lián)聚合物溶液進入巖心前未發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)），記錄壓力；⑤巖心在油藏溫度條件下放置一段時間；⑥油藏溫度下進行后續(xù)水驅(qū)，記錄壓力。

上述實驗注入速度為1 mL/min。在調(diào)驅(qū)劑注入前，根據(jù)現(xiàn)場聚合物配注系統(tǒng)對聚合物的剪切情況，對其實施預(yù)剪切，其黏度保留率為60%。

1.3方案設(shè)計

實驗方案見表2至表6。

表2 巖心滲透率對成膠效果的影響實驗方案

表3 含油飽和度對成膠效果的影響實驗方案

表4 黏土礦物含量對成膠效果的影響實驗方案

表5 黏土礦物類型對成膠效果的影響實驗方案

表6 巖心膠結(jié)類型對成膠效果的影響實驗方案

2 結(jié)果分析

2.1巖心滲透率對成膠效果的影響

2.1.1 壓力梯度比

在巖心滲透率不同條件下，調(diào)驅(qū)劑注入過程結(jié)束壓力梯度比和靜態(tài)成膠結(jié)束時壓力梯度比測試結(jié)果見表7。從表7可看出，對于未交聯(lián)聚合物溶液，隨巖心滲透率增加，注入階段壓力梯度比分別為41.1、21.8和13.3，呈逐漸減小趨勢。靜置成膠第三天后，隨滲透率增加，后續(xù)水驅(qū)壓力梯度比分別為474.5、1 060.6和5 185.2，呈逐漸增加趨勢，并且大于注入階段壓力梯度比。聚合物溶液與未交聯(lián)聚合物溶液的注入階段壓力梯度比分別為21.7和21.8，兩者幾乎相同，表明注入過程交聯(lián)聚合物溶液內(nèi)未發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。由此可見，在靜態(tài)條件下，交聯(lián)劑與聚合物分子可以在巖心孔隙內(nèi)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，并且滲透率愈高，孔隙空間尺寸愈大，成膠效果愈好。

2.1.2 動態(tài)特征

調(diào)驅(qū)劑注入壓力與PV數(shù)關(guān)系見圖2。從圖2可以看出，在巖心滲透率相同條件下，聚合物溶液和聚合物凝膠注入階段壓力幾乎相同。當(dāng)放置三天后進行水驅(qū)時，聚合物溶液注入壓力要明顯低于交聯(lián)聚合物溶液的值。進一步分析表明，巖心滲透率愈高，注入壓力升幅愈大，成膠強度愈高。

圖2 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系

2.2巖心含油飽和度的影響

2.2.1 壓力梯度比

在巖心含油飽和度不同條件下，調(diào)驅(qū)劑注入過程結(jié)束壓力梯度比和靜態(tài)成膠結(jié)束時壓力梯度比測試結(jié)果見表8。從表8可看出，巖心含油飽和度對交聯(lián)聚合物溶液成膠效果存在影響。在巖心含油飽和度相同條件下，靜置三天后交聯(lián)聚合物溶液的后續(xù)水驅(qū)壓力梯度比遠(yuǎn)大于聚合物溶液的值。隨巖心含油飽和度降低，后續(xù)水驅(qū)壓力梯度比增加。由此可見，在巖心含油條件下，交聯(lián)劑與聚合物分子間可以在多孔介質(zhì)內(nèi)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，但隨含油飽和度增加，成膠效果變差。

表7 巖心滲透率對成膠效果影響實驗數(shù)據(jù)

表8 含油飽和度對成膠效果影響實驗數(shù)據(jù)

2.2.2 動態(tài)特征

調(diào)驅(qū)劑注入壓力與PV數(shù)關(guān)系見圖3。從圖3可以看出，與聚合物溶液不同，水驅(qū)階段交聯(lián)聚合物溶液注入壓力大幅度升高。隨巖心含油飽和度減少，水驅(qū)壓力升幅增大，但幅度不大。由此可見，巖心含油飽和度會對交聯(lián)聚合物溶液在多孔介質(zhì)內(nèi)成膠效果產(chǎn)生影響，但影響程度不大。

