超低溫油藏深部調(diào)驅(qū)堵劑配方研制及性能評(píng)價(jià)

石祺瑤，陳明貴，許康寧，嚴(yán) 亮，李 佳

（1.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.油氣鉆采工程 湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；3.華北石油管理局有限公司 蘇里格勘探開發(fā)分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

目前，我國大部分油田都使用注水開發(fā)的方式[1]。由于地質(zhì)非均質(zhì)性，注水開發(fā)方式會(huì)導(dǎo)致油田含水率急速上升且產(chǎn)量下降等問題。針對(duì)這些問題，調(diào)剖堵水技術(shù)是有效技術(shù)之一。1950年起，我國開始研究調(diào)剖堵水技術(shù)，開發(fā)了近百種調(diào)剖劑，其中使用最廣泛的是聚合物凝膠類的堵劑[2]。油田常用堵劑的適用溫度在60～120℃，用于40℃以下的堵劑種類很少。但是我國低溫油藏分布較廣，油田對(duì)低于40℃的超低溫調(diào)剖劑需求量很大。

在低溫條件下，聚合物和交聯(lián)劑反應(yīng)較慢，導(dǎo)致成膠時(shí)間長。在地層中，由于地下多孔介質(zhì)滲流時(shí)聚合物的吸附滯留和交聯(lián)劑的色譜分離等影響，聚合物成膠過慢或者不成膠的現(xiàn)象更加明顯。因此，低溫油藏調(diào)剖堵水作業(yè)成為了一個(gè)技術(shù)難題。為了加快成膠時(shí)間，實(shí)地應(yīng)用時(shí)往往會(huì)提高聚合物和交聯(lián)劑的濃度，這不僅增加了堵水的成本，而且還增加了現(xiàn)場(chǎng)配液和注入的難度[3,4]。在常用體系中，酚醛樹脂凍膠在低溫油藏下，存在交聯(lián)劑反應(yīng)緩慢，成膠時(shí)間長的問題[5-10]。在低溫條件下成膠效果較好的鋯凍膠體系，又存在成膠時(shí)間過快的問題[11]。

本文通過控制聚合物和交聯(lián)劑的配置比例對(duì)堵劑成膠的影響，優(yōu)選了一種適用的20℃超低溫條件下的鉻交聯(lián)凝膠體系，并評(píng)價(jià)了該凝膠體系的注入性能和封堵性能。后續(xù)利用二維物理模擬實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了注入方式，通過優(yōu)勢(shì)滲流通道篩選，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

線性聚合物3640C（分子量1.2×107，固含量91%（w），水解度30%，愛森（中國）絮凝劑有限公司）；梳形聚合物KYPAM（分子量1.62×107，固含量88.65%（w），水解度25.7%，疏水基含量為0.2%（w），北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司）；乙酸鉻（Cr（Ac）3阿拉丁生化科技股份有限公司）；乙酸鈉（NaAc福晨（天津）化學(xué)試劑有限公司）；烏洛托品（C6H12N4）、間苯二酚（C6H6O2）、氯化銨（NH4Cl）、甲醛（HCHO）、碳酸氫鈉（NaHCO3），以上均為化學(xué)純，天津市博迪化工有限公司）；石英砂（70～120目 南陽恒盛石英砂濾料有限公司）；實(shí)驗(yàn)用的模擬油是原油與煤油按照一定比例配制，45℃下黏度為6.5mPa·s。配置水及注入水為新疆油田模擬地層水，離子含量見表1。

表1 模擬地層水的離子含量Tab.1 Simulates the ion content of formation water

數(shù)顯機(jī)械攪拌器（上海申勝生物技術(shù)有限公司）；HJ-6型磁力加熱攪拌器（常州金壇良友儀器有限公司）；循環(huán)水式真空泵（合肥予華儀器有限公司）；Brookfield DV-Ⅲ型黏度計(jì)（美國BROOKFIELD公司）；CH1006型恒溫水浴鍋（上海方瑞儀器有限公司）；恒溫箱、驅(qū)替物理模型，江蘇海安石油科研儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 低溫調(diào)剖劑優(yōu)選 采用單因素變化法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法，優(yōu)選了適用于20℃低溫凝膠體系。調(diào)剖劑溶液均用礦化度為28256.1mg·L-1的新疆油田模擬地層水配置。實(shí)驗(yàn)成膠溫度20℃，凝膠黏度用Brookfield DV-Ⅲ型黏度計(jì)在室溫、6r·min-1下測(cè)定，剪切速率為0.28s-1。該黏度計(jì)最大量程為20000mPa·s，當(dāng)超出最大量程時(shí)，記為＞10000mPa·s。記錄其在20℃時(shí)的黏度變化,并繪制了凝膠黏度隨老化時(shí)間的變化圖,得到其成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度。

