HPAM增強CO2引發硅酸凝膠的性能

馬 濤

（中國石化 石油勘探開發研究院 中國石化海相油氣藏開發重點實驗室，北京 100083）

硅酸凝膠是由硅酸溶膠轉變而來的一種失去流動性的體系，作為油井堵水、水井調剖材料被國內外油田廣泛應用［1-10］，優點是價格低、黏度小，易于進入地層深部。目前有兩種注入方式，一種是將硅酸鹽與活化劑配成溶液一起注入地下，該方法的優點是成膠效率高，缺點是成膠時間短，不能大量注入，不能進行深部處理，而且地層溫度越高，膠凝時間越短［11-12］；另一種注入方式是將活化劑與硅酸鹽分開注入，中間用隔離液隔開，該方法雖然能夠控制反應時間，但由于兩個液相在多孔介質中接觸混合不充分，導致凝膠形成率低，藥劑利用率低。CO2溶于水即為碳酸，可作為硅酸凝膠的活化劑，而且CO2具有很好的穿透性，能夠輕松穿透隔離液而溶于硅酸鹽水溶液中，從而降低硅酸鹽水溶液的pH，引發膠凝反應，形成硅酸鹽凝膠。施工時先注硅酸鹽水溶液，然后注水作為隔離液，最后注入CO2，CO2快速穿透用作隔離的水段塞引發硅酸產生凝膠，因此只要控制隔離段塞的大小，就不會在近井地帶過快成膠。由于活化劑引發的硅酸凝膠都具有一定的脆性，因此有學者研究了用高分子聚合物增強凝膠［13-14］。

本工作采用部分水解聚丙稀酰胺（HPAM）增強CO2引發的硅酸凝膠。利用黏彈性測試及封堵性實驗考察了體系組成對凝膠黏彈性的影響，分析了HPAM增強硅酸凝膠的熱穩定性、注入性和封堵性。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

3模硅酸鈉固體：工業品，青島優索化學科技有限公司；NaCl：分析純，北京化學試劑公司；HPAM：工業品，固含量89.6%，勝利方圓公司。

高溫高壓流變儀：HAAKE Mars Ⅲ型，賽默飛世爾公司。

1.2 聚合物增強硅酸凝膠的制備

用模擬鹽水（0.5%（w）NaCl）配制不同條件的硅酸鹽水溶液，按實驗用量加入HPAM充分溶解，取100 g置于100 mL藍蓋瓶中，向水溶液中通入CO2氣體至溶液剛剛變暗，快速將蓋子擰緊并置于烘箱中70 ℃下反應20 h。

1.3 測試表征

黏彈性測試：以彈性模量、黏性模量為指標，流變儀進行測量，使用PTMP-35S帶防滑紋測量頭及底盤，將凝膠試樣用工具制成5～7 mm厚度圓片，測量時試樣間隙較試樣厚度小0.5 mm。測量參數為：1 Pa，1 Hz，60 s，25 ℃。溶液黏度測量采用高溫高壓流變儀，Z41轉子，Z43桶，測量條件為：7.34 s-1，70 ℃，剪切間隙 3.0 mm，11.7 mL。

封堵性實驗步驟：使用填砂巖心模型（φ2.5 cm×30 cm），填80～100目石英砂，20～40目石英砂封口。測氣相滲透率、飽和水、測孔隙度。70 ℃下測水相滲透率，并記錄壓差Δp1，流量0.5 mL/min；注硅酸凝膠體系和CO2，記錄壓差Δp2；恒溫48 h水驅記錄壓差Δp3。

在模型、流速相同情況下，流度降低程度/封堵率（A）為：

式中，Δp1為注堵劑前測水相滲透率時的壓差，MPa；Δp3為堵劑凝固后測水相滲透率時的壓差，MPa。

2 結果與討論

2.1 聚合物用量的影響

使用鹽酸引發的硅酸凝膠的彈性模量隨鹽酸用量的增加而增加，鹽酸含量低于0.74%（w）時很難形成凝膠，鹽酸含量大于1.6%（w）時立即成膠，此時形成的凝膠的彈性模量為2 127.9 Pa，而在不加HPAM時，CO2引發硅酸凝膠的彈性模量為2 378.3 Pa，說明CO2引發形成的硅酸凝膠性能好于鹽酸引發的硅酸凝膠的性能，因此本工作采用CO2引發的硅酸凝膠。

固定硅酸鹽的含量為6%（w），考察HPAM用量對硅酸凝膠黏彈性的影響，結果見圖1。從圖1可看出，隨著HPAM用量的增加，所形成硅酸凝膠的彈性增加。當HPAM用量由0增加到300 mg/L時，凝膠的彈性模量由2 378 Pa增加至3 390 Pa，增幅為42.6%；此后繼續增加HPAM用量，凝膠的彈性模量增加幅度變緩，HPAM用量為880 mg/L時，凝膠的彈性模量增至3 750 Pa。

圖1 HPAM用量對硅酸凝膠黏彈性的影響Fig.1 The effect of HPAM dosage on viscoelasticity of silicate gel.

