三元復合驅后微膨型封竄劑體系的研制及應用*

吳晨宇

（1.大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶 163453；2.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室，黑龍江大慶 163453）

目前，強堿/表面活性劑/聚合物三元復合驅（以下簡稱為三元驅）技術被推廣應用于大慶油田的礦場試驗中［1-2］，取得了顯著效果，進一步提高了水驅后原油的采收率。然而由于水驅油井固井質量差、強堿三元驅注入井與水驅油井存在共射層等原因，部分井管外竄造成層間強堿三元復合驅體系竄槽嚴重［3-6］，造成極大浪費，影響強堿三元驅的開發效果。由于強堿三元復合驅體系中的堿含量較高，常規的封竄劑體系在此環境中不成膠或成膠較弱，固化強度不高，封竄劑會出現破碎現象，封堵長期穩定性無法保證［7］。利用水泥進行封堵封竄后需進行射孔，而且若封堵效果不理想還需進行二次封堵，對套管損傷大，極大影響了封竄劑體系的封堵效果。本文通過調研封堵封竄劑［8-13］及相關技術［14-18］，并結合大慶油田三元驅區塊的特點［19-20］，開展了適合三元復合驅后的微膨型封竄劑體系研究，研究了封竄劑固化體在三元復合驅體系中的長期穩定性、封竄劑與三元復合驅體系的配伍性以及封竄劑在三元復合驅體系環境下對巖心的封堵性能，并在油田現場進行了封堵封竄試驗，以驗證三元復合驅后現場封堵封竄效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

微膨型封竄劑由主劑、交聯劑、增強劑、微膨添加劑等組成，主劑：經過輻照后的丙烯酰胺與膨潤土的接枝半共聚高分子衍生物混合物，大慶輻照中心；交聯劑：過硫酸銨，分析純，泉瑞試劑廠；增強劑：N，N-甲叉基雙丙烯酰胺，天津福晨化學試劑廠，分析純；微膨劑1：OP-10，有效含量≥99%，泉瑞試劑廠；微膨劑2：十二烷基苯磺酸鈉，化學純，沈陽市華東試劑廠；硬化劑：G 級水泥，大慶昆侖集團水泥有限公司。聚合物，相對分子質量25×106，水解度28%，北京恒聚化工基團有限責任公司；重烷基苯磺酸鹽（HABS），工業純，大慶助劑廠；NaOH，分析純，天津市巴斯夫化工有限公司。實驗用水為模擬地層水，礦化度8217.5 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：K++Na+2732.6，Ca2+11.6，Mg2+7.9，Cl-2101.6321.0實驗用巖心為石英砂環氧樹脂膠結人造巖心，直徑3.8 cm、長度30 cm，滲透率1.357 μm2。

BHC-II型抽空飽和裝置，江蘇華安科研儀器有限公司；260D 型Isco 驅替泵，美國Teledyne 公司；Sundoo型電子數顯彈簧拉壓試驗機，溫州山度儀器有限公司。

1.2 實驗方法

（1）微膨型封竄劑懸浮液的配制

常溫下，將一定量的主劑加入模擬地層水中，充分攪拌至主劑完全溶解，然后依次加入交聯劑、增強劑、微膨添加劑及硬化劑，體系呈均勻的懸浮液狀態后，將體系放置于45 ℃烘箱中。

（2）固化強度測定

將配制的微膨型封竄劑懸浮液置于標準模具中，待體系完全固化后，將其取出放于電子數顯彈簧拉壓試驗機上，向下按壓手柄對單位面積的微膨型封竄劑進行施壓，使封竄劑在高度上產生1 cm的形變，此時顯示屏上的承壓值即為該封竄劑的固化強度（單位N）。

（3）浸泡膨脹性測定

在45 ℃下，將封竄劑體系的固化體浸泡在三元復合驅體系（0.3% HABS+1.2% NaOH+0.2%HPAM）中，一段時間后測定固化體的強度和體積，由膨脹后體積與膨脹前體積之比計算膨脹倍數。

（4）長期穩定性

在45 ℃下，將封竄劑體系的固化體浸泡在5種不同濃度的三元復合驅體系中365 d，一定時間后測定固化體的強度和體積，以評價封竄劑固化體的長期穩定性。

（5）配伍性實驗

將主劑、交聯劑、增強劑、微膨劑及硬化劑依次加入5 種不同濃度的三元復合驅體系中，并攪拌均勻，測定固化時間和固化強度，根據固化情況評價封竄劑與三元復合驅體系的配伍性

