聚合物凝膠在油田的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

王斌杰 張?jiān)茖? 王威

摘 ? ? ?要：聚合物凝膠是一種高效調(diào)剖化學(xué)劑，具有良好的調(diào)剖調(diào)驅(qū)效果。應(yīng)用聚合物凝膠能夠有效地封堵高滲層甚至高滲透條帶或大孔道，提高中低滲透層的動(dòng)用程度。但礦場(chǎng)試驗(yàn)也表明，聚合物凝膠在注入地下儲(chǔ)層的過(guò)程中，聚合物凝膠易堵塞井筒，且常會(huì)出現(xiàn)吸液剖面反轉(zhuǎn)及污染中低滲透層等現(xiàn)象，從而使得提高采收率效果有限。在實(shí)際礦場(chǎng)試驗(yàn)中，聚合物凝膠的成膠效果還受到儲(chǔ)層物性、聚合物及交聯(lián)劑濃度、化學(xué)劑類(lèi)型等因素影響，且針對(duì)實(shí)際需要一些聚合物凝膠還需要解堵。因此，基于聚合物凝膠在礦場(chǎng)上的實(shí)際調(diào)剖效果，歸納了聚合物凝膠的類(lèi)型及作用，分析了聚合物凝膠在非均質(zhì)儲(chǔ)層中調(diào)剖調(diào)驅(qū)機(jī)理，針對(duì)聚合物凝膠在礦場(chǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出聚合物凝膠在油田應(yīng)用的發(fā)展前景，為油田開(kāi)發(fā)提供參考性意見(jiàn)。

關(guān) ?鍵 ?詞：聚合物凝膠;調(diào)剖調(diào)驅(qū);非均質(zhì)儲(chǔ)層;應(yīng)用現(xiàn)狀;提高采收率

中圖分類(lèi)號(hào)：TE39 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? 文章編號(hào)： 1671-0460（2020）10-2286-04

Abstract： Polymer gel is an efficient chemical profile control agent with good profile control and oil displacement effect. The application of polymer gel can effectively block high permeability layers or even high permeability zones or large pore channels， thereby increasing the utilization degree of low and middle permeability layers. However， the field test also shows that polymer gel can easily plug the wellbore during the injection process， and the phenomenon of suction profile inversion and pollution of medium-low permeability layer often occurs， so that the effect of enhanced recovery is limited. In actual field tests， the gelation effect of polymer gel is also affected by formation salinity， polymer concentration and crosslinking agent concentration， reservoir temperature and chemical reagent types. In this paper， based on the actual profile control effect of polymer gel in the field， the types and functions of the polymer gel were summarized， and the mechanism of profile control and displacement in the heterogeneous reservoirs was analyzed. At last， according to the application status of the polymer gel in the oil field， the development prospect of the polymer gel was discussed.

Key words： Polymer gel; Profile control and oil displacement; Heterogeneous reservoir; Application status; Enhanced oil recovery

