耐溫凝膠體系的研制及性能評價*

劉國寶，孫銘澤

（東北石油大學石油工程學院，黑龍江大慶163318）

0 前言

在上世紀 70年代，Needham 等［1］建議利用聚丙烯酰胺（PAM）在多孔介質中的吸附和機械捕集效應對高含水層位進行有效封堵，使得化學調剖技術進入到一個新的發展階段。凝膠類調剖技術在調整油藏的非均質性、封堵高滲透層方面得到了廣泛應用［2-7］。擴大調剖劑的原料來源，降低調剖堵水劑的成本，并通過有機和無機堵劑的復配提高調剖劑的耐溫耐鹽性能，對提高油田采收率具有重要意義。魔芋粉是天然植物，且價格低廉，是目前已知植物膠中黏度最大的天然高分子多糖［8］。魔芋粉的主要成分為葡甘聚糖，易溶于水，且水溶液黏度大。采用高鹽度魔芋粉水溶膠與膠凝劑作用，在加熱條件下可形成具有一定強度的彈性凝膠［9］。魔芋粉形成的凝膠具有彈性、強度適中、可以生物降解，將其用作油井堵水材料，既是可再生資源，又不存在環境問題。本文以魔芋粉為主劑、乙酸鉻為交聯劑、木質素磺酸鈉為延緩交聯劑、亞硫酸鈉為除氧劑，并加入適量部分水解聚丙烯酰胺研制了一種的耐溫凝膠體系，并研究了該凝膠體系的耐溫抗鹽性、長期穩定性和封堵性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

魔芋粉，有效含量99%，河南金潤食品添加劑有限公司；部分聚丙烯酰胺（HPAM），相對分子質量分別為700×104、1400×104數 1600×104、1900×104數2200×104、2500×104、2500×104數 3000×104，勝利化工有限責任公司；乙酸鉻，有效含量50%，天津市光復精細化工研究所；木質素磺酸鈉，有效含量80%，天津市致遠化學試劑有限公司；亞硫酸鈉，有效含量98%，沈陽市華東試劑廠；NaCl，有效含量99.5%，沈陽市華東試劑廠；MgCl2·6H2O，有效含量98%，沈陽市華東試劑廠；CaCl2，有效含量96%，沈陽市華東試劑廠。

ZJ-Ⅱ型蒸汽驅油實驗裝置，南通市中京機器有限公司；高溫熱反應釜（45 mL），上海予名儀器設備有限公司；HAAKE RheoStress 6000 型高溫高壓流變儀，Thermo Fisher Scientific公司；2PB00C 系列平流泵，北京衛星制造廠；HB-1型壓力監測系統，江蘇宏博機械制造有限公司；ZR-Ш型活塞容器，南通市中京機械有限公司；2XZ-8 型直聯高速旋片式真空泵，北京儀器廠北京北儀真空設備廠。

1.2 魔芋粉凝膠的制備

（1）聚合物的篩選

將5 種HPAM 分別配制為質量濃度2 g/L 的溶液，分別在25℃和100℃下恒溫靜置16 h，并用高溫高壓流變儀在25℃、剪切速率10 s-1下測定HPAM溶液的黏度。

（2）凝膠體系各組分的優化

向200 mL 的蒸餾水中加入一定量的魔芋粉、HPAM、乙酸鉻、木質素磺酸鈉、亞硫酸鈉，采用單因素實驗在85℃下考察各組分用量對凝膠成膠時間（即形成不流動凝膠的時間）的影響，從而確定最優配方。

1.3 魔芋粉凝膠的性能評價

（1）凝膠體系的耐溫性能評價

將一定量的魔芋粉凝膠體系置于高溫熱反應釜中，分別在60℃、90℃、120℃和150℃下進行恒溫成膠反應，不定時觀察，待形成不流動凝膠時冷卻，并用高溫高壓流變儀在25℃、剪切速率10 s-1下測定體系的黏度，評價凝膠體系的耐溫性能。

