延緩交聯弱凝膠調驅劑的研制與性能評價

劉平德 張 松 馮愛麗 秦 杰

（1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油天然氣集團公司采油采氣重點實驗室 100083；3.大慶油田有限責任公司第八采油廠，黑龍江大慶 163514）

延緩交聯弱凝膠調驅劑的研制與性能評價

劉平德1,2張 松1,2馮愛麗1,2秦 杰3

（1.中國石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石油天然氣集團公司采油采氣重點實驗室 100083；3.大慶油田有限責任公司第八采油廠，黑龍江大慶 163514）

現有交聯聚合物凝膠體系成膠時間短，調驅劑不能深入油藏實現深部放置，導致了水驅開發效果較差。考察了在一定溫度、熱穩定劑作用下，延緩有機復合交聯劑NQJ與聚合物的交聯反應，形成了適用于大慶薩爾圖北部油田油藏的延緩交聯弱凝膠體系。該體系地面黏度較低，便于現場注入，且具有較好的延緩交聯效果，可實現大劑量深部調驅。研究結果表明：抗鹽聚合物、交聯劑與熱穩定劑的質量分數分別為0.15%～0.25%、0.15%～0.2%與0.015%～0.025%時，形成的凝膠黏度大于5 000 mPa·s，成膠時間3～6 d可調，能夠滿足現場深部調驅要求。

調驅；弱凝膠；延緩交聯；熱穩定性；提高采收率

大慶油田采油三廠北二區西部東塊二類油層位于大慶長垣薩爾圖油田北部純油區內， 區塊含油面積4.4 km2，油層有效厚度14.67 m，平均滲透率0.404 D，油藏溫度45 ℃。該區塊自1964年投入開發，目前采用五點法井網，井距150 m。目前全區注入井開井81口，采油井開井87口，累積產油54.0×104t，綜合含水94.6%。

隨著油田開發的不斷深入，長期注水造成儲層平面、層間、層內三大矛盾加劇，注水低效無效循環日益嚴重，水驅效率大幅降低。油藏非均質性和不利的油水流度比造成注入水沿高滲透層突進，大大降低了注入水的波及效率［1］。傳統的高強度調剖劑延緩交聯時間短，不能確保調驅劑進入深部油藏，導致了調驅效果變差。延緩交聯弱凝膠調驅劑能夠進入油藏深部，迫使水流轉向進入低滲透層，進一步挖掘縱向和平面未波及區的剩余油，提高注入水的波及系數和注水采收率［2-5］。

交聯聚合物弱凝膠調驅劑是由水溶性聚合物與有機絡合金屬離子交聯劑組成［6-8］，在地層條件下發生交聯反應生成凍膠，封堵高滲透層段，迫使注入水發生液流轉向，該類調剖體系在現場得到了廣泛的應用。但目前現有體系交聯時間短，使得該類調剖體系段塞不能有效進入油藏深部，導致水驅采收率降低。基于上述原因，針對大慶采油三廠地層條件，實驗考察了一種帶有多個官能團的延緩有機交聯劑NQJ，該交聯劑在一定溫度下緩慢釋放出交聯基團，在一定溫度作用下與聚合物發生交聯反應，形成具有空間網狀結構弱凝膠，克服了以往弱凝膠調驅劑成膠時間短，不能大劑量注入并實現深部放置的缺陷，對改善注入水的波及體積、提高采收率具有重要意義。

1 實驗儀器與藥品

（1）儀器。DV-Ⅱ型Brook-f i eld旋轉黏度計，具塞廣口瓶，電子天平，高速攪拌器，恒溫干燥箱。

（2）藥品。抗鹽聚合物、水解聚丙烯酰胺，分子量分別為1 900萬、1 800萬，水解度分別為20%、18%，工業品，大慶煉化公司生產；有機復合交聯劑NQJ、熱穩定劑TSA，工業品；大慶模擬鹽水，礦化度4 000 mg/L（Ca2+濃 度 56.6 mg/L， Mg2+濃 度 54.5 mg/L，K++Na+濃度 1 045.8 mg/L，濃度2 354.1 mg/L，Cl-濃度 340.8 mg/L，濃度 148.2 mg/L）。

2 延緩交聯弱凝膠深部調驅劑的研制

弱凝膠調驅劑是以合適水解度的抗鹽聚合物為基礎，利用具有延緩交聯效果的有機復合交聯劑，克服了常規調驅劑成膠時間短、不能實現大劑量注入進行深部調驅的缺陷。

2.1 調驅用聚合物的篩選

聚合物是制備凝膠的重要組成部分，與交聯劑反應后形成空間網狀結構。利用大慶模擬鹽水（4 000 mg/L）配制抗鹽聚合物、水解聚丙烯酰胺（HPAM）溶液，考查了兩種聚合物對凝膠性能的影響，結果見表1。