1.2.2 物理模擬實(shí)驗(yàn)

（1）注入性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn) 采用巖心實(shí)驗(yàn)，在20℃條件下，考察不同滲透率條件下凝膠的注入性能。將巖心抽真空后飽和模擬水，再注入凝膠，記錄壓力。

（2）封堵性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及注入量優(yōu)化 采用單管填砂管實(shí)驗(yàn)，在20℃條件下，用70～120目的石英砂填充填砂管，構(gòu)建一維填砂管模型，飽和模擬水并且測(cè)定滲透率kw0，之后向內(nèi)注入不同量的凝膠，老化一段時(shí)間后測(cè)定滲透率kw1，通過公式（1），計(jì)算凝膠的封堵率（Fs）。并且計(jì)算不同PV數(shù)下的采收率。

式中Fs：比例系數(shù)，封堵率，%；kw0：聚合物溶液通過多孔介質(zhì)之前的水相滲透率，mD；kw1：聚合物溶液通過多孔介質(zhì)之后的水相滲透率，mD。

（3）不同注入方式的調(diào)驅(qū)效果 采用大型平板實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M地下非均質(zhì)性，在20℃條件下，評(píng)價(jià)3種注入方式：弱中強(qiáng)凝膠逐級(jí)注入、凝膠-聚合物交替注入、凝膠-表面活性劑交替注入。在搭建的大型平板模型中注入調(diào)剖劑，室溫放置4d，后續(xù)水驅(qū)10PV。整個(gè)過程中每隔0.05PV采集一個(gè)采出液。記錄一個(gè)壓力點(diǎn),得到注入PV數(shù)、采收率和注入壓力的關(guān)系。平板模型模擬地層示意圖見圖1。

圖1 平板模型裂縫尺寸示意圖Fig.1 Schematic diagram of crack size of flat plate model

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫調(diào)剖劑優(yōu)選

本文研究了4種部分水解聚丙烯酰胺為主劑的20℃低溫凝膠體系，包括：KYPAM-酚醛有機(jī)凝膠體系、KYPAM-酚醛-有機(jī)鉻二次交聯(lián)凝膠體系、KYPAM-有機(jī)鉻交聯(lián)體系、3640C-有機(jī)鉻交聯(lián)體系。

2.1.1 KYPAM-酚醛有機(jī)凝膠體系

配方A 0.08（wt）%KYPAM+1.0（wt）%烏洛托品+0.08（wt）%間苯二酚；

配方B 0.12（wt）%KYPAM+1.0（wt）%烏洛托品+0.08（wt）%間苯二酚；

配方C 0.15（wt）%KYPAM+0.5（wt）%烏洛托品+0.04（wt）%間苯二酚；

配方D 0.20（wt）%KYPAM+0.5（wt）%烏洛托品+0.04（wt）%間苯二酚；

配方E 0.30（wt）%KYPAM+0.5（wt）%甲醛+0.04（wt）%間苯二酚。

由圖2可以看出，調(diào)整聚合物和交聯(lián)劑比例，KYPAM-酚醛有機(jī)凝膠的黏度幾乎沒有增長，成膠速度慢，強(qiáng)度低，基本不能成膠。將交聯(lián)劑替換成甲醛，促凝劑換成NaHCO3后，酚醛凝膠依舊無法有效成膠。其主要原因是酚類交聯(lián)劑與KYPAM是一種共價(jià)鍵交聯(lián)反應(yīng)，需要很高的化學(xué)反應(yīng)活化能。在低于40℃的條件下，酚醛交聯(lián)劑與KYPAM交聯(lián)反應(yīng)緩慢，很難成膠甚至不能成膠。加入的促凝劑2不合適當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件，導(dǎo)致酚醛交聯(lián)劑發(fā)生了樹脂化自聚反應(yīng)，形成凝膠的強(qiáng)度很低。

