調剖用凝膠的吸水溶脹特性評價及改進

吳 剛 田利民 王克濤 朱國良 李勝華 陳善峰

（中國石油華北油田分公司，河北任丘 062552）

調剖用凝膠的吸水溶脹特性評價及改進

吳 剛 田利民 王克濤 朱國良 李勝華 陳善峰

（中國石油華北油田分公司，河北任丘 062552）

針對常規聚丙烯酰胺凝膠在化學剖面調整中逐漸暴露出的技術局限性，開展了50～90 ℃溫度范圍內的鉻交聯體系和酚醛樹脂交聯體系的水浸泡及黏度損失研究，并遵循“達西定律”基本理論，從增加交聯密度、降低凝膠溶脹度的角度入手，引入新的可溶性高分子材料來改善常規凝膠交聯強度。結果表明，凝膠在水中充分浸泡時，黏度會隨著反應時間的延長而降低，凝膠在水中存在溶脹作用及黏度損失。添加劑PVA 易與聚丙烯酰胺分子間形成網絡內氫鍵或纏繞，起到物理交聯點的作用，使凝膠黏度提高30%，考察180 d后黏度損失小于10%。該研究可為解決層間矛盾、啟動低滲透層段的生產潛力提供技術支持。

調剖；凝膠；黏度；浸泡；溶脹

化學剖面調整技術作為華北油田改善水驅開發效果主要挖潛手段，為穩油降水、提高油藏采收率起到了重要作用。隨著油田開發的不斷深入，常規的化學剖面調整技術逐漸暴露出一些技術局限性，即使通過提高常規凝膠體系中聚合物質量濃度和聚交比，也難以滿足現場要求。針對華北油田油藏非均質性強、層間滲透率級差大的特點，從調剖機理出發，開展調剖材料的研究探索，形成了有針對性的調剖技術體系，為解決華北油田層間矛盾、啟動低滲透層段的生產潛力，提供了有效的技術支撐手段。

1 常規凝膠吸水溶脹特性評價

1.1 實驗物品和實驗方法

在50～90 ℃溫度范圍內，華北油田常用的調剖體系有兩類，分別是中溫的鉻交聯體系和高溫的酚醛樹脂交聯體系，由聚合物、交聯劑等組成，形成非牛頓流體增大注入液黏度［1］。在室內實驗中，分別開展這兩類凝膠的水浸泡實驗，研究凝膠的吸水溶脹特性。

實驗試劑：聚丙烯酰胺，工業品；鉻交聯劑，工業品；酚醛樹脂交聯劑，工業品；其余試劑為分析純。

實驗儀器：BS423S電子天平，101A_IE恒溫干燥箱，MARS流變儀等。

實驗方法：按照常規配方配制凝膠溶液，放置烘箱中，待成膠后取出測黏度，稱取凝膠20 g浸泡于200 g水中（凝膠與水質量比1∶10），做若干個平行樣，依次放入烘箱中，每隔一段時間取出一瓶測黏度及溶脹倍數。

1.2 實驗結果及分析

1.2.1 不同水浸泡評價實驗 實驗條件：聚合物質量分數0.25 %，實驗溫度90 ℃，實驗結果見圖1、圖2。

圖2 常規酚醛樹脂交聯凝膠污水浸泡評價實驗

由實驗結果可以看出，在90 ℃恒溫條件下，隨著反應時間的延長，常規酚醛樹脂交聯體系凝膠在清水或污水中浸泡，黏度均會逐漸降低。清水中凝膠在反應到16 d時溶脹到未浸泡時的5.2倍，達到最大溶脹倍數，但黏度僅為未浸泡時的76%。污水中凝膠在反應到13 d時溶脹到未浸泡時的4.2倍，達到最大溶脹倍數，但黏度僅為未浸泡時的66%。隨后凝膠黏度仍逐漸降低，膠體從邊緣處逐漸破膠。

常規酚醛樹脂交聯體系凝膠浸泡評價實驗結果表明：該體系無論在清水還是污水中浸泡，黏度都會隨著反應時間的延長而降低，凝膠在水中存在溶脹作用及黏度損失。

1.2.2 不同質量分數凝膠的水浸泡評價實驗 為考察同一凝膠體系中不同聚合物質量分數之間是否遵循上述溶脹規律，開展了不同質量分數凝膠的水浸泡評價試驗。以鉻交聯體系凝膠為例，清水配液，60℃恒溫條件，聚合物質量分數分別為0.2%、0.3%，鉻交聯凝膠體系污水不易成膠，因此只開展清水浸泡實驗。試驗結果見圖3、圖4。

圖3 聚合物質量分數0.3%的凝膠浸泡評價實驗

圖4 聚合物質量分數0.2%的凝膠浸泡評價實驗

由實驗結果可以看出，在60 ℃恒溫條件下，隨著反應時間的延長，不同聚合物質量分數的鉻交聯體系凝膠在清水中浸泡，黏度均會逐漸降低。當反應到16 d時聚合物質量分數0.3%凝膠溶脹到未浸泡時的5.4倍，達到最大溶脹倍數，但黏度僅為未浸泡時的74%。反應到13 d時聚合物質量分數0.2%凝膠溶脹到未浸泡時的2.7倍，達到最大溶脹倍數，但黏度僅為未浸泡時的71%。隨后凝膠黏度仍逐漸降低，膠體從邊緣處逐漸破膠。

由以上實驗可見，常規聚丙烯酰胺水凝膠中的親水基團易與水相互作用，表現出親水性強的特點，因水合作用而充分伸展，分子鏈呈擴展構象。凝膠中親水基團與水分子之間形成的氫鍵隨著浸泡時間的延長而增多，增強了凝膠的親水作用，使更多的水進入凝膠發生溶脹，使凝膠的黏度大大降低，縮短了措施的有效期，影響了施工效果。