由表1可看出，隨著聚合物質量分數的提高，體系成膠時間縮短，凝膠黏度增大，與HPAM相比，抗鹽聚合物合成的凝膠黏度較大。

表1 不同類型聚合物對弱凝膠性能的影響

2.2 抗鹽聚合物質量分數對成膠性能的影響

實驗用水為大慶模擬鹽水，實驗溫度為45 ℃，考察了抗鹽聚合物質量分數對凝膠性能的影響，結果見表2。

表2 聚合物質量分數對弱凝膠性能的影響

由表2可看出，隨著聚合物質量分數的提高，體系成膠時間縮短，凝膠黏度增大較快。鑒于弱凝膠需要進入深部地層，強度太大很難向油層深部推進，起不到深調作用，考慮到多種因素的影響，確定聚合物的質量分數在0.15%～0.25%為宜。

2.3 交聯劑質量分數對成膠性能的影響

延緩有機復合交聯劑NQJ帶有多個官能團，在一定溫度下緩慢釋放出交聯基團，并與抗鹽聚合物分子鏈上的氨基、羧基發生延緩交聯反應，形成具有三維網狀結構凝膠。考察了延緩交聯劑NQJ質量分數對成膠性能的影響，利用大慶模擬鹽水配制質量分數為0.2%的抗鹽聚合物，熱穩定劑質量分數0.015%，采用具有延緩作用的交聯劑NQJ與交聯劑乙酸鉻進行了凝膠性能實驗，通過調節其質量分數，進一步考察其對凝膠性能影響，實驗結果見圖1。

圖1 交聯劑質量分數與凝膠性能的關系

由圖1可看出，隨著交聯劑質量分數的增加，凝膠黏度增大，成膠時間縮短；NQJ具有明顯的延緩交聯作用，而乙酸鉻成膠時間速度過快，不能實現大劑量注入與深部放置。考慮到現場試驗對調驅劑強度和交聯時間的要求，確定NQJ交聯劑質量分數為0.15%～0.20%，交聯時間控制在3～6 d，并根據現場施工中的實際需要調節體系的pH值，這既滿足弱凝膠具有一定的強度又具有合適的成膠時間，便于大劑量注入進行深部調驅。

2.4 熱穩定劑質量分數對成膠性能的影響

實驗用水為大慶模擬鹽水，實驗溫度為45 ℃，考察了熱穩定劑質量分數對凝膠性能的影響，結果見表3。

注：聚合物、 NQJ交聯劑的質量分數分別為0.2%、0.2%，剪切速率為7.34 s-1。

由表3可看出，隨著熱穩定劑質量分數的增大，成膠時間縮短，凝膠黏度增大較快，考慮到凝膠黏度、成膠時間等多種因素影響，熱穩定劑質量分數控制在0.015%～0.025%為宜。

3 弱凝膠調驅劑性能評價

3.1 弱凝膠調驅劑的抗剪切性

將聚合物與交聯劑配制的溶液（聚合物、交聯劑、熱穩定劑質量分數分別為0.2%、0.2%、0.015%）用1 500 r/min的高速攪拌器剪切5 min，將剪切前后的交聯聚合物溶液置于具塞廣口瓶中，考察在45 ℃條件下的成膠情況。剪切前凝膠黏度5 300 mPa·s，成膠時間4.5 d；剪切后凝膠黏度4 600 mPa·s，成膠時間5 d。

實驗結果表明，高速剪切后，聚合物分子鏈部分發生斷裂，導致形成的弱凝膠黏度降低，但與未經剪切形成的凝膠黏度相比前后變化不大，表明該弱凝膠體劑具有較好的抗剪切性能，可滿足現場施工配注的要求。

3.2 弱凝膠調驅劑的注入性

低黏度的調驅劑一般容易泵送，并可優先進入高滲透層帶，減少對低滲透層的傷害，因此，調驅劑溶液在注入過程中應保持較低的黏度。

評價一種調驅劑的注入性，主要是考察其在地面溫度下的穩定性，即地面配制溶液黏度相對穩定，能夠保證在低泵壓下注入到地層。調驅劑在25 ℃條件下的黏度變化見表4。

注：聚合物、交聯劑、熱穩定劑質量分數分別為0.20%、0.15%、0.015%。

從表4可以看出，調驅劑溶液在地面溫度下黏度基本穩定，其黏度并不隨著放置時間的延長而增幅較大，這樣可便于現場配制與大劑量現場注入。

3.3 弱凝膠調驅劑的耐鹽性

當弱凝膠調驅劑注入到地層后，會接觸到地層中水的無機鹽離子，且形成凝膠后在后續注入水的過程中會長期浸泡在鹽水中，因此，調驅劑應具有一定的耐鹽性能，這樣可保證形成的凝膠具有足夠大的強度來抵御后續注入水的長期侵蝕，從而保證調驅劑段塞可長期有效封堵中高滲透地層，改善水驅效果。

將配制好的50 mL調驅劑溶液（聚合物、交聯劑、熱穩定劑質量分數分別為0.20%、0.2%、0.015%）置于具塞廣口瓶中，待其成膠后，將凝膠放入到大慶模擬鹽水中，定期取樣測定凝膠黏度的變化，結果見表5。

