鉻凍膠調驅體系實驗研究

李桂峰

（中國石化中原油田分公司采油二廠，河南范縣 457532）

鉻凍膠調驅體系實驗研究

李桂峰

（中國石化中原油田分公司采油二廠，河南范縣 457532）

針對油藏非均質性特點，進行了鉻凍膠調驅實驗研究。研究表明：隨著聚合物濃度和交聯劑用量的增加，調驅體系成膠時間減小，體系的成膠強度和穩定性增加；隨著促凝劑質量分數增加，調驅體系成膠時間和成膠強度增加，穩定性隨交聯劑和促凝劑質量分數的增加先增加后減小。對優選出的最佳成膠體系配方性能評價表明：體系的成膠時間和成膠強度隨著礦化度的增加均先減小后增加；隨著pH值的增加，體系的成膠時間增長，成膠強度先增加后下降。該體系的耐沖刷性好，最終采收率在水驅基礎上提高21.26 %，在非均質地層中具有良好的調驅效果。

鉻凍膠；體系優選；性能評價；采收率

我國是世界上注水開發油田比例較高的國家之一，陸上各主要油田相繼進入高含水采油期，綜合含水90 %以上，采出程度僅為30 %左右，大量原油剩余在地下[1–4]。我國油田多為陸相沉積，儲層非均質嚴重，水驅不均的現象普遍存在，為了提高高含水期的水驅采收率，改善地層的非均質性，常采用水井調剖和油井堵水的工藝技術來改善水驅開發效果[5–7]。眾多堵劑中，鉻凍膠是一種由聚丙烯酰胺與鉻的多核羥橋鉻離子發生交聯反應生成的堵劑，具有成凍時間可調、強度可控、能封堵距井眼不同距離的特點[8–11]。本文以無機交聯劑CrCl3為研究對象，考察了礦化度、溫度、pH值等多個因素對鉻凍膠的影響，并研究了鉻凍膠的封堵及驅油能力。

1 實驗準備

1.1 實驗藥品

CrCl3，乳酸，部分水解聚丙烯酰胺（工業級），硫脲（分析純），氯化鈉（分析純），氯化鈣（分析純），目標區塊脫水脫氣原油，模擬地層水pH值5.5，總礦化度14 000 mg/L，其中Na+含量12 000 mg/L，Ca2+含量 1 150 mg/L。

1.2 實驗材料

恒溫箱，平流泵，中間容器，布氏黏度計，恒溫水浴鍋，填砂管，壓力表，量筒，玻璃棒等。

1.3 調剖劑的制備

（1）交聯劑的配制：將一定量的 CrCl3溶解于水中，加入乳酸，攪拌溶解，在45 ℃恒溫箱中放置3 d后備用（隨著體系老化時間的延長，溶液中的環狀乳酸鉻三聚體含量增多，聚丙烯酰胺/交聯劑體系的成膠時間隨老化時間的延長而增加），可以觀察到交聯劑溶液從綠色變為藍黑色。

（2）鉻凍膠的制備：取一定量已配好的聚丙烯酰胺母液和硫脲穩定劑母液混合并稀釋，邊攪拌邊加入一定量配制好的交聯劑，繼續攪拌使交聯劑均勻分散在溶液中，得到一系列不同質量分數的鉻凍膠調剖劑。

2 體系成膠配方確定

2.1 聚合物濃度2 000 mg/L時成膠配方確定

實驗溫度為30 ℃，礦化度為14 000 mg/L，聚合物濃度2 000 mg/L的體系初始黏度14.7 mPa·s，設置了交聯劑和促凝劑不同配比的三組實驗：實驗1∶2 000 mg/L聚合物 + 0.2 %交聯劑 + 0.05 %促凝劑；實驗 2∶2 000 mg/L聚合物 + 0.3 %交聯劑 +0.09 %促凝劑；實驗3∶2 000 mg/L聚合物 + 0.4 %交聯劑 + 0.13 %促凝劑，成膠過程見圖1。

由于主劑聚合物溶液的濃度限制，以及高礦化度下聚合物分子鏈由于靜電屏蔽作用蜷縮嚴重，聚合物分子卷曲程度相對較高，導致聚合物分子間溶液的降黏特性明顯，宏觀上體系初期黏度較低，距離相對較大，起到交聯質點橋梁作用的交聯劑不能很好發揮作用，體系成膠時間較長。實驗1和實驗2成膠強度達到8 000 mPa·s以上，成膠時間10~15 d，凍膠穩定性較好。實驗1的交聯劑和促凝劑質量分數較低，黏度也略低于實驗2。對于實驗3，鉻凍膠黏度先增加，維持一段時間后急劇下降，主要原因是由于交聯劑和促凝劑用量過多，凝膠交聯過度，穩定性下降，脫水現象嚴重，體系黏度降低。