（2）凝膠體系的抗鹽性能評價

向蒸餾水中加入一定量的無機鹽（NaCl、MgCl2·6H2O 或 CaCl2）配制不同濃度（0.4、0.8、1.0、1.2 和1.4 g/L）的鹽水溶液，然后用鹽水配制魔芋粉凝膠體系，用高溫熱反應釜在90℃下進行恒溫成膠反應，并用高溫高壓流變儀在25℃、剪切速率10 s-1下測定成膠后的黏度，評價不同的無機鹽離子對凝膠性能的影響。

（3）凝膠體系長期穩定性能評價

將一定量的配制好的凝膠在85℃下長期加熱1、5和10 d，觀察其狀態的變化，并用高溫高壓流變儀在25℃下、剪切速率10 s-1下測定凝膠的黏度，評價凝膠的穩定性能。

（4）封堵性能評價

用真空泵將裝填好的填砂管（100 cm×φ 5 cm）抽至真空，飽和水后計算填砂管的孔隙度；然后用平流泵以10 mL/min 的注入速度注入蒸餾水，計算封堵前填砂管的水相滲透率K1；再以相同的注入速度一定量的（0.2 PV、0.5 PV）的魔芋粉凝膠體系，在90℃下恒溫養護成膠，測定封堵后填砂管的水相滲透率K2，按式（1）計算巖心封堵率P，評價其封堵性能。

2 結果與討論

2.1 魔芋粉凝膠體系配方優化

（1）HPAM的篩選

將質量濃度為2 g/L 的不同相對分子質量的HPAM 溶液分別在100℃熱處理16 h，然后在25℃、剪切速率10 s-1下測定熱處理前后HPAM 溶液的黏度，結果見表1。由表1可知，在室溫下，隨著HPAM相對分子質量的增大，相同濃度的HPAM溶液的黏度增高。100℃恒溫加熱16 h 后，不同相對分子質量的HPAM溶液的黏度均有不同程度的降低，其中相對分子質量為 1900×104數 2200×104的 HPAM 溶液黏度的降幅最小，說明該HPAM 的耐溫性能最好。因此，在凝膠的配制中選用相對分子質量為1900×104數 2200×104的HPAM。

表1 質量濃度2 g/L的不同相對分子質量的HPAM溶液在熱處理后的黏度變化

（2）凝膠體系各組分的優化

向200 mL 的蒸餾水中加入一定量的魔芋粉、HPAM、乙酸鉻、木質素磺酸鈉、亞硫酸鈉，采用單因素實驗在85℃下考察各組分用量對凝膠成膠時間（即形成不流動凝膠的時間）的影響，結果見表2。由實驗1數3可以看出，隨著魔芋粉加量的增大，成膠時間先縮短后延長，魔芋粉加量選擇1.2 g最為合適；根據實驗4數6的成膠時間情況，考慮到將凝膠注入地層需要一定時間，因此，成膠時間不宜過長或過短，故HPAM加量選取1.0 g為宜；由實驗7數9可以看出，隨著交聯劑乙酸鉻加量的增加，成膠時間縮短，但是交聯劑加量過多會使魔芋粉與HPAM的交聯時間過短，不能滿足現場注入時間的施工要求，因此將交聯劑加量控制在1.4 g 最為恰當；由實驗10數12 可以看出，隨著延緩交聯劑木質素磺酸鈉加量的增大，交聯時間逐漸延長，在實際操作中交聯時間過長會延長施工時間，而過短則無法達到注入的時間要求，因此確定木質素磺酸鈉加量為0.8 g；由實驗13數15可以看出，亞硫酸鈉加量對凝膠的成膠時間沒有太大影響，其主要起除氧作用，其加量確定為0.1 g。綜上，魔芋粉凝膠體系的優化配方為：200 mL蒸餾水+1.2 g魔芋粉+1.0 g聚丙烯酰胺+乙酸鉻1.4 g+木質素磺酸鈉0.8 g+亞硫酸鈉0.1 g。

