有機顆粒高溫封堵體系的研制與性能評價*

舒 展，裴海華，張貴才，曹 旭，葛際江，蔣 平

（1.非常規油氣開發教育部重點實驗室（中國石油大學（華東）），山東青島 266580；2.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580）

0 前言

目前稠油油藏的開采方式主要以熱采為主［1—2］。隨著單位時間內注汽量的增加和注汽強度的提高，制約稠油采收率的汽竄現象變得越來越明顯，汽竄的發生使后期蒸汽在油藏各個方向上受熱不均勻，從而導致蒸汽波及體積變小、蒸汽的熱損失增加、生產成本提高等問題。使用合適的封堵劑能夠有效控制蒸汽的汽竄和超覆現象［3—6］，提高蒸汽波及體積，提高采油效率。目前市場上的封堵劑耐溫性能差，穩定性差，難以滿足現場施工要求［7—10］。相較于無機顆粒而言，有機顆粒具備高溫下易軟化的特點，不會對地層造成損害，有利于地層深處的封堵；同時有機顆粒還具備一定的油水選擇性封堵能力［11—14］。本文報道了一種有機顆粒耐溫耐鹽蒸汽封堵體系，評價了該體系的耐溫耐鹽性能、油水選擇性封堵能力和耐沖刷性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

十二烷基三甲基溴化銨、苯乙基苯酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚、苯乙基苯丙基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基三甲基氯化銨、十八烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基氯化銨，以上化學劑均為分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司。聚丙烯酰胺，相對分子質量6×107～8×107，固含量90%，水解度2%；部分水解聚丙烯酰胺，相對分子質量8×107～1×108，固含量90%，水解度15%；黃胞膠，胍膠，工業品，有效含量90%；上海國藥集團化學試劑有限公司。有機樹脂顆粒為粒度10～30 μm 的瀝青粉顆粒，東營達維化學有限公司。配液用水，pH均為7，除特殊指出外，均為礦化度為100012 mg/L 的模擬地層水，主要離子質量濃度（單位mg/L）：Cl-63013、469、1999、Ca2+4564、Mg2+534、K++Na+29768；耐鹽實驗其他地層用水包括：礦化度為80127 mg/L的模擬地層水1，主要離子質量濃度（單位mg/L）：Cl-49600、385、1632、Ca2+3723、Mg2+501、K++Na+24286；礦化度為61561 mg/L 的模擬地層水2，主要離子質量濃度（單位mg/L）：Cl-38200、285、1312、Ca2+2854、Mg2+376、K++Na+18534；礦化度為41102 mg/L的模擬地層水，主要離子質量濃度（單位mg/L）：Cl-26352、196、723、Ca2+1765、Mg2+201、K++Na+11865。實驗用油為脫氣脫水稠油，黏度25 Pa·s（50℃）。填砂管，由粒度60～120目石英砂填制而成，長度20 cm、直徑2.5 cm。

LB20ES型Waring Blender 攪拌機，美國斯伯明公司；90Plus PALS 型Zeta電位及粒度分析儀，美國布魯克海文儀器公司；ZQY-1 型高溫巖心物理模擬實驗裝置，海安石油科研儀器廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 封堵體系優選實驗

在100 g的地層水中加入0.1 g的表面活性劑配成攜帶液，然后加入1 g 瀝青粉顆粒后攪拌30 min；取顆粒分散液測定析水率、Zeta電位，以此優選表面活性劑。將優選的效果較好的表面活性劑按照不同比例進行復配，然后加入1 g 瀝青粉顆粒后攪拌30 min，測定顆粒分散液的析水率和Zeta電位，以確定表面活性劑復配比。改變最佳表面活性劑復配體系用量測定顆粒分散液析水率，確定表面活性劑最佳加量。

向最佳表面活性劑溶液中加入瀝青粉顆粒以及不同的水溶性聚合物，攪拌30 min后測定顆粒分散液的析水率，評價體系的穩定性。

1.2.2 封堵體系性能評價

（1）耐溫性評價：將最終優選的封堵體系密封后分別放置在100、150、180 和200℃的恒溫干燥箱中6 h，查看其析水情況，并測定析水率。

（2）耐鹽性評價：分別采用礦化度分別為40、60、80 和100 g/L 的地層水配制優選的封堵體系，密封后放置在150℃的恒溫干燥箱中6 h，在一定時間后查看其析水情況，測定析水率。

（3）封堵性和耐沖刷性能評價：參照中國石油天然氣行業標準SY/T 5590—2004《調剖劑性能評價方法》，向填砂管中注入瀝青粉顆粒封堵體系，在200℃下老化2 h；以1.67 mL/min 的注入速率注入20 PV的蒸汽，記錄蒸汽驅過程中的壓力變化，并按式（1）和（2）分別計算注入蒸汽過程中封堵率EW和封堵率下降率PRD。