圖1 交聯劑和促凝劑不同配比條件下體系黏度變化

2.2 聚合物濃度3000 mg/L時成膠配方確定

實驗溫度為30 ℃，礦化度為1 4000 mg/L，聚合物濃度3 000 mg/L的體系初始黏度38.0 mPa·s，設置了交聯劑和促凝劑不同配比的三組實驗：實驗4：3000 mg/L聚合物 + 0.2 %交聯劑 + 0.09 %促凝劑；實驗5：3000 mg/L聚合物 + 0.3 %交聯劑 + 0.13 %促凝劑；實驗6：3000 mg/L聚合物 + 0.4%交聯劑 +0.05%促凝劑，成膠過程見圖2。

圖2 交聯劑和促凝劑不同配比條件下體系黏度變化

可以看出，實驗6成膠時間為8~10 d，成膠強度達到12 000 mPa·s以上，鉻凍膠穩定性較好。觀察20 d后，實驗4未能形成穩定凍膠，黏度幾乎無變化；實驗5在觀察13 d后黏度緩慢增加，20 d后穩定在2 000 mPa·s左右，并伴有促凝劑結塊沉淀現象。初步分析認為，當促凝劑用量相對交聯劑用量較大時（交聯劑與促凝劑比例小于3∶1），且在低溫（交聯劑及促凝劑分子反應活化能降低，導致反應緩慢或長時間不反應）及大量二價金屬離子作用下，促凝劑難與交聯劑發生作用，兩者都失去交聯活性，長時間不交聯，促凝劑以沉淀形式出現，最終導致交聯失敗。將實驗1~6進行匯總對比，見表1所示，可以看出:

（1）成膠強度隨聚合物濃度和交聯劑質量分數的增加而增加，當交聯劑質量分數相對較低時（＜0.3%），其對交聯過程作用不明顯，當交聯劑質量分數達到0.3%后，其交聯作用特性顯著增加。

（2）鉻凍膠穩定性隨聚合物濃度的增加而增加，隨交聯劑質量分數的增加先增加后減小，隨促凝劑質量分數的增加先增加后減小，減小原因均是由于過度交聯使凝膠產生脫水現象而降黏。

（3）交聯劑與促凝劑比例小于3∶1，在低溫高礦化度條件下，交聯劑和促凝劑不發生反應，進而不能與聚合物產生交聯。

（4）綜合考慮，最佳體系配方為：3000 mg/L聚合物 + 0.4 %交聯劑 + 0.05 %促凝劑。

3 凝膠體系性能評價

針對優選出的體系：3000 mg/L聚合物 + 0.4 %交聯劑 + 0.05 %促凝劑，分別進行礦化度、溫度、剪切速率等影響因素的考察。

3.1 礦化度影響

模擬地層水礦化度分別為 2 000 mg/L，3 500 mg/L，7 000 mg/L，15 000 mg/L，20 000 mg/L，30 000 mg/L，配制交聯體系溶液，調節溶液的 pH值為中性，觀察成膠情況。見圖3，礦化度20 000 mg/L體系小部分成膠，30 000 mg/L體系不成膠。

表1 地層水條件下不同聚合物濃度時成膠配方

由圖3可以看出，隨著礦化度的增加，成膠時間先減少后增加，鉻凍膠強度先增強后減弱；當礦化度超過20 000 mg/L，交聯體系不成膠。表明適量鹽的存在有利于交聯，因為鹽可以降低聚丙烯酰胺分子間的靜電排斥作用，從而加強分子間的交聯強度。當體系中鹽的含量過少時，會使HPAM分子線團過度擴張，增加HPAM單分子球間的靜電排斥作用，從而使分子間的交聯強度變弱。鹽濃度過大時，會壓迫凝膠分子層，使水分子從凝膠分子層中脫出，大幅度降低未交聯溶液的黏度，使HPAM分子線團收縮，不利于聚丙烯酰胺分子間的交聯反應，破壞凝膠體系的穩定性。

圖3 不同礦化度溶液對凝膠形成時間及黏度的影響

3.2 溫度影響

考察溫度對體系成膠情況的影響，結果見表2。由表2可以看出，在溫度為40~100 ℃時，均能形成一定強度的鉻凍膠，且隨著溫度的升高，成膠時間縮短，成膠強度增加；40~60 ℃內生成的鉻凍膠體系最佳。