（6）封堵性能測定

封竄劑在巖心中的封堵強度以突破壓力來表示。首先將巖心抽真空，水測滲透率，飽和三元復合體系，以注入速率2 mL/min 注入2 PV 的配制好的微膨型封竄劑，并在45 ℃恒溫箱內候凝24 h；最后以注入速率0.1 mL/min 反向注入三元復合驅體系，驅替壓力從零開始直至出口端流出第一滴液體，記錄進口端壓力即突破壓力（MPa）。實驗采用恒速法，整個實驗過程由壓力傳感器自動采集壓力。

2 結果與討論

2.1 體系各組分含量優選

2.1.1 主劑含量優選及其對固化效果的影響

要保證封竄劑在油田現場可起到較好的封堵效果，其性能既要滿足固化時間的要求，又要滿足固化后強度的要求。配制配方為主劑+0.12%交聯劑+0.09%增強劑的封竄劑體系，不同主劑加量（分別為5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%）下的固化時間和固化強度見圖1。由圖1可以看出，固化時間隨主劑加量的增加而縮短，固化強度隨主劑濃度的增加而顯著增強；主劑加量低于13%時，固化時間隨主劑濃度增加而急劇縮短，當主劑加量超過13%后，固化時間縮短的程度隨主劑濃率增加而趨于平緩。主劑加量越大，高分子衍生物在交聯劑作用下發生交聯反應越充分，反應速率越快，通過增強劑的連接形成三維網狀體，網狀體內空間由更多帶有多價陽離子或極性基團的分子填充，體系越穩定。主劑加量超過17%后，隨主劑加量的增大，固化強度的增加幅度不明顯。由此，主劑加量范圍以13%～17%為宜，既可滿足固化時間要求又保證了固化強度。

圖1 主劑加量對固化時間和固化強度的影響

2.1.2 交聯劑加量對固化效果的影響

固定主劑加量為15%、增強劑加量為0.09%，不同交聯劑加量（0.06%、0.09%、0.12%、0.15%、0.18%、0.24%）下封竄劑體系的固化時間和固化強度見圖2。由圖2 可以看出，隨交聯劑加量的增大，固化時間縮短，固化強度增強。交聯劑加量超過0.12%后，隨交聯劑加量的增大，固化強度超過8 N 且增幅趨勢明顯，此變化趨勢表明交聯劑加量達到0.12%后，交聯劑加量的增大，促進了更多的高分子衍生物參與交聯反應，反應速率增大，三維網狀體結構趨于穩定，體系強度不斷增加。交聯劑加量超過0.18%后，封竄劑體系強度增加幅度放緩。由此，交聯劑加量以0.12%～0.18%較為合適。

圖2 交聯劑加量對固化時間和固化強度的影響

2.1.3 增強劑加量對固化效果的影響

固定主劑加量為15%、交聯劑加量為0.15%，不同增強劑加量下封堵劑的固化時間和固化強度見圖3。由圖3可以看出，增強劑加量對固化時間的影響較小，固化強度隨增強劑加量的增大而增強，但整體增幅比較平緩。增強劑加量超過0.075%（即增強劑占交聯劑劑質量的50%）后，隨固化劑加量的增加，固化強度變化不大。此變化趨勢表明當增強劑占交聯劑質量的50%時，體系中多價陽離子或極性基團與主鏈和增強劑上的極性基團通過配位鍵或基團的極性作用使得體系的穩定性及強度達到最優，進而形成了穩定的高彈性橡膠狀封竄體，因此，增強劑加量定為交聯劑加量的50%較為合適。

圖3 增強劑加量對固化時間和固化強度的影響

2.1.4 微膨劑及硬化劑對封竄劑體系性能的改善

（1）微膨劑對體系性能的改善

封竄劑在三元復合驅體系中長期浸泡后，會出現明顯的膨脹現象且體積顯著增加，其固化強度也會隨體積不斷增大而顯著降低，封堵強度隨之下降。微膨劑的加入可以改善封竄體系在三元復合驅體系中浸泡時的膨脹程度，解決注入過程中的封竄劑吸水膨化較快、膨脹體積過大的問題。選取OP-10、十二烷基苯磺酸鈉2 種微膨劑，向配方為15%主劑+0.15%交聯劑+0.075%增強劑的封竄劑體系中加入一定量的微膨劑，待體系固化后置于三元復合驅體系中10 d，不同微膨劑及加量下封竄劑體系的體積膨脹倍數見表1。由表1可以看出，浸泡膨脹倍數隨著微膨劑加量的增大而不斷減小：加入質量分數0.3%～0.5%的微膨劑OP-10，封竄體系固化后在三元復合驅體系中浸泡10 d時的膨脹倍數＜1倍；加入質量分數0.8%～1.0%的微膨劑十二烷基苯磺酸鈉，封竄體系固化后在三元復合驅體系中浸泡10 d 時的膨脹倍數＜1 倍。