圖2 KYPAM-酚醛有機(jī)凝膠體系粘度變化Fig.2 Viscosity change of KYPAM-phenolic organic gel system

2.1.2 KYPAM-酚醛-有機(jī)鉻二次交聯(lián)凝膠體系 在KYPAM-酚醛有機(jī)凝膠體系中加入等量的有機(jī)鉻，組成4個(gè)體系a～d：

體系a 0.08（wt）%KYPAM+1.0（wt）%烏洛托品+0.08（wt）%間苯二酚+0.001（wt）% Cr（Ac）3；

體系b 0.12（wt）%KYPAM+1.0（wt）%烏洛托品+0.08（wt）%間苯二酚+0.001（wt）% Cr（Ac）3；

體系c 0.15（wt）%KYPAM+0.5（wt）%烏洛托品+0.04（wt）%間苯二酚+0.001（wt）%Cr（Ac）3；

體系d 0.20（wt）%KYPAM+0.5（wt）%烏洛托品+0.04（wt）%間苯二酚+0.001（wt）% Cr（Ac）3），結(jié)果見圖3。

圖3 HPAM酚醛-有機(jī)鉻二次交聯(lián)凝膠體系黏度變化Fig.3 Viscosity change of HPAM phenolic-organic chromium secondary crosslinking gel system

由圖3可見，加入有機(jī)鉻依舊不能使酚醛凝膠有效成膠，僅讓凝膠的黏度有微小的增長，凝膠強(qiáng)度也基本沒變。說明加入有機(jī)鉻不能與酚醛體系凝膠發(fā)生二次交聯(lián)反應(yīng)。

2.1.3 KYPAM-有機(jī)鉻交聯(lián)凝膠體系 固定KYPAM用量為2000mg·L-1，改變KYPAM與有機(jī)鉻的摩爾比。該凝膠交聯(lián)體系成膠情況見表2。

表2 KYPAM與交聯(lián)劑有機(jī)鉻摩爾比對(duì)凝膠形成的影響Tab.2 Effect of KYPAM and crosslinker organic chromium molar ratio on gel formation

有機(jī)鉻交聯(lián)KYPAM溶液的速度比較快，在較高濃度的KYPAM的情況下，與Cr（Ac）3能夠很快反應(yīng)。在本實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)KYPAM與Cr（Ac）3比例為4∶1時(shí)，成膠速度比較適宜。

有機(jī)鉻與NaAc反應(yīng)可以形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，在有機(jī)鉻中加入NaAc可以調(diào)節(jié)KYPAM溶液形成凝膠的速度提高凝膠的穩(wěn)定性。選取不同濃度的KYPAM與Cr（Ac）3的比例為4∶1時(shí)，加入0.1（wt）%的NaAc，考察該凝膠體系的成膠情況，結(jié)果見圖4。

圖4 不同濃度KYPAM與有機(jī)鉻摩爾比4∶1時(shí)交聯(lián)體系黏度變化Fig.4 Viscosity change of crosslinking system at molar ratio of KYPAM and organic chromium at different concentrations at 4∶1

由圖4可見，穩(wěn)定的聚合物鉻凝膠是通過鉻的多核羥橋絡(luò)離子交聯(lián)的，當(dāng)KYPAM為0.15（wt）%時(shí)，有機(jī)鉻的用量和乙酸鉻用量的摩爾比為1∶3時(shí)，凝膠可以有效成膠。當(dāng)KYPAM用量減少，NaAc和有機(jī)鉻的摩爾比變大，過量的Ac-不能被反應(yīng)完全，形成了緩凝的作用。使凝膠成膠時(shí)間延長，不能有效成膠。

2.1.4 3640C-有機(jī)鉻交聯(lián)凝膠體系 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)鉻為交聯(lián)劑時(shí)更適用于低溫條件。但凝膠強(qiáng)度較低，提高主劑濃度，最終強(qiáng)度也僅達(dá)到D級(jí)。把主劑梳形聚合物KYPAM替換成線性3640C，考察不同主劑濃度與有機(jī)鉻不同摩爾比的成膠情況和成膠強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

