高礦化度下弱凝膠體系調(diào)剖性能研究

張承麗，王 鵬，宋國亮

（1. 東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2. 東北石油大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

低滲透油藏往往存在大量裂縫，注水開發(fā)過 程中易造成水淹、水竄等現(xiàn)象［1］，因此需要對油水井進行調(diào)剖和堵水措施，進而提高低滲透油藏的采收率。弱凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)結(jié)合了聚合物驅(qū)的流度控制和調(diào)剖堵水的調(diào)整油藏滲透率非均質(zhì)性兩者的優(yōu)勢，可以大幅度提高油井產(chǎn)油量，降低含水，增加最終采收率［2］，但油藏高鹽條件嚴(yán)重限制了弱凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)的推廣應(yīng)用［3］。聚丙烯酰胺（HPAM）交聯(lián)體系形成的弱凝膠是由HPAM分子上的官能團與交聯(lián)劑之間發(fā)生反應(yīng)，形成復(fù)雜的具有三維立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分散體系，具有聚合物用量少、可流動性好、可選擇性封堵和剪切穩(wěn)定性好等優(yōu)點［4］。Sydansk［5］于1988年提出了利用HPAM和有機交聯(lián)劑生成的凝膠體系進行油藏調(diào)剖，目前，建立了該類凝膠體系的動力學(xué)［6-11］，解決了凝膠體系流變性和力學(xué)性能的評價［12-14］。Vega等［15］提出一種評價和調(diào)整凝膠體系的實驗方法可用來考察聚合物濃度、溫度等對凝膠體系的影響。Saez等［16］利用弱凝膠體系在位于阿根廷內(nèi)烏肯盆地的油田進行現(xiàn)場應(yīng)用，在部分井組取得了技術(shù)上和經(jīng)濟上的良好效果。但關(guān)于地層礦化度對凝膠體系的影響則鮮有報道。

本工作針對低滲透裂縫性油藏的特點，研制了一種適用于高礦化度低滲透裂縫性油藏的弱凝膠體系配方，并對其驅(qū)油效果進行了評價。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

利用三氯化鉻和乳酸配制不同質(zhì)量濃度（100，200，300，400 mg/L）和不同摩爾比（1∶5，1∶8，1∶10）的有機鉻交聯(lián)劑，采用硫脲配制不同質(zhì)量濃度的穩(wěn)定劑（600，800，1 000 mg/L）；聚合物為部分水解HPAM，相對分子質(zhì)量為25×106，根據(jù)實驗方案和實驗要求，配制成不同質(zhì)量濃度的聚合物溶液（1 000，2 000，3 000，4 000，5 000 mg/L）；實驗所用原油是模擬油田的地層油，脫水脫氣后，32 ℃下模擬原油的平均黏度為2.6 mPa·s；實驗用水模擬油田地層水，礦化度為29 500 mg/L。

為模擬低滲透裂縫性油藏中的裂縫系統(tǒng)，實驗?zāi)Ｐ筒捎酶邼B透巖心和低滲透巖心二管并聯(lián)。高滲透率巖心滲透率分別為 300×10-3，500×10-3，1 000×10-3μm2，低滲透率巖心滲透率為 10×10-3μm2，高低滲巖心二管并聯(lián)后，高滲透率巖心分別模擬滲透率為 300×10-3，500×10-3，1 000×10-3μm2的裂縫系統(tǒng)。

采用南通儀創(chuàng)實驗儀器有限公司的HW-4A型雙聯(lián)恒溫箱保持弱凝膠體系的溫度；利用上海巴玖實業(yè)有限公司的Brook fi eld DV-Ⅲ Ultra型旋轉(zhuǎn)黏度儀測量弱凝膠體系的黏度；使用濟寧市潤煤工礦物資有限公司的JJ-1型電動攪拌機將配置溶液攪拌均勻；利用自制巖石流動實驗裝置進行弱凝膠體系的驅(qū)油實驗。

1.2 弱凝膠調(diào)驅(qū)效果評價

弱凝膠調(diào)驅(qū)效果評價實驗步驟為：1）巖心抽空飽和地層水，32 ℃下恒溫8 h；2）水測滲透率，將巖心飽和原油后，靜止8 h，并計算巖心含油飽和度；3）使用地層水以0.20 mL/min的速率進行水驅(qū)實驗，至巖心出口含水98%（w），記錄壓力、油量等參數(shù)，計算水驅(qū)采收率；4）分別進行注入0.3～0.6 PV弱凝膠體系時的驅(qū)油實驗，并記錄壓力、產(chǎn)液量等數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素對凝膠性能的影響

2.1.1 聚合物濃度對調(diào)剖劑性能的影響

在水質(zhì)礦化度29 500 mg/L、實驗溫度32 ℃、交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為200 mg/L條件下進行凝膠性能實驗，結(jié)果見圖1。

圖1 凝膠強度隨聚合物濃度的變化曲線Fig.1 The gel strength changing with the polymer concentration.

