低滲透油藏調剖/調驅劑的研制與封堵性能研究

劉岳龍 ，袁 胥 ，周 艦 ，付 娜 ，趙 靜

（1.中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司石油工程技術研究院，河南鄭州 450006；2.大連知微生物科技有限公司，遼寧大連 116023）

隨著我國大部分油田進入開發中后期，油井含水率高、水井吸水不均，使水驅效果變差，產油量遞減明顯，嚴重制約著老油田的經濟有效開發[1，2]。

調剖/調驅技術作為三次采油中增產、穩產的有效措施，由于可以比較深入、徹底地調節層間、層內矛盾，改善吸水剖面，因此適于低滲非均質油藏提高采收率。一般來說，常規調剖/調驅劑多用聚丙烯酰胺類作為堵劑，但直接使用此類聚合物，存在調剖深度不夠，極端油藏適應性不強等問題，制約低滲透油藏的措施效果[3，4]。目前，單體原地聚合形成凝膠、聚合物微球等新型調剖/調驅劑，由于注入性好、封堵能力強、效果持久，因此在低滲透油藏深部調剖研究領域，獲得了研究者們廣泛的關注[5，6]。例如，周明等[7]以苯乙烯等疏水性單體、丙烯酸等親水性單體、N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺等殼交聯劑，在30℃～75℃以及引發劑作用下，制備了具有核殼結構的聚合物微球調驅劑，并且于三次采油，提高原油采收率的研究與應用。張增麗等[8]研究了具有一定膨脹性能的聚合物微球的調驅性能，研究表明，微球具有一定膨脹性，溫度升高，礦化度越低，有利于膨脹；注入微球后，進入油田注水階段以后，微球可以保持比較高的殘余阻力系數。

本文以制備可“高效注入、有效封堵、持久調剖”的凝膠/微球體系為目的，優選單體原地聚合與反相微乳液法，分別制備聚合物凝膠與聚合物微球，以獲得與低滲透油藏孔喉直徑相匹配的堵劑材料，保證其注入性、運移特性、封堵油藏大孔道及裂縫區域等性能，以調整層間及層內矛盾，為低滲透油藏的高效開發，提供物質基礎。

1 實驗器材與方法

1.1 實驗器材

實驗儀器包括吳茵混調器、Brookfield黏度計、巖心驅替裝置等。

實驗藥劑：NaCl、CaCl2、MgCl2均為化學純。單體DT-1、單體 DT-2、引發劑 YF-3、引發劑 YF-4、交聯劑JL-5、交聯劑JL-9，均為化學純。煤油、Span80、Tween80，均為分析純。

模擬地層水（按標準鹽水的配比配制，總礦化度6.3×104mg/L，其中 NaCl∶CaCl2∶MgCl2=7∶0.6∶0.4）。

1.2 實驗方法

1.2.1 聚合物凝膠的制備 用模擬地層水將單體DT-1配制成一定濃度的溶液，加熱至75℃后，加入設計量的引發劑YF-3，攪拌3 min～5 min待其形成均一溶液，調節pH至中性，將反應混合液倒入燒杯中；恒溫15 min后，在攪拌下向反應體系中緩慢注入設計量的交聯劑JL-5（10%溶液狀態，溶液預先加熱），之后繼續置于水浴中，待其形成凝膠，反應過程（見圖1）[9，10]。

圖1 聚合物凝膠制備示意圖Fig.1 Schematic of the preparation of polymer gel

1.2.2 聚合物微球的制備 用模擬地層水將單體DT-2、交聯劑JL-9、引發劑YF-4以設計濃度配成均一溶液以其為水相；以煤油為油相；以等質量的Span80/Tween80配制成5.0%的溶液作為乳化劑相，將三者以50%油相、10%乳化劑相、40%水相的比例混合，并1 000 r/min的轉速攪拌分散，配制成W/O反相微乳液。將1/4溶有引發劑的反相微乳液移至反應瓶中，置于75℃的水浴中恒溫，通N2除氧，在攪拌下逐滴滴加剩余3/4的反相微乳液，然后降低轉速，在N2保護下繼續反應2 h，得到大小均一，性能穩定的透明反相微乳膠。反相微乳膠用甲醇破膠后，即得聚合物微球。將破膠后的乳膠干燥，得到產品，反應過程（見圖2）[11]。

1.2.3 聚合物凝膠/微球的封堵性能測試 以原地聚合物凝膠為研究對象時，采用雙液法，具體方法為：A劑為單體DT-1溶液；B劑為交聯劑JL-5+引發劑YF-3混合溶液；隔離液為模擬地層水。