表3 不同3640C聚合物濃度與交聯(lián)劑有機(jī)鉻不同摩爾比凝膠體系黏度Tab.3 Different 3640C polymer concentrations and crosslinker organic chromium different molar specific gel system viscosity

從表3可見，選取3640C為主劑時(shí)，凝膠成膠強(qiáng)度更高。無論主劑濃度高低，成膠強(qiáng)度都可以達(dá)到D級(jí)以上，且凝膠穩(wěn)定性更好，說明線性結(jié)構(gòu)的聚合物和鉻發(fā)生的多核羥橋絡(luò)離子交聯(lián)更穩(wěn)定。當(dāng)聚合物3640C和交聯(lián)劑Cr（Ac）3聚交比為4∶1時(shí)，成膠時(shí)間為24h，成膠速度很快。而聚交比5∶1和6∶1時(shí)，隨著聚合物濃度的增加，成膠時(shí)間都在2～3d，說明可以通過調(diào)整聚交比調(diào)節(jié)成膠時(shí)間。在目標(biāo)油藏條件下，最優(yōu)調(diào)剖主劑為3640C聚合物，交聯(lián)劑為有機(jī)鉻，最優(yōu)聚交比5∶1。在以下物理模擬實(shí)驗(yàn)中，聚交比均選為5∶1。

2.2 物理模擬實(shí)驗(yàn)

2.2.1 注入性能評(píng)價(jià)

圖5為調(diào)剖體系在不同滲透率巖心中注入壓力的變化。

圖5 調(diào)剖體系在不同滲透率巖心中注入壓力的變化Fig.5 Changes in injection pressure by the profiling system in cores of different permeability rates

由圖5可知，在不同滲透率的巖心中，該凝膠均有良好的注入性，注入突破壓力隨巖心滲透率的增加而減小，符合深部調(diào)剖的要求。但注入能力有差別，注入壓差不同。在低滲透率的巖心中，注入壓力較高，且后續(xù)壓力上升較快，且未見注入壓力有達(dá)到平衡的趨勢(shì)。當(dāng)巖心滲透率較高時(shí)，注入壓力較低，注入壓力達(dá)到平衡的時(shí)間較短，再注入1.6個(gè)PV時(shí)，注入壓力趨于平衡，注入性和流動(dòng)性較好。說明在相同的注入壓力下，該調(diào)剖體系會(huì)先進(jìn)入高滲地帶。

2.2.2 封堵性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)及最佳注入量優(yōu)化 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 填砂管實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.4 Basic data of sand filling pipe experiments

由表4可以看到，0.1（wt）%3640C聚合物+0.02（wt）% Cr（Ac）3的調(diào)剖體系粘度適中，在老化3d后成膠，具有良好的封堵性能，封堵率可以達(dá)到98%以上。

由圖6可見，當(dāng)凝膠注入量為0.20PV時(shí)，凝膠可以放置在油藏中部，對(duì)末端調(diào)驅(qū)效果較好，采收率增幅最大。當(dāng)凝膠注入量為0.1PV封堵在巖心入口段，后續(xù)水驅(qū)不能波及到末端1/3處的殘余油，采收率較差。優(yōu)化得到該凝膠的封堵性在99%，注入量為0.20PV時(shí)采收率增幅最大。

圖6 填砂管實(shí)驗(yàn)結(jié)果（注入方向：從左到右）Fig.6 Results of the sand filling tube experiment（Injection direction:from left to right）

2.2.3 不同注入方式調(diào)驅(qū)效果 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3種注入方式，分別為弱中強(qiáng)凝膠交替注入：（1）弱凝膠段塞0.1PV（0.1（wt）% 3640C聚 合 物+0.02（wt）%Cr（Ac）3）；（2）中強(qiáng)凝膠段塞0.05PV（0.2（wt）%3640C聚 合 物+0.04（wt）% Cr（Ac）3）；（3）強(qiáng) 凝 膠段 塞0.05PV（0.3（wt）% 3640C聚 合 物+0.06（wt）% Cr（Ac）3）。

凝膠-聚合物交替注入 凝膠段塞0.05PV（0.3（wt）% 3640C聚 合 物+0.06（wt）% Cr（Ac）3），0.1（wt）%3640C聚合物驅(qū)0.3PV；

