淀粉接枝共聚物凝膠的穩油控水效果及工藝參數優化*

胡佳妮，李 歡，唐煜東，蘇 瑞，申 超，何宏林

（中國石油青海油田分公司采油一廠采油工藝研究所，青海海西蒙古族藏族自治州 817500）

0 前言

西部B油藏為礫巖油藏，平均孔隙度17%，平均滲透率614×10-3μm2，滲透率變異系數0.87，地層原油黏度16 mPa·s，地層水礦化度11331 mg/L。B 油藏目前正逐漸面臨大多數陸地油田所面臨的難題，經過長期的水驅開發，儲層層內、層間及平面非均質性嚴重［1-4］，優勢通道早已不再局限于高滲透層的近井地帶，深部儲層同時也會發育優勢通道［5-9］，注入水無效低效循環日益嚴重，采油效果并不樂觀，致使經濟開發效果較差［10-12］。實踐證明開展調剖堵水措施是改善水驅開發效果的有效措施［13-15］。針對這一問題，早已有科研人員提出了聚合物驅及凝膠驅等調剖堵水措施［14-16］，但市面上現存的藥劑對于高滲油藏實施效果并不是特別理想，其中很重要的原因在于聚合物驅體系的封堵性有限，而凝膠驅體系的深部運移能力較弱，只能較好地實現近井地帶封堵［17-19］。因此，開發出一種初始黏度低、深部運移能力強、成膠時間可控且封堵能力較強的調剖堵水體系，對于存在深部優勢通道的儲層具有重要意義。淀粉接枝共聚物凝膠兼具聚丙烯酰胺聚合物和淀粉兩者的優良性能，與常規凝膠相比，具有更好的凝膠強度、凝膠化時間、凝膠穩定性、耐溫耐鹽性及封堵滯留能力［20-23］，而且原料成本低，應用前景大，完全滿足目前油田所需藥劑需求，因此開展淀粉接枝共聚物凝膠的相關工作是非常有必要的，為此前人也做了一些研究工作。曹功澤等［24］研制了一種淀粉-丙烯酰胺接枝共聚的聚合物凝膠調堵劑，并采用30 m 的超長填砂管模擬了吉林扶余油田的基質和高滲透條帶，該調堵劑在運移過程中仍能形成凝膠，但完全成膠時間比在靜態條件下長；調堵劑完全成膠后具有很強的封堵能力；曹偉佳等［25］以渤海SZ36-1油田儲層巖石和流體為研究對象，開展了淀粉接枝共聚物凝膠堵水效果及作用機理研究，結果表明，渤海油田經過淀粉接枝共聚物凝膠堵水后，增油降水效果顯著，且原油黏度愈高，含水降幅越明顯。總體上關于淀粉接枝共聚物凝膠的研究多集中在合成方法、性能表征和常規方法的成膠強度等方面，很少有通過與現場實際情況相結合來探討其成膠及穩油控水效果。為了解決陸上油田大尺寸優勢通道封堵技術難題，本文以西部B油藏儲層和流體為研究對象，評價了淀粉接枝共聚物凝膠的微觀結構、成膠時間以及膠凝強度等，分析了成膠環境對最終成膠效果的影響，并通過室內巖心實驗開展淀粉接枝共聚物凝膠尺寸對巖心中低滲層的傷害研究，探討頂替液段塞尺寸、調剖注入時機及巖心非均質性對最終驅油效果的影響，優化最佳注入參數，以期為后續礦場試驗提供重要決策依據。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

