蒸汽驅剖面調堵劑研制與性能評價

王春生，孫英蕃，田明磊，儀紀敏，徐 暢

(東北石油大學，黑龍江 大慶 163000)

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蒸汽驅剖面調堵劑研制與性能評價

王春生，孫英蕃，田明磊，儀紀敏，徐 暢

(東北石油大學，黑龍江 大慶 163000)

基于有機化學領域離域效應原理，采用單一變量法研制調堵劑體系，對調堵劑進行不同地層溫度、礦化度和pH值的敏感性評價，并開展了室內高溫物理模擬巖心驅替實驗，評價調堵劑對于地層剖面的改善效果。研究結果表明，該調堵劑由4種藥劑經過交聯結構互穿反應形成，成膠黏度可調，抗高溫能力至少達300℃，抗酸堿、抗鹽條件成膠能力強，單管封堵率至少為93.1%，30倍孔隙體積高速汽驅沖刷后封堵率仍大于70%，選擇性剖面改善能力強，在90d、300℃高溫下測試，封堵率仍在90%以上。

稠油蒸汽驅；汽竄；調堵；凝膠

引 言

近年來，國內外針對高溫調剖劑研究主要集中在樹脂類、顆粒類、泡沫類調剖劑方面[1-6]，前2種調剖劑易對地層造成高強度封堵，導致難以解堵，從而損害地層，而泡沫類調剖劑往往出現遇油消泡問題，效果較差[7]。常規凝膠類調剖劑由于耐溫性較差，多用于低溫調剖，前人研究證明其低流動性對于剖面改善效果優于其他類型調剖劑[8-12]。本次研究基于有機化學角度研制凝膠調堵劑，該調堵劑適用于蒸汽驅在苛刻地質條件下調整吸氣剖面，增強凝膠抗高溫能力，發掘凝膠類調剖劑高溫條件下的應用潛力及優勢。通過室內實驗優化配比[13]，考察地層條件適用性[14-16]，評價地層條件下的封堵率、抗沖刷能力、高溫穩定能力及剖面改善效果[17-20]，對現場調剖實踐具有借鑒和指導意義。

1 實驗方法

1.1 實驗試劑及儀器

實驗試劑：凝膠調堵劑由強化-HASS抗高溫主劑(自制)、部分水解聚丙烯酰胺(相對分子質量為1 200×104，分析純)、醛類交聯劑(分析純)、酚類交聯劑(分析純)組成。其他調節試劑為氫氧化鈉、碳酸氫鈉、蒸餾水等。

實驗儀器：高溫高壓反應釜、旋轉黏度計、精密電子天平、恒溫水浴裝置、恒溫箱、高溫巖心實驗裝置。

1.2 凝膠時間標定方法

每組配制均分為10個試樣，同時放入恒溫箱中，定時取出1個試樣，采用旋轉黏度計進行黏度測定，并繪制黏度—時間變化曲線。當曲線上某時刻后黏度變化趨于平穩，則該時刻即為凝膠時間。

2 實驗分析

2.1 調堵劑成分影響規律

通過前期大量基礎實驗研究，擬定體系反應溫度為240℃，HPAM含量為0.003%～0.015%，強化-HASS主劑含量為3%～11%，酚類交聯劑含量為1.1%～5.5%，醛類交聯劑含量為0.6%～1.8%，圖1為不同成分調堵劑影響規律實驗結果。

(1) HPAM含量。由圖1a可知，HPAM含量與凝膠黏度呈正比關系，同凝膠時間呈反比關系，且變化范圍不大，主要是由于HPAM作為體系中空間網狀結構的提供者，對于凝膠反應起到促凝作用。綜合考慮凝膠黏度和時間，選擇HPAM含量為0.009%進行后續實驗。

圖1 不同成分調堵劑影響規律

(2) 強化-HASS抗高溫主劑含量。由圖1b可知，強化-HASS主劑含量增加，主劑分子提供與其他成分產生交聯反應的基團，能夠產生更多的空間結合位點，形成網狀交聯結構，且提高膠體最終耐高溫性能，成膠黏度在此范圍內大幅度增加。終凝時間變化范圍不大，表明主劑不能大幅度加速反應進程。綜合考慮，選擇強化-HASS主劑含量為7%進行后續實驗。

(3) 酚類交聯劑含量。由圖1c可知，酚類交聯劑對凝膠時間反相關影響程度較小。含量為2.2%時，酚類交聯劑和主劑分子結構上的羥基結構與醛類交聯劑共同交互交聯程度近似最大，凝膠黏度達到9×104mPa·s，而酚類交聯劑含量增加時，醛類交聯劑優先與酚類交聯劑產生交聯反應形成耐溫性差的酚醛預縮體結構，導致交互交聯反應不能充分進行。綜合考慮，選擇交聯劑含量為2.2%進行后續實驗。

(4) 醛類交聯劑含量。由圖1d可知，醛類交聯劑對凝膠黏度的影響區間為2.0×104～18×104mPa·s，對應凝膠時間從22 h降至11 h。結果表明，醛類交聯劑對于反應程度及反應速度起到催化作用，當含量大于1.5%時，醛類交聯劑對于凝膠時間和凝膠性能的影響規律趨于平穩。綜合考慮凝膠黏度和凝膠時間，確定醛類交聯劑含量為1.2%。