隨著原油需求量的日益增加，如何高效地開(kāi)發(fā)油藏成為石油科技工作者關(guān)心的問(wèn)題[1]。在油藏開(kāi)發(fā)初期，水驅(qū)開(kāi)發(fā)方式因其成本低、流程簡(jiǎn)便而被廣泛應(yīng)用 [2-3]。隨著水驅(qū)開(kāi)發(fā)進(jìn)行，高滲層將出現(xiàn)優(yōu)勢(shì)通道，與陸上油田相比，海上油田埋藏深度淺、砂礫膠結(jié)疏松，更容易出現(xiàn)大孔道或高滲透條帶，儲(chǔ)層非均質(zhì)性更為嚴(yán)重，此時(shí)水驅(qū)開(kāi)發(fā)不能滿(mǎn)足礦場(chǎng)實(shí)際需要，剩余油難以被開(kāi)采出來(lái)[4-5]。聚合物及聚合物凝膠以其成本低廉受到石油科技工作者的關(guān)注[6]。聚丙烯酰胺聚合物在油田開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，到20世紀(jì)90年代聚合物在我國(guó)被廣泛應(yīng)用于各大油田[7]，聚合物凝膠是將聚丙烯酰胺溶液中加入一定量的交聯(lián)劑，形成一種聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)80 年代，Smith等通過(guò)部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）與檸檬酸鋁反應(yīng)得到了聚合物凝膠 [8]。聚合物凝膠作為高分子交聯(lián)體系以其致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)高滲層的封堵，從而改善儲(chǔ)層物性，提高中低滲透層的動(dòng)用程度，進(jìn)而提高原油采收率[9-10]。筆者針對(duì)油田開(kāi)發(fā)中聚合物凝膠的應(yīng)用現(xiàn)狀，歸納了聚合物凝膠的理化性質(zhì)、類(lèi)型以及評(píng)價(jià)方法，研究了聚合物凝膠的調(diào)剖機(jī)理，對(duì)聚合物凝膠體系的應(yīng)用及與其他調(diào)驅(qū)體系復(fù)合使用進(jìn)行了機(jī)理分析，同時(shí)也指出聚合物凝膠在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的不足，并對(duì)聚合物凝膠發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，為油田開(kāi)發(fā)提供參考性建議。

1 ?聚合物凝膠的性質(zhì)

1.1 ?聚合物凝膠的種類(lèi)

聚丙烯酰胺類(lèi)聚合物凝膠體系主要分為單體凝膠、聚合物凝膠和預(yù)交聯(lián)凝膠3種;按照交聯(lián)劑分類(lèi)，聚丙烯酰胺凝膠體系可分為金屬交聯(lián)體系和有機(jī)交聯(lián)體系[11]。其中金屬交聯(lián)聚丙烯酰胺凝膠主要是根據(jù)部分水解的聚丙烯酰胺在水溶液中帶負(fù)電荷，加入鋁離子、鉻離子等高價(jià)陽(yáng)離子作用于羧基集團(tuán)發(fā)生交聯(lián)進(jìn)而使得聚丙烯酰胺形成網(wǎng)狀結(jié) ? 構(gòu)[12-13]。交聯(lián)劑的濃度與聚丙烯酰胺的濃度決定著反應(yīng)速率及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的變化，常見(jiàn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以分子間交聯(lián)和分子內(nèi)交聯(lián)為主，此外在儲(chǔ)層中聚合物凝膠的成膠效果也受到儲(chǔ)層物性的影響，分子內(nèi)交聯(lián)體系易出現(xiàn)在低滲透率巖心內(nèi)，分子間交聯(lián)體系則易出現(xiàn)在高滲透率巖心內(nèi)[14-15]。對(duì)于有機(jī)交聯(lián)體系來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的是酚醛型聚丙烯酰胺凝膠體系，酚醛型聚丙烯酰胺凝膠體系具有良好的耐溫特性[16]。

1.2 ?聚合物凝膠的評(píng)價(jià)手段

1.2.1 ?紅外光譜儀表征

應(yīng)用紅外光譜儀評(píng)價(jià)手段主要是通過(guò)官能團(tuán)變化來(lái)進(jìn)行紅外光譜對(duì)比，判斷聚合物凝膠是否成功制備出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。常用紅外光譜分析需要經(jīng)過(guò)提純、沉淀、分離、干燥等步驟再進(jìn)行測(cè)試[17]。

1.2.2 ?掃描電鏡表征

掃描電鏡[18]是一種能夠直觀觀測(cè)聚丙烯酰胺凝膠外貌特征的微尺度評(píng)價(jià)手段，掃描電鏡具備放大倍數(shù)高、視野廣、成像清晰、形貌立體、制備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。因此，掃描電鏡對(duì)聚合物凝膠的評(píng)價(jià)具有重要意義。

1.3 ?聚合物凝膠的理化性質(zhì)評(píng)價(jià)

在礦場(chǎng)實(shí)際條件下，聚合物凝膠會(huì)受到多種因素的限制，如儲(chǔ)層礦化度、溫度、聚合物及交聯(lián)劑濃度甚至礦場(chǎng)設(shè)備等多種因素的影響[19]。因此，研究聚合物凝膠的理化性質(zhì)具有重要意義。