丙烯酰胺、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，有效含量均為100%，常州耀圣美環保科技有限公司；淀粉，有效含量均為100%，泰安市金山變性淀粉有限公司；過硫酸銨、無水亞硫酸鈉，有效含量97%，濟南金昊化工有限公司；頂替段塞用聚合物HPAM，相對分子質量1200×104，固含量90 %，山東諾爾公司。有機鉻交聯劑，Cr3+有效含量1.64%，實驗室自制；“高分”聚合物，相對分子質量1900×104，固含量88%，水解度24.8%，大慶煉化公司。實驗用油為模擬油，由西部B 油田脫氣原油與煤油按一定比例混合而成，黏度16 mPa·s（油藏溫度60 ℃）。實驗用水為目標油田模擬注入水，礦化度11331 mg/L，主要離子質量濃度（單位mg/L）：K++Na+3352.5、Ca2+827.4、Mg2+329.1、Cl-4920.1、SO42-106.2、HCO3-266.5。滲流特性實驗所用巖心為人造膠結柱狀巖心，巖心滲透率Kg=300×10-3、600×10-3、1200×10-3μm2，巖心幾何尺寸為φ2.5 cm×10 cm。驅油實驗所用巖心為人造膠結三層非均質長巖心（見圖1），巖心幾何尺寸為30 cm×4.5 cm×4.5 cm，各小層厚度為1.5 cm。巖心Ⅰ滲透率Kg=300×10-3/600×10-3/1200×10-3μm2，巖心Ⅱ滲透率Kg=300×10-3/900×10-3/2700×10-3μm2，巖心Ⅲ滲透率Kg=300×10-3/1200×10-3/4800×10-3μm2；巖心Ⅳ滲透率Kg=600×10-3μm2，巖心幾何尺寸為60 cm×4.5 cm×4.5 cm，通過巖心入口端、距入口1/4、2/4和3/4處測壓點測量壓力，4個測壓點將巖心長度方向上劃分為“區域1、區域2、區域3和區域4”。

圖1 非均質巖心示意圖

DV-Ⅱ型布氏黏度儀，美國Brookfield 公司；DMA 型動態熱機械分析儀，梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司；AeroSurf1500型掃描電鏡，日立高新公司；驅替實驗裝置主要包括平流泵、壓力傳感器、巖心夾持器、手搖泵和中間容器等。除平流泵和手搖泵外，其余裝置置于60 ℃恒溫箱內。

1.2 調驅體系配制

向配液用水中加入3%丙烯酰胺、0.024%N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、2%淀粉、0.012%過硫酸銨和0.002%無水亞硫酸鈉攪拌均勻，得到淀粉接枝共聚物凝膠體系。

用配液用水配制質量濃度為3000 mg/L 的“高分”聚合物溶液，然后按聚合物與Cr3+質量比180∶1加入有機鉻交聯劑攪拌均勻，得到Cr3+聚合物凝膠體系。

用配液用水配制質量濃度為1200 mg/L 的HPAM溶液，作為頂替液。

1.3 松弛時間和斷裂應力測試

在60 ℃環境下，利用DMA 動態熱機械分析儀測試24、48、72、120 h 下淀粉接枝共聚物凝膠樣品的松弛時間及斷裂應力。

1.4 凝膠微觀形貌觀察

采用掃描電鏡觀察淀粉接枝共聚物凝膠的微觀形貌。

1.5 驅替實驗

1.5.1 傳輸運移實驗

方案1-1（巖心Ⅳ）：水測滲透率+注入Cr3+聚合物凝膠1.2 V（候凝72 h）+后續水驅至壓力穩定。

方案1-2（巖心Ⅳ）：水測滲透率+注入淀粉接枝共聚物凝膠1.2 PV（候凝72 h）+后續水驅至壓力穩定。

計算區間壓差δp1-2、δp2-3、δp3-4和δp4-出口以及傳輸運移能力（δp1-2/δp4-出口）。

以上實驗的溫度為60 ℃，注入流速為0.3 mL/min。

1.5.2 滲流特性實驗

方案2-1—方案2-3（柱狀巖心Kg=300×10-3、600×10-3、1200×10-3μm2）：水測滲透率+注入淀粉接枝共聚物凝膠5 PV（候凝72 h）+后續水驅5 PV。

方案2-4—方案2-6（柱狀巖心Kg=600×10-3μm2）：水測滲透率+注入淀粉接枝共聚物凝膠5 PV（候凝24、72、120 h）+后續水驅5 PV。

以上實驗實驗溫度為60 ℃，注入流速為0.3 mL/min。

1.5.3 驅油實驗

（1）淀粉接枝共聚物凝膠段塞尺寸影響（巖心Ⅰ）

方案3-1—方案3-4：巖心水驅至含水率95%+注不同段塞尺寸淀粉接枝共聚物凝膠（0.05、0.1、0.015、0.2 PV）+注頂替液0.05 PV（候凝72 h，下同）+后續水驅至含水率95%。