表1 不同微膨劑加量下封竄劑體系的體積膨脹倍數

封竄劑體系中引入OP-10或十二烷基苯磺酸鈉后，其在聚合物分子鏈中形成致密的水化溶劑層，水分子被更好地束縛在體系中，以此抗衡鹽離子的去水化作用。同時，酰胺基耐水解能力的大幅度提升也增強了金屬離子對聚合物分子鏈破壞的抵抗作用。

此外，OP-10 或十二烷基苯磺酸鈉能起到有效抑制酰胺基水解并增強熱穩定性的作用，同時分子鏈的剛性不斷增加，使其耐堿性顯著提高，改善了HPAM 耐堿性差的缺陷，保證了封竄劑固化后在三元復合驅體系中的體積膨脹倍數可控。由此表明，加入OP-10或十二烷基苯磺酸鈉的封竄劑體系微膨性能較好，OP-10 加量定為0.3%～0.5%、十二烷基苯磺酸鈉加量定為0.8%～1.0%較為合適。

（2）硬化劑對體系性能的改善

在封竄體系中加入硬化劑，使得各組分更好地膠結在一起，增加封竄劑固化強度。向體系Ⅰ（15%主劑+0.15%交聯劑+0.075%增強劑+0.4%微膨劑1）和體系Ⅱ（15%主劑+0.15%交聯劑+0.075%增強劑+0.9%微膨劑2）中分別加入一定量（1%、3%、5%、7%）的硬化劑G 級水泥，待體系固化后置于三元復合驅體系中30 d，不同硬化劑加量下封竄劑體系浸泡不同時間后的強度和體積膨脹倍數見表2 和表3。固化強度隨硬化劑加量的增大而增強，硬化劑加量超過5%時，固化強度＞20 N，硬化劑的加入極大提升了封竄劑體系的固化強度。硬化劑加量在1%～3%范圍內，隨著浸泡時間的延長，固化強度明顯地下降；而硬化劑加量在5%～7%范圍內，體系浸泡30 d后，強度下降幅度很小。封竄劑固化體在三元復合驅體系中浸泡30 d后，體積膨脹倍數隨硬化劑加量的增加而減小，硬化劑加量在5%～7%范圍內，體積膨脹倍數＜1.5倍。硬化劑的自應性能增加了體系的熱穩定性，使得體積膨脹倍數達到可控。由此，硬化劑加量以5%～7%較為合適。

表2 硬化劑加量對封竄劑體系Ⅰ固化強度和體積膨脹倍數的影響

表3 硬化劑加量對封竄劑體系Ⅱ固化強度和體積膨脹倍數的影響

水泥作為一種水硬性膠凝材料，加入封竄劑體系后，增強了主劑與主劑、主劑與增強劑、增強劑與增強劑之間的連接，又限制了主體鏈段的旋轉和振動，最終使封竄劑強度顯著增大。

2.2 微膨型封竄劑在三元復合驅環境中的性能

油田現場進行封堵封竄施工后，有效期是衡量施工效果的一個重要指標。由于竄流原因及竄流程度不同，管外竄導致三元復合驅替液的濃度也有所差異。利用聚合物、表面活性劑及堿配制5 種不同濃度的三元復合驅替液體系（見表4），用于進行微膨型封竄劑長期穩定性及配伍性實驗。

表4 不同濃度三元復合驅替體系組成

2.2.1 微膨型封竄劑在三元復合驅體系中的長期穩定性

在45 ℃下，將微膨型封竄劑體系Ⅰ（15%主劑+0.15%交聯劑+0.075%增強劑+0.4%微膨劑1+7%硬化劑）、體系Ⅱ（15%主劑+0.15%交聯劑+0.075%增強劑+0.9%微膨劑2+7%硬化劑）的固化體浸泡于5種不同濃度的三元復合驅替體系（見表4）中365 d，封竄劑固化體的強度和體積變化情況見表5。由表5 可以看出，兩種微膨型封竄劑固化體浸泡在三元復合驅體系中的強度隨三元復合驅體系濃度的增加而降低，在浸泡12 個月后，強度降低幅度在10%以內，表明該封竄體系在不同濃度的三元復合驅體系環境中均保持較好的長期穩定性，體系Ⅰ的強度穩定性略優于體系Ⅱ的。兩個體系的固化強度均＞20 N，浸泡12 個月后，強度最低仍能超過19 N，體積膨脹倍數＜1.5 倍，完全能夠滿足封堵強度的要求。