式中：K1—注堵劑前注蒸汽滲透率，μm2；K2—注堵劑后注蒸汽滲透率，μm2。

式中：PRmax—蒸汽驅過程中由最大壓力計算得到的封堵率，%；PR20—蒸汽驅20 PV 時由對應壓力計算得到的封堵率，%。

（4）油水選擇性封堵能力評價：取兩根滲透率相似的填砂管飽和地層水，其中一根填砂管飽和原油作為模擬油層，將另外一根飽和地層水作為模擬水層。在60℃下向填砂管注入2 PV 軟化點為120℃的瀝青粉顆粒堵劑，老化2 h后，在150℃下測定封堵后對水相封堵率以及對油相的封堵率。

2 結果與討論

2.1 瀝青粉顆粒封堵體系的配方優化

2.1.1 分散劑的優選

（1）單一表面活性劑的優選

為研究不同表面活性劑溶液對瀝青粉顆粒的分散效果，分別用苯乙基苯酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚、苯乙基苯丙基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基三甲基氯化銨、十八烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲基氯化銨配制100 g的質量分數為0.1%表面活性劑溶液，將1 g 的瀝青粉顆粒加入表面活性劑溶液中，測定顆粒分散液的Zeta 電位，結果見表1。Zeta 電位絕對值越高，表明顆粒表面帶電量越大，由于同性相斥的原理，帶電量大的顆粒間排斥力越大，顆粒越不易聚結。反之，Zeta電位絕對值越小，顆粒在溶液中分散效果越差。由表1可知，將瀝青粉顆粒加入十二烷基三甲基氯化銨、十八烷基三甲基氯化銨、苯乙基苯酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚和苯乙基苯丙基酚聚氧乙烯醚溶液中后，Zeta 電位絕對值均小于10，說明瀝青粉顆粒在這些表面活性劑溶液中的分散效果較差；而將瀝青粉顆粒加入十六烷基三甲基溴化銨、十六烷基三甲基氯化銨和十二烷基苯磺酸鈉溶液后，Zeta 電位絕對值大于10，顆粒分散效果較好，同時表面活性劑的加入使得顆粒由疏水性變為親水性。

表1 不同表面活性劑顆粒分散液的Zeta電位

（2）CTAC/CTAB體系表面活性劑復配比例優選

選擇加入瀝青粉顆粒時Zeta電位絕對值最大、顆粒分散效果最好的表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）和十六烷基三甲基氯化銨（CTAC）進行復配，向100 g 的不同復配比下質量分數為0.1%的CTAC/CTAB 復配體系中加入1 g 的瀝青粉顆粒，顆粒分散液的Zeta電位和不同時間下的析水率見表2。與單一表面活性劑體系相比，復配體系的析水率更低，穩定性更高；同時復配體系的Zeta電位絕對值較大，表明復配體系對瀝青粉顆粒的分散效果較好。當十六烷基三甲基氯化銨和十六烷基三甲基溴化銨復配比為2∶3 時，不同時間下的析水率均最小，Zeta電位的絕對值最大，表明該復配體系對瀝青粉顆粒的分散效果較好，體系更加穩定。

表2 不同復配比的CTAC/CTAB復配體系的析水率與Zeta電位

（3）復配表面活性劑加量優選

表面活性劑加量對于顆粒的分散性有較大的影響，一般來說，加量越大，顆粒分散性越好，分散液越穩定，但是成本也會隨之增高。不同復配表面活性劑加量下，顆粒分散液的析水率見表3。由表3可以看出，隨著表面活性劑加量的增大，20 min后的顆粒分散液的析水率逐漸降低，當加量從0.03%增至0.05%時，析水率出現較大程度的降低，顆粒分散液的穩定性明顯提升，而當加量大于0.05%時，析水率降低幅度較小，同時考慮到成本因素，確定復配表面活性劑最佳加量為0.05%。

表3 不同復配表面活性劑加量下顆粒分散液的析水率

2.1.2 懸浮劑優選

（1）聚合物的優選

在構建顆粒懸浮體系的過程中，聚合物常被用來增強顆粒的懸浮性和穩定性。選取了HPAM、PAM、黃胞膠和胍膠4 種聚合物，向100 g 的CTAC/CTAB 復配溶液（CTAC、CTAB 復配比為2∶3，加量為0.5%）中加入質量分數為0.1%的不同聚合物，再加入1 g 的瀝青粉顆粒，顆粒分散液在不同時間下的析水率見表4。可以看出，加入聚合物靜置20 min時的析水率相較于不添加聚合物時的（37%）明顯降低。這是由于聚合物分子鏈較長，在溶液中相互纏繞，提高了體系的黏度，提升了體系的動力穩定性，使得顆粒不易沉降。從表4還可以看出，加入胍膠的顆粒分散液靜置2 h 時的析水率最低，僅為25%，而加入其他聚合物的顆粒分散液的析水率均在50%以上，這表明胍膠對于提升體系的顆粒懸浮能力和穩定性有較為明顯的效果，因此選用胍膠為體系的穩定劑。