2.2 地層溫度敏感性

實際調剖施工前會對目標井位采取停井或注水降溫處理，考慮到蒸汽驅中蒸汽腔的形成，設置敏感性實驗溫度為120～280℃，考察地層溫度敏感性(表1)。

表1 地層溫度敏感性

由表1可知，溫度為120～240℃時，反應溫度與凝膠黏度的變化規律成正比，與凝膠時間成反比關系。反應溫度為280℃時，凝膠時間大幅度縮短，但該溫度對于HPAM活性及交聯反應程度產生消極影響，凝膠黏度僅達到33 797 mPa·s，故最佳反應溫度為240℃。

2.3 pH值敏感性

設定反應溫度為240℃，分析pH值(范圍為5～10)對凝膠時間、凝膠黏度的影響。結果表明，pH值為6～9時，調堵劑凝膠黏度和凝膠時間變化不大，pH值為5時，凝膠黏度僅為2 214 mPa·s，凝膠時間為12 h。當pH值為10時，體系不能凝膠，故該體系的pH值適用范圍為6～9。

2.4 堿性水礦化度敏感性

設定反應溫度為240℃，分析堿性水礦化度為1 000～10 000 mg/L對凝膠時間、凝膠黏度的影響。實驗結果表明，調堵劑在礦化度低于8 000 mg/L時，凝膠黏度僅下降10.32%，凝膠時間在2 h范圍內變化。當礦化度高于8 000 mg/L時凝膠黏度出現大幅度下降，10 000 mg/L時凝膠黏度為854 mPa·s。故堿性水礦化度適用上限為8 000 mg/L。

2.5 高溫封堵率測定

將填砂管抽真空，飽和水，測孔隙體積和封堵前滲透率，以1 mL/min恒速向填砂管中驅替3倍孔隙體積調剖劑，密封后放入200℃恒溫箱中候凝12 h至成膠，考察不同地層溫度下，調堵劑對填砂管的封堵率和殘余阻力系數RRF，結果見表2。

表2 封堵率、殘余阻力系數測試結果

由表2可知，調堵劑具有良好的封堵能力，不同溫度地層適應性良好，高溫下凝膠封堵率均達93%以上。

2.6 抗高溫蒸汽沖刷能力評價

室內以3 mL/min速度模擬注汽井注入蒸汽，實驗溫度為280℃，模擬砂管氣測滲透率為3 538×10-3μm2，蒸汽沖刷填砂管30倍孔隙體積，設置回壓為2.4 MPa，沖刷結束后，測定填砂管水相滲透率，計算對比沖刷前后封堵率，結果見表3。

由表3可知，調堵劑蒸汽沖刷15倍孔隙體積，封堵率在88%以上，高速蒸汽沖刷30倍孔隙體積，封堵率下降至71.2%。實驗結果表明，調堵劑具有良好的耐沖刷性，但不會“堵死”地層。

表3 調堵劑耐沖刷性數據記錄

2.7 熱穩定能力評價

按2.5的方法注劑并侯凝，將填砂管置于300℃恒溫箱中進行老化實驗，規定間隔時間測定滲透率并計算封堵率(圖2)。由圖2可知，調堵劑高溫件下，封堵率從第15 d開始下降，并在第30 d趨于平穩，封堵率仍在90%以上。實驗結果表明，調堵劑在未直接接受蒸汽沖刷的高溫環境下保留程度大，封堵能力強，有效期長，有良好的高溫穩定性。

圖2 調堵劑的封堵率隨時間的變化

條

2.8 選擇性剖面改善能力評價

實驗劃分不同滲透率極差的巖心實驗組，泵入100 mL蒸餾水，測定調剖前后各巖心末端出水量，通過剖面改善率來表征調堵劑對于不同地層條件剖面調整的適用效果，測定及計算結果見表4。

當測定吸水比接近1時，表明層與層之間的剖面越均勻。由表4可知，調堵劑對于滲透率極差較低的低互異性地層剖面改善效果并不明顯，但由于其低流動選擇性，實際上使剖面得到了最大程度上的調整。滲透率極差越大，調堵劑剖面改善能力越強，滲透率極差為6.92時，高滲層經調剖處理后吸水能力降低，低滲層吸水能力提升了15倍。

表4 不同極差下剖面改善率測定

3 結 論

(1) 體系凝膠影響規律實驗表明，該調堵劑體系中，HPAM起到輔助促凝作用，酚類、醛類、強化-HASS主劑之間的配比決定凝膠黏度變化范圍，其中強化-HASS主劑含量對于體系耐溫性能至關重要，醛類交聯劑含量能大幅度影響凝膠時間和凝膠黏度。

(2) 體系在溫度為200～240℃時凝膠情況良好，凝膠至少耐溫300℃。pH值適用界限分別為5、10，pH值為6～9時成膠黏度變化程度小，堿性水礦化度適用界限為8 000 mg/L。

(3) 240℃下凝膠膠體封堵率能夠達到97%左右，膠體耐沖刷性能良好的同時體現出了不會“堵死”地層特性，在90 d、300℃下熱穩定性測定封堵率仍達到90%以上。由于調堵劑具有低流動變形性，對于不同滲透率極差的地層具有較強的選擇性改善剖面能力。

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編輯 王 昱

20150202；改回日期：20150330

國家自然科學基金青年基金“氣體-多組分顆粒相間作用機理與組分顆粒動力學模型的研究”(51206020)

王春生(1977-)，男，副教授，2000年畢業于東北石油大學石油工程專業，2011年畢業于該校油氣井工程專業，獲博士學位，現從事復雜流體數值計算及稠油油藏開發研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.03.024

TE357.46

A

1006-6535(2015)03-0097-04