表2 魔芋粉凝膠體系各組分的優化實驗

2.2 魔芋粉凝膠體系的耐溫性能

優化配方的魔芋粉凝膠體系分別在60℃、90℃、120℃、150℃下持續加熱的成膠時間及成膠后的黏度見表3。由表3可以看出，隨著溫度的升高，成膠時間縮短，這是因為溫度越高交聯劑鉻離子運動越劇烈，成膠時間越短。在90℃及以下時，凝膠黏度變化不大；溫度從90℃升至120℃，凝膠黏度增加了6400 mPa·s，說明該凝膠耐溫性能優異，適合封堵作業。

表3 溫度對凝膠體系成膠時間及凝膠黏度的影響

2.3 魔芋粉凝膠體系的抗鹽性能

油田地層水的礦化度嚴重影響著凝膠在地層中的成膠性能，因此，礦化度的大小制約著凝膠在封竄方面的廣泛應用。用不同濃度MgCl2.、CaCl2和NaCl溶液配制的魔芋粉凝膠體系在120℃下的凝膠黏度見表4。由表4可以看出，配液用水中加入一定量的 MgCl2、CaCl2或 NaCl 后，所配制的魔芋粉凝膠體系成膠后的黏度高于用蒸餾水配制體系成膠后的黏度；隨著鹽離子加量的增大凝膠黏度逐漸減低。電解質的加入抑制了木質素磺酸鈉的金屬離子交換作用效果，使得凝膠黏度升高出現反常黏度。隨著鹽離子加量不斷增多，凝膠開始產生脫水現象，黏度開始下降。Mg2+、Ca2+帶有兩個電荷，對聚合物鏈影響相比于Na+要大。由此可見魔芋粉凝膠體系不僅具有良好的抗鹽性能，而且加入適量的鹽離子可以提高凝膠的黏度。

表4 鹽離子對凝膠黏度的影響

2.4 魔芋粉凝膠體系的長期穩定性能

取一定量配制好的凝膠，在85℃下長期加熱1、5、10 d，觀察其狀態的變化，并測試凝膠黏度，結果見表5。由表5可以看出，凝膠黏度隨著加熱時間的延長而緩慢降低，加熱10 d后的凝膠黏度仍高達為2350.7 mPa·s，與加熱1 d 后的黏度相比僅降低了17.14%，說明該凝膠體系具有較好的長期穩定性。

表5 加熱時間對凝膠強度的影響

2.5 魔芋粉凝膠體系的封堵性能

魔芋粉凝膠體系對滲透率4.3μm2左右的填砂管巖心的封堵情況見表6。向孔隙度為42.81%的填砂管巖心中以10 mL/min的注入速度注入0.2 PV的魔芋粉凝膠體系，突破壓力為3.3482 MPa，封堵率達95.86%；向孔隙度為45.86%的填砂管巖心中以10 mL/min的注入速度注入0.5 PV的魔芋粉凝膠體系，突破壓力為5.86 MPa，封堵率高達98.35%。可見該種凝膠體系具有較強的封堵性能，可有效封堵大孔隙地層。

表6 不同凝膠注入量封堵效果數據

3 結論

配方為200 g 蒸餾水+0.5% HPAM+0.6% 魔芋粉+0.7%乙酸鉻+0.4%木質素磺酸鈉+0.25%亞硫酸鈉的魔芋粉凝膠體系，具有較好的耐溫性、抗鹽性和長期穩定性。在溫度120℃、礦化度1.g/L 下，凝膠黏度在10000 mPa.s左右。

該凝膠體系具有良好的封堵性能，向滲透率為4.1763 mm2的填砂管巖心中注入0.5 PV的魔芋粉凝膠體系，封堵率高達98.35%，突破壓力高達5.860 MPa。