圖3 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系

2.3巖心黏土含量的影響

2.3.1 壓力梯度比

在黏土含量不同條件下，調(diào)驅(qū)劑注入過程結(jié)束壓力梯度比和靜態(tài)成膠結(jié)束時壓力梯度比測試結(jié)果見表9。從表9可看出，黏土含量對聚合物凝膠成膠效果存在影響。對比方案3-1、方案3-2和方案3-3發(fā)現(xiàn)，盡管它們使用巖心滲透率相同，但由于黏土礦物含量不同，注入階段壓力梯度比隨黏土礦物增加呈現(xiàn)先增后降趨勢，但后續(xù)水驅(qū)壓力梯度比卻減小，表明巖心中的黏土礦物可以影響注入過程滲流阻力，但不利于后期聚合物分子與交聯(lián)劑間的交聯(lián)反應(yīng)。

2.3.2 動態(tài)特征

調(diào)驅(qū)劑注入壓力與PV數(shù)關(guān)系見圖4。從圖4可以看出，在后續(xù)水驅(qū)階段，隨巖心中黏土含量增加，注入壓力減小。由此可見，黏土?xí)酆衔锬z成膠效果帶來不利影響。進一步分析表明，與聚合物溶液不同，后續(xù)水驅(qū)階段聚合物凝膠注入壓力升高，表現(xiàn)出獨特的滲流特性。在注入階段，由于黏土顆粒與聚合物分子間發(fā)生交錯吸附，聚合物分子鏈上的黏土顆粒增加了大分子鏈卷曲空間位阻，促使分子鏈?zhǔn)嬲?，形成具有一定強度的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，致使注入壓力較高。但在后續(xù)水驅(qū)階段，由于黏土顆粒多帶負(fù)電，表面帶有負(fù)電荷的黏土顆粒通過吸附陽離子Cr3+中和其電性，減弱了交聯(lián)反應(yīng)，致使后續(xù)水驅(qū)壓力較低。

表9 黏土含量對成膠效果影響實驗數(shù)據(jù)

圖4 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系

2.4巖心含黏土類型的影響

2.4.1 壓力梯度比

在巖心中所含黏土類型不同條件下，調(diào)驅(qū)劑注入過程結(jié)束壓力梯度比和靜態(tài)成膠結(jié)束時壓力梯度比測試結(jié)果見表10。從表10可看出，巖心黏土類型對交聯(lián)聚合物溶液成膠效果存在影響。從壓力梯度比差異大小來看，伊利石的影響較大，其次為高嶺石，再其次為蒙脫石。

2.4.2 動態(tài)特征

調(diào)驅(qū)劑注入壓力與PV數(shù)關(guān)系見圖5。從圖5可以看出，在巖心滲透率（方案4-1和方案4-2）相近條件下，在水驅(qū)階段含蒙脫土巖心注入壓力要遠(yuǎn)高于伊利土巖心，表明伊利石對交聯(lián)聚合物溶液成膠效果影響程度較大。方案4-2與方案4-3相比較，前者巖心滲透率較高，孔隙空間尺寸較大，有利于聚合物分子與交聯(lián)劑間的交聯(lián)反應(yīng)，但二者后續(xù)水驅(qū)壓力梯度比幾乎相等，表明高嶺土對成膠效果影響程度較大。

圖5 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系

2.5巖心膠結(jié)類型的影響

2.5.1 壓力梯度比

在巖心膠結(jié)類型不同條件下，調(diào)驅(qū)劑注入過程結(jié)束壓力梯度比和靜態(tài)成膠結(jié)束時壓力梯度比測試結(jié)果見表11。從表11可看出，巖心膠結(jié)類型對交聯(lián)聚合物溶液成膠效果存在影響。方案5-1和方案5-2在調(diào)驅(qū)劑注入結(jié)束時壓力梯度比相近，但后者的后續(xù)水驅(qū)壓力梯度比大于前者，說明填砂管模型中孔隙尺寸較大，聚合物分子與交聯(lián)劑Cr3+間更易發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。

2.5.2 動態(tài)特征

調(diào)驅(qū)劑注入壓力與PV數(shù)關(guān)系見圖6。從圖6可以看出，與石英砂環(huán)氧樹脂膠結(jié)巖心相比較，填砂管模型中石英砂間無膠結(jié)物，顆粒間孔隙尺寸較大，交聯(lián)劑與聚合物分子間更易于接觸并發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)。

表10 黏土類型對成膠效果影響實驗數(shù)據(jù)