根據上述實驗結果，以聚丙烯酰胺為主體的水凝膠，無論添加哪種交聯劑，即使改變聚合物的用量，在水中充分浸泡時，均遵循上述溶脹規律，使得其在深部調剖的應用中受到很大限制。

2 有機高分子凝膠體系的研制

影響凝膠膨脹的因素較復雜，主要包括水溶液的pH值、鹽離子作用、溫度和凝膠的交聯度等［2］。在實際生產過程中，在不考慮pH值、鹽離子、溫度的影響因素情況下，為改善常規凝膠的機械強度和親水性，可通過引入新的纖維狀增強劑PVA來增加交聯密度、降低凝膠溶脹度［3-7］。PVA是一種具有水溶性的高分子聚合物，抗拉強度和成膜性良好，耐沖擊、耐磨，絕緣性良好，在形成凝膠的過程中，鏈間羥側基間形成的氫鍵締可形成纏結結構，作用類似于交聯網絡結構中的交聯點［8-11］。PVA自交聯后形成的三維網絡結構，對水凝膠機械強度的提高具有決定性作用［12］。

2.1 改進凝膠體系的吸水溶脹特性評價實驗

實驗目的：對比體系改進前后凝膠體系水浸泡強度損失情況。

樣品1：質量分數0.25%聚丙烯酰胺，質量分數1%PVA，交聯劑以及添加劑。

樣品2：質量分數0.25%聚丙烯酰胺，添加交聯劑以及添加劑。

實驗方法：按上述組分配比制備樣品1、樣品2，在90 ℃下清水浸泡，每隔一定時間取出測試黏度和溶脹倍數，繪制黏度、溶脹倍數隨時間變化曲線（見圖5、圖6）。

圖5 改進體系黏度和溶脹倍數隨水浸泡時間變化關系

圖6 改進體系初始、180 d水浸溶脹形態

與圖1對比，添加PVA顆粒后凝膠體系黏度增加30%以上，180 d后膨脹倍數小于1.7，黏度損失下降小于10%。實驗表明，在常規凝膠中添加疏水材料能顯著提高凝膠強度、降低水浸溶脹度。

2.2 改進體系水驅穩定性實驗

分別向1#、2#巖心注入2 PV的上述樣品1和樣品2凝膠，巖心置于90 ℃恒溫箱內24 h待成膠，進行200 PV的水驅實驗，記錄不同時刻的驅替壓力，繪制驅替壓力、滲透率隨水驅體積變化曲線。

圖7 1#、2#巖心驅替壓力與水驅體積關系曲線

圖8 1#、2#巖心滲透率與水驅體積關系曲線

由圖7、圖8可知，在常規凝膠體系中引入了增強劑，其分子中存在的骨架結構能很好地分散在凝膠中，和聚丙烯酰胺通過物理纏繞的方式結合在一起，起到了支撐作用，改善了凝膠強度，對大孔道及裂縫均有較好的物理堵塞作用，增強劑在水中溶解過程很緩慢，同時延長了凝膠在地層中的穩定期限。物模實驗中經過200 PV水驅，常規凝膠對1#巖心的封堵率降低了57.8%，改進凝膠對2#巖心的封堵率降低了22.7%。

3 結論與認識

（1）常規聚丙烯酰胺水凝膠在水中充分浸泡時，隨著反應時間的延長會出現溶脹現象，致使凝膠黏度降低，影響施工效果，在常規聚丙烯酰胺水凝膠中添加可溶性高分子材料PVA能顯著提高凝膠強度、降低水浸溶脹度。

（2）調剖堵水屬于二次采油的配套技術，與化學驅油等三次采油技術相結合，即“2+3”技術，這種技術既能發揮調剖堵水提高波及系數的優勢，又能發揮化學驅油提高洗油效率的優勢，能更大幅度地提高油田采收率。

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（修改稿收到日期 2014-06-03）

〔編輯 景 暖〕

Evaluation and improvement of swelling characteristics of gel used for profile control

WU Gang,TIAN Limin,WANG Ketao,ZHU Guoliang,LI Shenghua,CHEN Shanfeng
（Huabei Oilfield Company,CNPC,Renqiu062552,China）

In view of the technical limitations of ordinary polyacrylamide hydrogel revealed gradually in the chemical profile control,a research was conducted on water soaking and viscosity loss of chrome crosslinking system and phenolic resin crosslinking system within a temperature range of 50 ℃ to 90 ℃;and following the basic theory of Darcy’s Law,a new soluble polymer material was introduced to improve the strength of ordinary gel crosslinking strength starting from increasing the crosslinking density and reducing gel swelling degree.The results show that,when gel is adequately soaked in water,its viscosity will decrease with the extension of reaction time,and that the gel has swelling function and its viscosity loses.Addition of PVA can easily create in-grid hydrogen bond or winding with polyacrylamide molecules,which plays the role of physical crosslinking point and improves the gel viscosity by 30%.After observation for 180 days,its viscosity loss is less than10%.The research results can provide technical support for solving interlayer contradictions and initiating the production potential of low-permeability sections.

profile control;gel;viscosity;soak;swell

吳剛，田利民，王克濤，等.調剖用凝膠的吸水溶脹特性評價及改進［J］.石油鉆采工藝，2014，36（4）：109-111，125.

TE357.4；TE39

：B

1000–7393（2014）04–0109–04

10.13639/j.odpt.2014.04.027

吳剛，1965年生。1989年畢業于大慶石油學院石油地質專業。現為采油工程研究院副院長。電話：0317-2756901。E-mail：cyy_wug@petrochina.com.cn。