從圖1可看出，凝膠黏度隨聚合物質(zhì)量濃度的增加而增大，當(dāng)聚合物質(zhì)量濃度超過3 000 mg/L時凝膠黏度增速逐漸減緩。在交聯(lián)劑濃度一定的條件下，有限的活化中心離子不能與過多的聚合物分子長鏈結(jié)構(gòu)充分接觸，弱凝膠體系黏度增加幅度減?。?7］。從深度調(diào)剖對凝膠強度（弱凝膠黏度大于4 000 mPa·s）的需要及節(jié)約成本的角度出發(fā)，適宜的聚合物質(zhì)量濃度為2 000～3 000 mg/L。

2.1.2 交聯(lián)劑質(zhì)量濃度對體系成膠的影響

在水質(zhì)礦化度29 500 mg/L、32 ℃、聚合物質(zhì)量濃度為2 000 mg/L、硫脲質(zhì)量濃度為800 mg/L、三氯化鉻/乳酸摩爾比為1∶8、pH=7條件下，設(shè)計有機鉻交聯(lián)劑的質(zhì)量濃度為100，200，300，400 mg/L，實驗考察了交聯(lián)劑質(zhì)量濃度對調(diào)剖劑成膠情況的影響，結(jié)果見圖2。從圖2可知，在一定聚合物濃度下，交聯(lián)劑質(zhì)量濃度的增加加快了成膠速度；總體上凝膠黏度先增加后減小，但交聯(lián)劑質(zhì)量濃度太高，則聚合物溶液會發(fā)生過度交聯(lián)，產(chǎn)生的凝膠會發(fā)生脫水收縮，從而使得凝膠穩(wěn)定性變差、黏度降低。一定濃度聚合物溶液要匹配合適的交聯(lián)劑濃度，研究發(fā)現(xiàn)聚合物與交聯(lián)劑的合理濃度比值在 10∶1～5∶1 之間［18］。

圖2 不同交聯(lián)劑質(zhì)量濃度下調(diào)剖劑的成膠情況Fig.2 The gelling situation of profile control agent changing with crosslinking agent concentration.

2.1.3 穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度對體系成膠的影響

通過凝膠黏度表征凝膠強度，在水質(zhì)礦化度28 000 mg/L、32 ℃、聚合物質(zhì)量濃度2 000 mg/L、交聯(lián)劑質(zhì)量濃度200 mg/L（聚合物與交聯(lián)劑質(zhì)量比為10∶1）、三氯化鉻/乳酸摩爾比為 1∶8、溶液pH=7條件下，設(shè)計不同的穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為600，800，1 000 mg/L，實驗考察了穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度對調(diào)剖劑成膠情況的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度對交聯(lián)反應(yīng)速度影響較小，所以成膠時間受穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度影響較??；但對凝膠強度影響較大，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度增加，凝膠強度提高，這是因為穩(wěn)定劑在成膠過程中生成樹脂，質(zhì)量濃度低時生成的樹脂量低，凝膠強度低。而質(zhì)量濃度超過一定范圍后，生成樹脂量增加，凝膠強度增強［19］。通過對比選取穩(wěn)定劑合理用量為800 mg/L。

圖3 穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度對調(diào)剖劑成膠情況的影響Fig.3 The gelling situation of profile control agent changing with stabilizer concentration.

2.1.4 不同配比的交聯(lián)劑對體系成膠的影響

通過凝膠黏度表征凝膠強度，在水質(zhì)礦化度28 000 mg/L、32 ℃、聚合物質(zhì)量濃度2 000 mg/L、交聯(lián)劑質(zhì)量濃度200 mg/L（聚合物與交聯(lián)劑質(zhì)量比為10∶1）、穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度為800 mg/L、溶液pH=7條件下，考察了三氯化鉻/乳酸不同配比對凝膠性能的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 不同配比的交聯(lián)劑對凝膠性能的影響Fig.4 The effect of crosslinking agent mixing ratio on gel properties.