表11 巖心膠結(jié)類型對成膠效果影響實驗數(shù)據(jù)

圖6 注入壓力與PV數(shù)關(guān)系

3 結(jié)論

（1）在靜態(tài)條件（靜止?fàn)顟B(tài)，下同）下，巖心滲透率愈大，含油飽和度愈低，成膠效果愈好。

（2）在靜態(tài)條件下，巖心中黏土含量愈高，成膠效果愈差，其中伊利石的影響較大，其次為高嶺石，再其次為蒙脫石。

（3）在靜態(tài)條件下，巖石顆粒膠結(jié)愈疏松，成膠效果愈好。

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中緬管道向國內(nèi)供氣超過30×108m3

中石油西南管道公司生產(chǎn)調(diào)度室統(tǒng)計顯示，截至11月11日8時，中緬天然氣管道正式投產(chǎn)以來，累計向國內(nèi)輸送天然氣30.03×108m3。目前，來自緬甸的天然氣已覆蓋云南、貴州、廣西、重慶、四川的20多個地市，管道沿線越來越多用戶用上來自緬甸的“福氣”。

中緬天然氣管道起自緬甸西海岸皎漂，從云南瑞麗進入我國，終點為廣西貴港，全長1 726.8 km。2013年7月31日，來自境外的天然氣正式通過云南瑞麗站，8月3日云南瑞麗至祿豐段正式通氣投產(chǎn)，10月20日中緬天然氣管道干線正式全線投產(chǎn)，10月25日中緬天然氣管道通過中衛(wèi)至貴陽管線與西氣東輸二線聯(lián)網(wǎng)，并向川渝地區(qū)正式供氣。

中緬輸氣管道國內(nèi)段共有8條支線。2013年11月4日，玉溪支線投產(chǎn)成功，玉溪市成為第一個用上中緬管道天然氣的城市。同年11月9日，昆明支線分輸投產(chǎn)成功。今年5月17日，貴州都勻支線投產(chǎn)成功。7月6日，廣西欽州支線正式投產(chǎn)。

摘編自《中國能源報》2013年11月13日

Evaluation on the Static Gelling Effects of Cr3+and Polymer within Cores

SUN Pengxiao1, XU Guorui1, LIU Wenhui1, ZANG Yunbao1, XUE Baoqing2, CHEN Xin2
（1. Oilfield Production Department,China Oilfield Services Limited, Tanggu Tianjin300450,China; 2. Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of Ministry Education,Northeast Petroleum University,Daqing Heilongjiang163318,China）

In recent years, polymer flooding and polymer gel flooding field test have been carried out in SZ36-1 and LD10-1 oil field, with an obvious effect in increasing oil production and decreasing water production, finding an effective way to enhance oil recovery for offshore oil field. However, various complex environments and conditions in the reservoir may influence the crosslinking reaction. In this paper, experiment of the static gelling results of the crosslinking agent Cr3+and polymer within core has been carried out through theoretical analysis and physical simulation experiment. The study results indicated that under the condition of static, cross-linking reaction between crosslinking agent Cr3+and polymer molecules can occurs in the pores of core, and its gelling effect is influenced by core permeability and its type (whether including cement), core oil saturation, clay minerals type and content, and the influence degree of permeability is the largest. With the increase of core permeability, namely increasing in pore sizes, the gelling effect gets better in the core. With decreasing in oil saturation, the gelling effect gets better in the core. With increasing in clay content, the gelling effect gets worser in the core. Among the three core clay types, the effect of illite is biggest, followed by kaolinite, then followed by montmorillonite. The more loose of rock particles cemented, the better the gelling effect gets. These results have a guiding role for deep profile technology to improve development effect with weak gel in domestic and international oil fields.

crosslinking agent Cr3+; polymer; crosslinking reaction; static gel; physical simulation

TE357.46

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2014.04.053

1008-2336（2014）04-0053-06

國家油氣科技重大專項子課題“海上稠油保壓熱采技術(shù)示范”（項目編號2011ZX05057-005-003）。

2014-05-16；改回日期：2014-07-18

孫鵬霄，男，1972年生，主要從事油氣田開發(fā)生產(chǎn)工作，目前任職于中海石油東南亞公司。E-mail：Sun_Pengxiao@cnooc.com.cn。