0 5 400 15 5 200 30 5 200 60 5 100 90 4 800 180 4 600

從表5可看出，在45 ℃條件下，凝膠在大慶模擬鹽水中的黏度隨著時間的延長變化不大，表明調驅劑具有較好的耐溫耐鹽性能，可保證調驅劑在地層中具有長期的封堵效果。

3.4 弱凝膠調驅劑的熱穩定性

熱穩定性是評價弱凝膠在地層中有效期的一個重要指標。實驗考察了60 ℃條件下，利用大慶模擬鹽水配制的HPAM與抗鹽聚合物形成的凝膠黏度隨時間的變化關系，結果見圖2。

圖2 弱凝膠調驅劑熱穩定性

由圖2可以看出，隨著時間的延長，兩種聚合物形成的弱凝膠黏度均下降，在前90 d內二者變化幅度不大，當超過90 d后HPAM形成的凝膠黏度變化較大。這是由于抗鹽聚合物在合成過程中引入了抗鹽基團，所以形成的凝膠經過3個月的老化后黏度變化不大，表現出較好的熱穩定性能。

3.5 弱凝膠調驅劑的封堵性能

將60～120目的石英砂充填到直徑2.5 cm、長度60 cm的填砂管中，將弱凝膠調驅劑分別注入兩個充填了相同粒徑石英砂的巖心管中，將巖心管兩端密封，置于45 ℃恒溫干燥箱中恒溫72 h，使其成膠，而后注水進行驅替實驗，記錄堵后填砂管滲透率變化情況，以考察弱凝膠封堵效果。聚合物、交聯劑、熱穩定劑質量分數分別為0.20%、0.15%、0.015%，注入量為6 PV。實驗結果見表6。

表6 弱凝膠封堵性能

由表6可看出，水驅后弱凝膠在填砂管巖心中封堵率在85%以上，具有較好的封堵效果。

4 結論

（1）針對大慶油田現場實際需求，完成了延緩交聯弱凝膠調驅劑的研制，優選的有機復合交聯劑NQJ在一定溫度與穩定劑條件下，緩慢釋放出交聯基團，與聚合物發生延緩交聯反應，形成網狀結構的弱凝膠。

（2）實驗結果表明，聚合物、交聯劑與熱穩定劑的質量分數分別為0.15%～0.25%與0.15%～ 0.20%、0.015%～0.025%時，弱凝膠成膠時間3～6 d可調，并且有較好的注入性、抗鹽性、抗剪切性、熱穩定性及封堵性能，可滿足現場施工要求。

［1］岡秦麟.高含水期油田改善水驅效果新技術［M］.北京：石油工業出版社，1999.

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［3］吳剛，王志強，游靖，等. 高溫低滲透砂巖油藏可動凝膠調驅技術［J］.石油鉆采工藝，2012，34（6）：97-99.

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（修改稿收到日期 2013-04-15）

Research of a retarding crosslink weak gel for conformance control and displacement and its performance evaluation

LIU Pingde1,2, ZHANG Song1,2, FENG Aili1,2, QIN Jie3

（1.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina,Beijing100083,China; 2. Key Laboratory of Oil&Gas Production,CNPC,Beijing100083,China; 3. No.8Oil Production Plant,Daqing Oilf i eld Co.,Ltd.,Daqing163514,China）

Due to the short gelation time of the present cross-linked polymer gel system, conformance control agent cannot enter into deep reservoir, resulting in poor water fl ooding effect. By the crosslinking reaction between the retarding organic composite crosslinking agent NQJ and salt-resistance polymer under thermal stabilizers and specif i c temperature, the weak gel with space network structure is formed. The weak gel conformance control agent has low surface viscosity, easy injection on-site, and good delayed cross-linking effect, so it can achieve the high-dose injection. The research shows that the mass fraction of salt-resistance polymer, cross-linking agent, and the heat stabilizer are 0.15%-0.25%, 0.15%-0.2%, and 0.015%-0.025% respectively. The viscosity of gel is greater than 5000 mPa·s, and the gelation time is 3～6 days. The weak gel can meet the need of deep reservoir conformance control and oil displacement,and improve the water fl ooding effect of high water cut oil fi eld.

conformance control and oil displacement; weak gel; retarded cross-linking; temperature stability; enhanced oil recovery

劉平德，張松，馮愛麗，等.延緩交聯弱凝膠調驅劑的研制與性能評價 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：90-93.

TE357.46

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0090 – 04

國家科技重大專項“高效深部液流轉向與調驅和精細分層注采技術”（編號：2011ZX05010-003）部分研究內容。

劉平德，1972年生。1996年畢業于東北石油大學鉆井工程專業，現主要從事調剖堵水技術方面的研究，高級工程師。電話：010-83597567。E-mail：lpd@petrochina.com.cn。

〔編輯

朱 偉〕