待填砂管裝填完成后，用模擬地層水進行飽和，飽和完成后計算填砂管的滲透率和孔隙度。接著注入反應液，注液程序為：B劑溶液→隔離液→A劑溶液→隔離液→B 劑溶液，段塞比例為 5∶1∶10∶1∶5，注入體積均為1.0 PV，注入完畢后關閉進口閥門，放置在75℃的恒溫箱中靜置，每隔12 h以模擬地層水進行驅替，以驅替過程中開始有水流出時的壓力為突破壓力。繼續以1.0 mL/min的流量進行驅替5.0 PV，計算滲透率和封堵效果[12]。

以原地聚合物微球為研究對象時，首先進行填砂管的裝填、飽和水，測試滲透率與孔隙度。再用模擬地層水配制聚合物微球溶液，以1.0 mL/min的流量注入，注入完畢后關閉進出口閥門，75℃的恒溫，每隔12 h取出，進行模擬地層水驅，以1.0 mL/min泵入速度進行水驅，通過注入微球前后的滲透率，評價聚合物微球對填砂管的封堵效果。

2 結果與討論

進行調剖作業時，既要考慮注入體系的黏度和封堵強度，又要控制成膠時間，保證體系的注入性[13]。如果將黏度極低的聚合物單體、引發劑、交聯劑混合液注入地層，使混合體系在地層溫度下隨著混合液運移中逐漸聚合、交聯成為凝膠，一方面可以有效封堵地層高滲孔道，改善指進現象，提高水驅波及系數。另一方面有利于降低井筒摩阻，解決帶有一定黏度的聚合物溶液在注入過程中，摩阻較大、壓力過高的問題。

2.1 原地聚合凝膠的制備

2.1.1 單體DT-1加量的影響 以單體在引發劑與交聯劑作用下，直接聚合形成聚合物凝膠為目的，固定引發劑YF-3加量0.15%，交聯劑JL-5加量0.15%，考察DT-1加量為5%～12%時，對75℃條件下凝膠強度及成膠時間的影響，實驗結果（見圖3）。

圖3 單體DT-1加量對凝膠強度及成膠時間的影響Fig.3 Effect of the quantity of monomer DT-1 on gel strength and gelling time

圖2 聚合物微球制備過程示意圖Fig.2 Schematic of the preparation of polymer microsphere

由圖3所示實驗結果可見，隨著單體DT-1用量增加，凝膠強度先增大后減小，成膠時間逐漸縮短。當單體DT-1質量分數增大，聚合速度加快，并且有利于凝膠強度提高。但當單體濃度大于極限值后再增加用量，聚合的過程出現Trommsdroff-Norrish效應，導致凝膠體系相對分子質量降低，強度下降[14]。因此，單體DT-1的最佳用量為8%。

2.1.2 引發劑YF-3加量 固定單體DT-1加量8%，交聯劑JL-5加量0.15%，改變引發劑YF-3加量進行合成反應，考察引發劑用量為0.10%～0.30%時，75℃條件下凝膠強度及成膠時間測試結果（見圖4）。

圖4 引發劑YF-3加量對凝膠強度及成膠時間的影響Fig.4 Effect of the quantity of initiator YF-3 on gel strength and gelling time

由圖4可見，當引發劑YF-3用量增加，凝膠強度先增大后變小，并在加量為0.15%時凝膠強度出現峰值，成膠時間則隨著引發劑YF-3的增加而減小。

當引發劑YF-3加量過小時，產生的自由基質量濃度低，不足以充分引發單體聚合；增加引發劑用量，相應產生的自由基質量濃度變大，聚合速率加快，相對分子質量增大，凝膠強度也隨之增加；但當引發劑YF-3加量過大時，鏈終止速率增大，鏈增長活性自由基猝滅幾率增大，凝膠相對分子質量較小，強度變低[14]。

2.1.3 交聯劑JL-5加量 固定單體DT-1加量8%，引發劑YF-3加量0.15%，只改變交聯劑JL-5的加量進行聚合物凝膠的制備，75℃條件下研究其對凝膠強度及成膠時間的影響，實驗結果（見圖5）。

圖5 交聯劑JL-5加量對凝膠強度及成膠時間的影響Fig.5 Effect of the quantity of crosslinking agent JL-5 on gel strength and gelling time

由圖5可見，當交聯劑JL-5加量不斷升高，凝膠強度先升高后減小，成膠時間逐漸縮短，當交聯劑加量為0.15%時，凝膠強度最大。

低交聯劑加量條件下單體DT-1發生聚合后，聚合物之間難以交聯形成凝膠，因此凝膠強度較低；在交聯劑JL-5加量升高至一定值時，線性大分子鏈結構可以有效轉化為網狀凝膠，凝膠強度提高；但當交聯劑JL-5加量過高，體系發生類似Trommsdroff-Norrish效應，使凝膠強度下降[15]。