1.3.1 ?黏度

聚合物凝膠的黏度是評(píng)價(jià)其成膠強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。在油藏溫度下，聚合物凝膠黏度越高，成膠能力越強(qiáng)，封堵效果越好。

1.3.2 ?抗鹽性能

地層水中包含多種無(wú)機(jī)鹽成分，不同條件的儲(chǔ)層具有不同的礦化度，鹽類(lèi)的濃度及種類(lèi)會(huì)對(duì)聚合物凝膠的特性造成影響，一般情況下，礦化度越高，陽(yáng)離子越易使聚合物表面電勢(shì)下降，使得聚合物分子越容易出現(xiàn)卷曲和收縮現(xiàn)象[20]，容易出現(xiàn)分子內(nèi)交聯(lián)構(gòu)型，此外二價(jià)陽(yáng)離子與一價(jià)陽(yáng)離子對(duì)聚合物凝膠也存在不同程度的影響，由于二價(jià)陽(yáng)離子在相同濃度條件下攜帶電荷量更多，使得聚合物分子卷曲和收縮現(xiàn)象發(fā)生的更嚴(yán)重[21]，形成分子內(nèi)交聯(lián)的可能性更大。

1.3.3 ?抗溫性能

按照儲(chǔ)層溫度劃分油藏可分為低溫油藏、中溫油藏、高溫油藏[22]。油藏溫度越高，聚合物凝膠越易降解失效。與金屬交聯(lián)體系相比，酚醛型聚丙烯酰胺凝膠體系抗溫效果較好。

1.3.4 ?抗剪切性能

聚合物凝膠在注入地層的過(guò)程中，會(huì)在注入設(shè)備處和多孔介質(zhì)中發(fā)生剪切，在剪切作用下會(huì)使得聚合物凝膠發(fā)生降解，因此礦場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要注意聚合物凝膠的抗剪切性能，使凝膠具備“注得進(jìn)，堵得住”的效果[23]。

1.3.5 ?突破壓力

突破壓力是評(píng)價(jià)聚合物凝膠的重要指標(biāo)，尤其是針對(duì)弱凝膠而言，突破壓力的測(cè)試影響著工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)。突破壓力是體現(xiàn)聚合物凝膠在多孔介質(zhì)中的封堵的強(qiáng)度。弱凝膠強(qiáng)度越大，注入壓力越大，當(dāng)壓力超過(guò)一定值時(shí)，弱凝膠被驅(qū)動(dòng)，此時(shí)的壓力被認(rèn)為是突破壓力[24]。

2 ?聚合物凝膠調(diào)剖調(diào)驅(qū)機(jī)理分析

對(duì)于非均質(zhì)性較強(qiáng)的儲(chǔ)層來(lái)說(shuō)，應(yīng)用聚合物凝膠的調(diào)剖調(diào)驅(qū)是改善儲(chǔ)層物性的重要手段，聚合物凝膠依據(jù)其強(qiáng)度分為強(qiáng)凝膠和弱凝膠，強(qiáng)凝膠主要用于調(diào)剖，弱凝膠可用于調(diào)驅(qū)。在礦場(chǎng)試驗(yàn)中，單獨(dú)使用聚合物凝膠較少，石油科技工作者常常將聚合物凝膠與其他調(diào)驅(qū)劑、表面活性劑等復(fù)合使用，以達(dá)到較好的驅(qū)油效果。

2.1 ?聚合物凝膠的調(diào)剖調(diào)驅(qū)機(jī)理

對(duì)于調(diào)剖用的聚合物凝膠，其主要作用是對(duì)高滲層或高滲透條帶進(jìn)行封堵，后續(xù)水驅(qū)注入壓力升高，中低滲透層吸液壓差增大，中低滲透層動(dòng)用能力增強(qiáng)，從而提高原油采收率[25]。與強(qiáng)凝膠相比，弱凝膠還具備調(diào)驅(qū)的效果，使得凝膠可以向深部運(yùn)移，加強(qiáng)其增油降水效果。