表2 溫度對體系成膠的影響

根據化學反應動力學原理，發生化學反應時存在著一個最低能量(活化能)，低于此能量，物質間不能發生化學反應。溫度太低時，聚合物分子和交聯劑分子熱運動的能量不足以克服反應的活化能，交聯反應不能進行。隨著溫度的升高，分子間的碰撞加劇，有足夠的能量克服交聯反應的活化能，溫度越高交聯反應越劇烈，更容易形成連續性較強的空間網狀結構。因此，體系的最高成膠強度隨溫度的升高而增加，但溫度太高時，聚合物易發生熱氧化而降解；因此，高溫時形成的鉻凍膠體系的穩定性有所下降。

3.3 pH值影響

改變成膠液的pH值，考察pH值對體系成膠強度的影響，結果見表3。

表3 pH值對體系成膠的影響

由表3可以看出，隨著pH值的增加，體系的成膠時間增長，成膠強度先增加后下降，pH值在5~6時，調剖劑成膠強度最好，膠體穩定；因此，成膠液的最佳pH值應為5~6。

3.4 封堵能力研究

封堵率和殘余阻力系數常用來表征凍膠的封堵性能。實驗采用單管模型，在一定溫度下測定注入凝膠前后的填砂管滲透率，封堵率為封堵前后滲透率之差比堵前滲透率，殘余阻力系數為封堵前后滲透率之比。封堵率越大，滲流阻力越高，殘余阻力系數越大，滲透率下降幅度越大，凍膠性能越好。實驗測定了 4組巖心的封堵率、殘余阻力系數（表 4）。

表4 封堵率、殘余阻力系數測定結果

由表4可以看出，調剖前水相滲透率具有較大差別，但調剖后基本保持在一定數值；在一定范圍內，隨著巖心滲透率的增加，鉻凍膠的殘余阻力系數減小。經過5 PV鹽水沖刷后，封堵率仍能達到98 %以上，具有很好的耐沖刷性。

3.5 提高采收率研究

利用滲透率級差為 7∶1的雙管并聯模型模擬地層的非均質性，考察鉻凍膠提高采收率能力。飽和水、飽和油老化一定時間后水驅至含水率 98 %，注入0.3 PV的3 000 mg/L HPAM + 0.4 %交聯劑 +0.05 %促凝劑，在地層溫度下，侯凝24小時，后續水驅至含水率98 %，實驗結束。整個實驗過程每隔一定時間記錄產出液、產出油，計算采收率增值。

由圖4可以看出，在水驅階段，含水率和采收率均先上升并逐漸平穩，高滲巖心分流率所占比例遠高于低滲巖心，注入水90 %進入高滲透巖心，而進入低滲透巖心的注入水低于10 %，高、低滲巖心的水驅采收率分別為58.42 %和11.20 %，水驅綜合采收率33.26 %。注入凍膠后，含水率明顯下降，高低滲巖心分流率所占比例發生明顯改變，說明凍膠的注入有效的調整了滲流剖面，液流轉向低滲層，將低滲巖心中更多的液體驅替出來。后續水驅階段，綜合采收率進一步上升，并逐漸穩定，綜合含水率在下降一定幅度后逐漸回升并最終達到 100 %，低滲巖心的分流率仍明顯高于高滲巖心，說明凍膠具有良好的調剖作用和液流轉向能力。非均質巖心的最終綜合采收率達到54.52 %，在水驅基礎上提高了21.26 %，顯示出凍膠在非均質地層中具有良好的調驅效果。

圖4 凍膠驅油實驗

4 結論

（1）調驅體系成膠時間隨聚合物濃度的增加和交聯劑用量增加而減??；隨促凝劑質量分數的增加而略有增加，成膠強度隨聚合物濃度和交聯劑質量分數的增加而增加。

（2）鉻凍膠穩定性隨聚合物濃度的增加而增加，隨交聯劑和促凝劑質量分數的增加而先增加后減小。

（3）優選出的最佳體系配方：3 000 mg/L聚合物 + 0.4 %交聯劑 + 0.05 %促凝劑。隨著礦化度的增加，體系的成膠時間和成膠強度均先減小后增加。隨著pH值的增加，體系的成膠時間增長，成膠強度先增加后下降。

（4）隨著巖心滲透率的增加，鉻凍膠的殘余阻力系數減小，具有很好的耐沖刷性。實驗條件下，最終采收率在水驅基礎上提高了21.26 %，顯示出凍膠在非均質地層中具有良好的調驅效果。

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TE357

A

1673–8217（2017）06–0112–04

2016–05–26

李桂峰，工程師，1972年生，1993年畢業于中原石油學?；C械專業，現主要從事三次采油工作。

編輯∶張 凡