凝膠-表面活性劑交替注入 凝膠段塞0.2PV（0.1（wt）% 3640C聚 合 物+0.02（wt）% Cr（Ac）3），低張力表面活性劑降壓增注段塞0.25PV（0.3（wt）%KPS+0.15（wt）%OP-10平衡界面張力1.2×10-2mN·m-1）。

3組平板實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見表5。

表5 平板實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Tab.5 Basic data of plate experiments

使用弱中強(qiáng)凝膠交替注入的注入方式時(shí)，調(diào)驅(qū)劑增油2.7%，后續(xù)水驅(qū)增油8.68%，累計(jì)增油11.38%；使用凝膠-聚合物交替注入的注入方式時(shí)，調(diào)驅(qū)劑增油6.23%，后續(xù)水驅(qū)增油9.81%，累計(jì)增油16.04%；使用凝膠-表面活性劑交替注入的注入方式時(shí)，調(diào)驅(qū)劑增油16.5%，后續(xù)水驅(qū)增油8.2%，累計(jì)增油24.7%。

圖7為不同注入方式調(diào)剖體系與調(diào)驅(qū)效果。

由圖7可見，當(dāng)逐級(jí)注入凝膠后，后續(xù)水驅(qū)注入壓差一直上升，說明凝膠被放置在注入井近井地帶，后續(xù)水流不能轉(zhuǎn)向中低滲層等未波及到的區(qū)域，低滲層動(dòng)用差。當(dāng)使用凝膠-聚合物的注入方式時(shí)，注入凝膠和聚合物優(yōu)先進(jìn)入高滲部位，并且老化后可以封堵在高滲層，后續(xù)水驅(qū)時(shí)注入壓差升高，使得后續(xù)水流轉(zhuǎn)向中低滲層未波及的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)注入水轉(zhuǎn)向，提高低滲層的采收率，調(diào)驅(qū)效果較好。當(dāng)使用凝膠-表面活性劑的注入方式時(shí)，可以看到與圖a單獨(dú)注入弱中強(qiáng)凝膠時(shí)相比，表面活性劑的注入降低了后續(xù)水驅(qū)的壓力，使后續(xù)水驅(qū)壓差穩(wěn)定在0.45MPa左右，改善了調(diào)剖劑注入后后續(xù)水驅(qū)的注入性，可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)水流的轉(zhuǎn)向，啟動(dòng)中低滲部位，驅(qū)替出中低滲剩余油。采出程度比單獨(dú)注入凝膠時(shí)的采收率提高了13.02%。

圖7 不同注入方式調(diào)剖體系調(diào)驅(qū)效果Fig.7 Modulation effect of different injection methods

3 結(jié)論

以3640C作為主劑，Cr（Ac）3作為交聯(lián)劑，制備的3640C-有機(jī)鉻弱凝膠。該凝膠在低溫20℃條件下，可以有效成膠，且通過調(diào)整聚交比可以調(diào)節(jié)成膠時(shí)間。該凝膠具有強(qiáng)度低，穩(wěn)定性良好的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)聚交比為5∶1時(shí)，通過小巖心封堵實(shí)驗(yàn)測(cè)得凝膠的封堵率大于99%，封堵性能優(yōu)異。當(dāng)注入量為0.2PV時(shí)，凝膠可以放置在油藏中部，對(duì)末端調(diào)驅(qū)效果較好，采收率增幅達(dá)到23.1%。對(duì)凝膠深部調(diào)驅(qū)的注入方式進(jìn)行優(yōu)選，找到了最佳注入方式：凝膠-表面活性劑復(fù)合驅(qū)。在20℃低溫條件下，凝膠/表面活性劑復(fù)合調(diào)驅(qū)劑增油16.5%，后續(xù)水驅(qū)增油8.2%，累計(jì)增油24.7%，凝膠可以放置在油層深部。表面活性劑降低后續(xù)水驅(qū)注入壓差，提高低滲層的采收率。該復(fù)合調(diào)驅(qū)體系可以有效解決目標(biāo)區(qū)塊開發(fā)困難，穩(wěn)產(chǎn)難度大的問題，對(duì)于低溫油藏深部調(diào)驅(qū)技術(shù)發(fā)展有重要指導(dǎo)意義。