表5 封竄劑固化體在三元復合驅體系中長期浸泡對強度和體積的影響

2.2.2 微膨型封竄劑與三元復合驅體系的配伍性

利用不同濃度的三元復合驅體系配制的微膨型封竄劑（體系Ⅰ：15%主劑+0.15%交聯劑+0.075%增強劑+0.4%微膨劑1+7%硬化劑、體系Ⅱ：15%主劑+0.15%交聯劑+0.075%增強劑+0.9%微膨劑2+7%硬化劑）的固化時間和固化強度見表6。由表6可以看出，隨著三元復合驅體系濃度的增加，兩種微膨型封竄劑體系的固化時間均有所減少，固化強度均有所降低，但整體降幅不大，仍保持了較高的固化強度。此外，在配制過程中沒有出現絮凝、分層等現象，微膨型封竄劑在不同濃度的三元復合驅體系中均勻懸浮，完全固化后亦沒有出現析出、脆化、破碎等現象，這表明微膨型封竄劑與三元復合驅體系的配伍性較好。

表6 微膨型封竄劑與三元復合驅體系的配伍性

2.2.3 微膨型封竄劑體系的封堵性能

微膨型封竄劑在三元復合驅體系環境下對巖心的封堵效果如表7 所示。由表7 可以看出，微膨型封竄劑體系在三元復合驅環境下對巖心的封堵能力較好，滲透率相差較大的2 組巖心封堵后的突破壓力均達到了10 MPa 以上，巖心封堵率超過97%。注入巖心中的微膨型封竄劑體系在三元復合驅替環境中固化后的膨脹體積適中，封堵強度未發生顯著下降。

表7 微膨型封竄劑對巖心的封堵效果

2.3 現場應用效果

強堿三元復合驅區塊內生產井的采劑濃度高于全區平均值，含水回升速率也較全區平均值高，部分井竄流嚴重。隨著三元復合驅段塞的不斷注入，區塊采出井地層內三元復合驅體系含量高，pH值也高，因此封竄體系必須適合三元復合驅后的地層環境，才能對竄流部位進行有效封堵。

采用微膨型封竄劑對該區塊內9口井進行封堵封竄后，平均單井日產液下降10 m3，日產油增加0.68 t，含水下降2.0 百分點。以該區塊內一口竄流較為嚴重的生產井進行分析，其采出液中的聚合物和堿的濃度均高于全區平均值，采出液中表面活性劑的濃度跟全區濃度相當。該井的含水高，采劑濃度高，存在優勢滲流通道，導致竄流嚴重，造成注入的三復合驅體系無效循環。依據該井所在區塊的地質概況及井組的特征，確定了進行封堵封竄的選層原則及段塞組合設計原則，并進行段塞組合優化設計。利用微膨型封竄劑對竄流層位進行封堵，封堵后全井日產液降低30.3%；日產油最高增加1.58 t，含水下降4.1百分點，目前持續有效。該井產液剖面測試結果表明，措施后封堵層位產液比例由35.2%降至16.1%，非目的層吸液比例增加。隨后對三元驅注入井注入示蹤劑，對三元連通油井及可能存在竄流的水驅井取樣監測，封堵井封堵后均未見示蹤劑檢出，這證明該微膨型封竄劑在三元復合驅環境下穩定性好，能長時間保持封堵強度及封堵效果。

3 結論

配方為13%～17%主劑（經過輻照后的丙烯酰胺與膨潤土的接枝半共聚高分子衍生物混合物）+0.12%～0.18%交聯劑（過硫酸胺）+0.06%～0.09%增強劑（N，N-甲叉基雙丙烯酰胺）+0.3%～0.5%微膨劑OP-10（或0.8%～1.0%微膨劑十二烷基苯磺酸鈉）+5%～7%硬化劑（G 級水泥）的微膨型封竄劑體系的固化時間在1～5 h之內可控，固化強度超過20 N。

該體系在強堿三元復合驅環境下的成膠效果好，固化強度不降低；體系具有很好的微膨特性，浸泡后體積膨脹倍數＜1.5倍，進入地層后能很好地與地層進行無縫連接。該體系依靠固化膨脹提高封堵強度，突破壓力達到了10.0 MPa 及以上，巖心封堵率超過97%。

該微膨型封竄劑對油田現場9口竄流井的封堵效果良好，且具有長期封堵性。