表4 加入不同聚合物的顆粒分散液的析水率

（2）聚合物加量優選

聚合物的加入對懸浮體系的穩定性有較大的提升，一般情況下，聚合物加量越高，體系越穩定，但體系黏度也會隨之增高，不利于封堵體系注入地層。不同胍膠加量下顆粒分散液在不同時間下的析水率見表5。隨著胍膠加量的增大，不同時間下顆粒分散液的析水率均有所降低，這是由于胍膠用量的增大導致體系黏度提升，使得顆粒不易沉降，懸浮性較好。當胍膠用量為0.7%和1%時，不同時間下析水率的變化不大，考慮到聚合物加量過高會使得體系黏度過大而不易注入地層，同時也會增加成本，因此確定胍膠用量為0.7%。

因此確定的瀝青粉顆粒堵劑最佳配方為：1%瀝青粉顆粒+0.7%胍膠+0.05%表面活性劑復配體系（十六烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基溴化銨質量比2∶3）。

表5 不同胍膠加量下顆粒分散液的析水率

2.2 瀝青粉顆粒封堵劑的耐溫耐鹽性能

2.2.1 堵劑的耐溫性

將按最佳配方配制的堵劑體系放入100、150、180 和200℃的烘箱內6 h 中，析水率分別為5%、11%、11%和20%。這表明高溫對堵劑穩定性產生了一定影響，但是堵劑在200℃下放置6 h的析水率也僅20%，說明堵劑具有較好的耐溫性能。

2.2.2 堵劑的耐鹽性

使用不同礦化度的地層水配制堵劑，將配制好的堵劑放入150℃的烘箱中，記錄6 h 內的析水量，結果見圖1?？梢钥闯?，隨著礦化度的升高，堵劑析水率出現一定程度的升高，但使用礦化度為100012 mg/L的地層水配制的堵劑靜置6 h后的析水率仍小于30%，表明該堵劑具備較好的耐鹽性能。

圖1 堵劑在不同礦化度下析水率曲線

2.3 瀝青粉顆粒封堵劑的高溫封堵性能

2.3.1 高溫封堵性和耐沖刷性

在60℃下先向填砂管中注入2 PV封堵劑，然后將填砂管放置在200℃干燥箱中老化2 h 并注入蒸汽至少20 PV，封堵劑對填砂管高溫封堵性和耐沖刷性能測試結果見表6?？梢钥闯觯诓煌瑵B透率填砂管中，該堵劑的封堵率均能保持在90%以上，注入蒸汽長時間沖刷后封堵率降低率較?。ǖ陀?.2%），表明該堵劑具有較好的耐沖刷性能。

表6 瀝青粉顆粒封堵劑封堵率

2.3.2 選擇性封堵能力

為研究瀝青粉顆粒堵劑的選擇性封堵性能，用石英砂填制兩根滲透率相似的填砂管，飽和地層水后，將其中一根填砂管飽和原油作為模擬油層，將另外一根飽和地層水作為模擬水層。在60℃下注入2 PV軟化點為120℃的瀝青粉顆粒堵劑，老化2 h后，在150℃下測定封堵后對水相封堵率以及對油相的封堵率，結果見表7。由表7 可以看出，堵劑在150℃條件下對水層的封堵率可以達到85%以上，而對油層的封堵率不足20%，表現出較好的選擇性封堵能力。這是由于瀝青粉顆粒可溶于原油，少量進入油層的瀝青粉顆粒，在地層溫度下溶于原油中并隨原油一起采出，不會對油層產生封堵作用；而樹脂顆粒在地層水中幾乎不溶解，因而會對水層產生較強的封堵作用。

表7 瀝青粉顆粒封堵劑的油水選擇性封堵率

3 結論

瀝青粉顆粒高溫封堵體系（1%瀝青粉顆粒+0.05%CTAC/CTAB（2∶3）+0.7%胍膠）在200℃下放置6 h 后的析水率僅20%；同時該堵劑具有較好的耐鹽性能，使用礦化度為100 g/L的地層水配制堵劑的析水率小于30%。

瀝青粉顆粒高溫堵劑對不同滲透率巖心的封堵率均能保持在90%以上，且注入蒸汽長時間沖刷后封堵率降低率低于3%，具有較好的耐沖刷性能。瀝青粉顆粒高溫堵劑具有較好的選擇性封堵能力，對水層的封堵率可高達85%以上，而對油層的封堵率低于20%。