2.2 ?聚合物凝膠與其他化學(xué)劑復(fù)合體系

在實(shí)際油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中，聚合物凝膠基本上不單獨(dú)使用，聚合物凝膠常常需要與其他調(diào)驅(qū)體系、表面活性劑復(fù)合使用，使得在調(diào)剖調(diào)驅(qū)過(guò)程中發(fā)揮各自的功效。

2.2.1 ?聚合物凝膠與聚丙烯酰胺復(fù)合體系

聚丙烯酰胺是良好的驅(qū)油劑，能夠充分發(fā)揮其黏彈性進(jìn)行驅(qū)油，而且聚丙烯酰胺經(jīng)濟(jì)環(huán)保，對(duì)環(huán)境污染小，驅(qū)油效率高。

2.2.2 ?聚合物凝膠與表面活性劑復(fù)合體系

表面活性劑是一種高界面活性化學(xué)劑，具有降低黏度和降低界面張力的性質(zhì)[26]，聚合物凝膠與表面活性劑復(fù)合，在二者協(xié)同效應(yīng)下，不僅能夠發(fā)揮聚合物凝膠調(diào)剖調(diào)驅(qū)的優(yōu)勢(shì)，也能使表面活性劑表現(xiàn)出降低界面張力的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮“驅(qū)油”和“洗油”的效果，從而大幅提高原油采收率[27]。

2.2.3 ?聚合物凝膠與轉(zhuǎn)向劑復(fù)合體系

聚合物凝膠能夠有效地對(duì)高滲層或高滲透條帶進(jìn)行封堵，但封堵區(qū)域常處于近井地帶，難以運(yùn)移到儲(chǔ)層深部，由于水在中低滲透層驅(qū)替壓力較大，在高滲層驅(qū)替壓力較小，后續(xù)水驅(qū)過(guò)程中，水在巖心深部會(huì)從中低滲透層轉(zhuǎn)向高滲層，這就是所謂的“剖面反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，從而使得中低滲透層動(dòng)用程度有限[28]。實(shí)際礦場(chǎng)應(yīng)用中，聚合物凝膠會(huì)結(jié)合無(wú)機(jī)凝膠涂層、凍膠分散體、聚合物微球分散調(diào)驅(qū)體系、表面活性劑等復(fù)合使用，使得聚合物凝膠與其他調(diào)驅(qū)體系發(fā)揮協(xié)同作用，精細(xì)分級(jí)調(diào)剖調(diào)驅(qū)，形成“堵、調(diào)、驅(qū)”一體化[29]，有效地提高原油采收率，高效合理地開(kāi)發(fā)油藏。

3 ?聚合物凝膠的缺陷及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 ?聚合物凝膠的不足

聚合物凝膠在礦場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，聚合物凝膠會(huì)出現(xiàn)成膠速度過(guò)快導(dǎo)致在井筒內(nèi)成膠進(jìn)而堵塞井筒的現(xiàn)象，而且聚合物凝膠成膠過(guò)程常發(fā)生在近井地帶，難以實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)，從而在地層中會(huì)出現(xiàn)吸液剖面反轉(zhuǎn)現(xiàn)象[30]，導(dǎo)致提高采收率幅度有限。因此，在相同封堵強(qiáng)度下如何實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)是礦場(chǎng)亟待解決的問(wèn)題。此外，聚合物凝膠注入過(guò)程中注入壓力較大，會(huì)使中低滲透層發(fā)生污染，當(dāng)中低滲透層吸入聚合物凝膠后，中低滲透層的啟動(dòng)壓力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高滲透層的啟動(dòng)壓力，從而導(dǎo)致中低滲透層的油難以采出。

3.2 ?聚合物凝膠的發(fā)展趨勢(shì)

為解決聚合物凝膠實(shí)現(xiàn)調(diào)驅(qū)的問(wèn)題，石油科技工作者主要從以下方面著手解決：