2.1.4 聚合物凝膠封堵性能 雙液法模擬填砂管封堵實驗，通過候凝時間與填砂管突破壓力和封堵率的關系，結果（見表 1）。

結果表明，A、B兩組工作液在填砂管模型中混合36 h后，水驅突破壓力升至1.93 MPa/m，繼續延長候凝時間水驅突破壓力、殘余阻力系數、封堵率都基本保持不變；36 h時，封堵率為92.57%。這表明36 h時單體在模型內有效聚合并形成了具有封堵能力的凝膠體系，可以封堵管內大孔隙，降低滲透率，封堵效果顯著[16]。

表1 聚合物凝膠的封堵性能Tab.1 Plugging property of polymer gel

2.2 納米級聚合物微球的制備

聚合物微球粒徑在納米級別幾乎無黏度，可以順利進入地層深部，之后聚合物微球逐漸吸水膨脹體積變大，可以有效堵塞孔道，實現深部調驅[17]。

2.2.1 交聯劑JL-9加量 在攪拌速率為1 000 r/min、水相單體DT-2質量分數為5.0%、引發劑YF-4加量0.50%（以單體質量計）的條件下，改變水相中交聯劑JL-9加量，研究在75℃溫度條件下對微球粒徑分布的影響，測定在模擬地層水中水化5 d后微球的粒度分布（見圖6）。

由圖6可見，當交聯劑JL-9用量為0.60%時，微球粒徑最高。整體來看，微球的粒徑在100 nm以下，與地層的孔道配伍性不佳。

2.2.2 引發劑YF-4加量 在攪拌速率1 000 r/min、水相單體DT-2質量分數為5.0%、交聯劑JL-9加量0.60%（以單體質量計）的條件下，改變水相中引發劑YF-4加量，研究在75℃溫度條件下對微球粒徑分布的影響，在模擬地層水中水化5 d后微球的粒度分布結果（見圖7）。

由圖7所示，當引發劑YF-4加量為0.50%時粒徑出現峰值，達到164 nm。說明隨引發劑用量的增加，聚合體系中自由基數量增多，從而使反應進行的更加充分，粒徑隨之增大。

圖6 交聯劑JL-9加量對聚合物微球粒徑的影響Fig.6 Effect of the quantity of crosslinking agent JL-9 on particle size of polymer microsphere

圖7 引發劑YF-4加量對聚合物微球粒徑的影響Fig.7 Effect of the quantity of initiator YF-4 on particle size of polymer microsphere

表2 聚合物微球的調驅性能Tab.2 Plugging property of polymer microsphere

2.2.3 聚合物微球封堵性能 配制質量分數為20%的聚合物微球溶液注入到模擬的填砂管中，75℃的恒溫烘箱中溶脹5 d后進行后續水驅。反映聚合物微球溶液吸水膨脹后水驅壓力梯度變化和封堵性能實驗結果（見表2）。注入填砂管中的微球吸水膨脹一段時間后，會形成對高滲孔道的選擇性封堵，從而調整高低滲區域的滲透率調驅效果。由表2可見，雖然制備的聚合物微球的粒徑不到200 nm，但對于填砂管模型產生了有效的封堵，最終殘余阻力系數達到17.00，封堵率為94.12%。

3 結論

（1）針對低滲透非均質油田堵水調剖/調驅劑在應用中存在的注入性差、常成膠過快且時間難以調控、體系強度低等問題，制備了可在油藏條件下原地聚合的凝膠和聚合物微球兩種調剖/調驅體系。

（2）優選的聚合物凝膠制備方法：單體DT-1加量8.0%、引發劑YF-3加量0.15%，交聯劑JL-5加量0.15%，反應溫度75℃，使用雙液法，成膠時間可達36 h，凝膠強度可達120 kPa。聚合物微球制備方法：將5.0%的單體DT-2、0.60%交聯劑JL-9、0.50%引發劑YF-4作為水相；以煤油為油相；以等質量的Span80/Tween80配制成5.0%的溶液作為乳化劑相，將三者以50%油相、10%乳化劑相、40%水相的比例混合，1 000 r/min的轉速攪拌分散，配制成W/O反相微乳液后，75℃在N2保護下繼續反應2 h制得。

（3）通過填砂管模型，進行了雙液法模擬驅替，結果表明聚合物凝膠的成膠時間延長至36 h，對填砂管模型的封堵率達92.57%；優選條件下，聚合物微球溶脹5 d后，對填砂管模型的封堵率達94.12%。

4 展望

（1）本文制備的原地聚合凝膠與聚合物微球兩種調剖/調驅體系，面向難注入、難封堵、難持久的低滲/超低滲油藏，可以解決注入性、封堵強度及封堵持久性的問題，具有廣闊的應用前景。

（2）將本文制備的凝膠與微球兩種體系有機結合，形成強凝膠/弱凝膠體系，使強/弱封堵以及運移性能進一步強化，同時與地層的實際相結合，有望使堵劑體系的封堵效果及經濟性進一步提高，實現油田的增產與穩產。

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