從圖4可看出，凝膠強度隨乳酸/三氯化鉻摩爾比的增加而增大，這是由于過量的乳酸使絡(luò)合反應(yīng)的更加充分，因而凝膠強度得到提高，同時凝膠的成膠時間大體相近。

2.2 弱凝膠體系配方優(yōu)化

通過正交實驗來對體系配方進行優(yōu)化，正交實驗結(jié)果見表1。由表1可知，影響成膠性能的大小順序為：交聯(lián)劑濃度＞聚合物濃度＞三氯化鉻/乳酸的摩爾比＞穩(wěn)定劑濃度。凝膠強度隨聚合物和穩(wěn)定劑濃度的增加而增強；成膠時間隨交聯(lián)劑濃度、三氯化鉻/乳酸的摩爾比的增加而延長，凝膠強度減弱，當(dāng)聚合物和穩(wěn)定劑濃度低時幾乎不成膠。體系的優(yōu)化配方為：三氯化鉻/乳的摩爾比為1∶8，聚合物濃度為2 000 mg/L，穩(wěn)定劑濃度為800 mg/L，交聯(lián)劑濃度為200 mg/L。

2.3 弱凝膠調(diào)驅(qū)效果評價結(jié)果

三組模擬裂縫系統(tǒng)并聯(lián)巖心中的驅(qū)油實驗結(jié)果見表2。

表1 正交實驗結(jié)果Table 1 The results of orthogonal experiment

表2 三組模擬裂縫系統(tǒng)并聯(lián)巖心中的驅(qū)油實驗結(jié)果Table 2 The experimental results of three groups of simulated fractured systems in parallel cores

由表2可知，凝膠注入量（0.3～0.6 PV）越大，低滲管采收率提高值越高；在高滲管滲透率為300×10-3μm2的并聯(lián)巖心中，注入 0.4 PV 的凝膠時，低滲管采收率提高值為15.24%，能夠達(dá)到預(yù)期效果；在高滲管滲透率為500×10-3μm2并聯(lián)巖心中，注入0.5 PV的凝膠時，低滲管采收率提高值為15.44%，能達(dá)到預(yù)期效果；在高滲管滲透率為 1 000×10-3μm2并聯(lián)巖心中，由于兩管滲透率差別較大，注入0.6 PV的凝膠時，低滲管采收率提高值才能達(dá)到15.25%；因此，對于層間差異大的油層，或者對于存在高滲透率的油層，加大注入凝膠的量才能調(diào)整流量分配，使注凝膠后的注入水更多的進入低滲透油層驅(qū)油。

驅(qū)替實驗結(jié)果圖5。由表5可知，當(dāng)注入2.7 PV的凝膠時，體系壓力開始升高，凝膠開始封堵高滲層，后續(xù)注入水開始分流進入低滲層，低滲層采收率明顯提高。部分后續(xù)水頂替凝膠段塞在高滲層形成調(diào)驅(qū)效果，高滲層采收率得到提高后趨于平穩(wěn)，調(diào)驅(qū)效果良好。

圖 5 500×10-3 μm2與 10×10-3 μm2（0.4 PV）的并聯(lián)巖心中弱凝膠驅(qū)油實驗曲線Fig.5 The oil displacement experimental curve of weak gel system in 500×10-3 μm2 and 10×10-3 μm2（0.4 PV） parallel cores.

3 結(jié)論

1）隨交聯(lián)劑質(zhì)量濃度的增加，凝膠體系成膠速度加快，成膠強度增大，但穩(wěn)定性變差；穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度對凝膠體系成膠時間影響極小，但體系成膠強度隨穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度的增加而增大；隨交聯(lián)劑配比的增加，凝膠強度增大。

2）弱凝膠體系配方為：聚合物質(zhì)量濃度2 000 mg/L，穩(wěn)定劑質(zhì)量濃度800 mg/L，交聯(lián)劑質(zhì)量濃度為200 mg/L，三氯化鉻/乳酸的摩爾比為1∶8。

3）弱凝膠注入量越大（0.3～0.6 PV），低滲管采收率提高值越高。對于層間差異大的油層，或者對于存在高滲透率的油層，加大注入凝膠的量（0.6 PV）才能調(diào)整流量分配，注凝膠后的注入水更多的進入低滲透油層驅(qū)油。弱凝膠可以滿足本工作提出的 300×10-3～1 000×10-3μm2模擬裂縫滲透率范圍，可達(dá)到預(yù)計調(diào)驅(qū)效果。

4）當(dāng)注入2.7 PV時，壓力開始升高，凝膠開始封堵高滲層，后續(xù)注入水開始分流進入低滲層，低滲層采收率明顯提高。部分后續(xù)水頂替凝膠段塞在高滲層形成調(diào)驅(qū)效果，高滲層采收率得到提高后趨于平穩(wěn)，調(diào)驅(qū)效果良好。