硅酸凝膠的黏性模量隨HPAM用量的增加而增大，但規律與彈性模量有所不同。當HPAM用量由0增加到500 mg/L時，黏性模量由46.4 Pa增加至59.2 Pa，增幅為27.6%，增幅小于彈性模量的增幅。此后繼續增加HPAM用量，凝膠的黏性模量增幅加大，當HPAM用量增至880 mg/L時，凝膠的彈性模量為119 Pa，較HPAM用量為500 mg/L時增加了1倍。

聚合物HPAM用量較低時對凝膠的彈性增加效果明顯，隨著HPAM用量的增加，這種增加效應變弱，而HPAM本身的黏性作用增強，這是因為HPAM用量增加后，溶液體系中HPAM分子增多，對硅酸凝膠的分子網絡密度造成影響。綜合考慮，確定HPAM用量為500 mg/L較適宜。

2.2 硅酸鹽用量的影響

固定HPAM用量為500 mg/L，考察硅酸鹽用量對硅酸凝膠黏彈性的影響，結果見圖2。從圖2可看出，硅酸鈉用量越高，所形成凝膠的彈性模量越大。硅酸鹽含量由5%（w）增加至9%（w）時，凝膠的彈性模量由1 800 Pa增加至7 168 Pa，基本呈直線增加；凝膠的黏性模量由22.9 Pa增加至95.4 Pa，也基本呈直線增加。硅酸鹽用量為9%（w）時，凝膠的黏性模量達到156.7 Pa。這是因為隨硅酸鈉含量的增加，凝膠中的硅酸分子網絡密度增大，且遠大于HPAM分子網絡。

圖2 硅酸鈉用量對凝膠黏彈性的影響Fig.2 Effect of sodium silicate dosage on the viscoelasticity of gel.

2.3 熱穩定性

將6%（w）硅酸鈉+0.05%（w）HPAM組成的體系所形成的凝膠在70 ℃下長期放置，每隔一段時間取出一個試樣測量凝膠的黏彈性，考察凝膠的長期熱穩定性，結果見圖3。從圖3可看出，隨老化時間的延長，凝膠的彈性模量和黏性模量均有所降低，老化實驗進行96 d后，彈性模量由2 809 Pa降至1 830 Pa，降幅35%；黏性模量由45.6 Pa降至25.5 Pa，降幅44%。盡管如此，凝膠的強度仍然在J級，搖動玻璃瓶，能感覺到音叉般的機械振動，完全能滿足對高滲層氣、水流度的控制。

圖3 老化時間對凝膠黏彈性的影響Fig.3 Effects of aging time on viscoelasticity of gel.

2.4 凝膠體系成膠前黏度

為了考察硅酸鈉+ HPAM體系的注入性，對其黏度進行測量并與純HPAM溶液、硅酸鈉溶液進行比較，結果見表1。從表1可看出，70 ℃時500 mg/L的HPAM溶液的黏度為3.88 mPa·s，6%（w）硅酸鈉溶液的黏度為0.62 mPa·s，硅酸鈉+ HPAM體系的黏度介于兩者之間。說明HPAM增加了硅酸鹽溶液的黏度，而硅酸鹽的存在降低了HPAM的增黏效果。兩種配比的硅酸鈉+ HPAM體系在油藏溫度下的黏度均小于3 mPa·s，注入性不存在問題。

表1 不同體系的黏度Table 1 Viscosities of different systems

2.5 硅酸凝膠的封堵性

在水測滲透率為1.2 D的模型中注入1 PV的6%（w）硅酸鈉溶液，然后注入0.2 PV的CO2，70 ℃下恒溫20 h，注水測封堵率，結果見圖4。從圖4可看出，硅酸凝膠形成后，封堵率在97%以上，水相滲透率由封堵前的1.2 D降至27 mD。實驗結束后，模型中的石英砂取出后發現膠結在一起，呈塊狀，說明凝膠在多孔介質中生成，且整個模型的狀態一致。相同條件下，注入HPAM增強硅酸凝膠后，封堵率在99%以上，水相滲透率由封堵前的1.2 D降至6 mD，說明HPAM增強硅酸凝膠的封堵能力更強。

圖4 聚合物增強硅酸凝膠的封堵效果Fig.4 The plugging result of silicate gel with polymer.

將形成了HPAM增強硅酸凝膠的填砂管模型放入70 ℃烘箱中，考察封堵的耐沖刷性和長期穩定性，結果見圖5。

圖5 老化時間與封堵率關系曲線Fig.5 Relationship curve between aging time and plugging rate.Test conditions referred to Fig.4.

從圖5可看出，老化實驗初期，HPAM增強硅酸凝膠的封堵性能略有下降，而后上升，但封堵率一直在99%以上。這是因為實驗初期模型中還有殘存的CO2氣體，造成封堵率略有下降；也有可能是初期少量凝膠的運移。后期隨著實驗的進行，模型中的CO2全部驅出，CO2的影響消除；另外凝膠在低礦化水中具有一定的吸水膨脹性能，以及少量凝膠運移后形成的架橋堵塞等因素導致封堵率增加。實驗進行46 d后，封堵率已經高于實驗初期，說明HPAM增強硅酸凝膠具有較好的長期穩定性，能夠在儲層中長期起作用。

3 結論

1）CO2引發形成的硅酸凝膠性能好于鹽酸引發的硅酸凝膠的性能。

2）采用6%（w）硅酸鈉+ 0.05%（w）HPAM體系時，所形成凝膠的黏彈性能較好，該體系形成的凝膠在70 ℃下老化96 d后，凝膠的強度仍然能滿足對高滲層氣、水流度的控制。

3）6%（w）硅酸鈉+ 0.05%（w）HPAM體系和4%（w）硅酸鈉+ 0.05%（w）HPAM體系在油藏溫度下的黏度均小于3 mPa·s，注入性不存在問題。

4）HPAM增強硅酸凝膠的封堵能力更強，注入HPAM增強硅酸凝膠后，46 d后，封堵率在99%以上。