（2）頂替液段塞尺寸影響（巖心Ⅰ）

方案3-5—方案3-8：巖心水驅至含水率95%+注淀粉接枝共聚物凝膠0.1 PV+注不同段塞尺寸（0.025、0.05、0.1、0.2 PV）頂替液+后續水驅至含水率95%。

方案3-9—方案3-11：巖心水驅至含水率75%、85%、95%+注淀粉接枝共聚物凝膠0.1 PV+注頂替液0.05 PV+后續水驅至含水率95%。

（4）巖心非均質性的影響（巖心Ⅰ、巖心Ⅱ和巖心Ⅲ）

方案3-12—方案3-14：巖心水驅至含水率95%+注淀粉接枝共聚物凝膠0.1 PV+注頂替液0.05 PV+后續水驅至含水率95%。

以上實驗實驗溫度為60 ℃，注入流速均為0.3 mL/min，數據記錄時間間隔為30 min。

2 結果與討論

2.1 成膠性能

不同溫度條件下淀粉接枝共聚物凝膠體系的成膠情況見表1。從表1可以看出，淀粉接枝共聚物凝膠體系的初始黏度較低。成膠強度受成膠溫度及成膠時間影響，溫度越高，成膠速率越快，強度越高。相同溫度下，隨著成膠時間的延長，體系黏度逐漸增大，呈現“先緩慢增大后快速上升”的趨勢，反應10 h 后體系的黏度大幅增加，在120 h 后體系的黏度大于10×104mPa·s，大致的成膠時間在60～120 h，可實現在地層中的深部運移，發揮調整吸液剖面作用。

表1 不同溫度下淀粉接枝共聚物凝膠體系的成膠情況

2.2 松弛時間和斷裂應力

將配制好的淀粉接枝共聚物凝膠體系置于60 ℃的恒溫箱中，利用DMA 動態熱機械分析儀測試不同成膠時間下所形成凝膠樣品的松弛時間及斷裂應力，結果見表2。從表2 看出，隨著成膠時間的延長，淀粉接枝共聚物凝膠樣品的松弛時間逐漸延長，表明其保持彈性的能力越來越強，但增加幅度逐漸減小，說明成膠愈來愈趨于完全。斷裂應力先稍有增加后保持不變，表明72 h后體系已經基本成膠完全。

表2 不同成膠時間的凝膠樣品的松弛時間、斷裂應力

2.3 微觀結構

淀粉接枝共聚物凝膠的微觀結構見圖2。從圖2 可以看出，淀粉接枝共聚物凝膠在微觀形態上呈空間網狀結構，分子鏈間纏繞緊密，分布均勻，結構穩定，相互交織成“網中網”形態，仔細觀察可以發現有較細的樹枝狀分枝存在。

圖2 淀粉接枝共聚物凝膠的SEM照片

2.4 傳輸運移能力

Cr3+聚合物凝膠體系（方案1-1）及淀粉接枝共聚物凝膠體系（方案1-2）注入過程中各測壓點壓力隨注入體積的變化見圖3，注劑結束及后續水驅結束時各區間壓差實驗結果分別見表3。

即使是這樣，也還是存在問題。因為90號瀝青與防水瀝青共用裝車臺，所以在裝90號專供瀝青之前必須先將共用管道的防水瀝青全部頂回防水瀝青儲罐里，防止共用管道殘留部分防水瀝青混入90號專供瀝青中影響專供瀝青質量。可這樣一來，裝車時間上就會有所延誤。“為此，我們與勝利煉油廠多次協調，調整了裝車流程，專門設置了一個裝車鶴位平臺只裝90號瀝青，這樣就為專供瀝青開辟了一條綠色通道，確保首都新機場和北京冬奧會高速公路建設專供瀝青及時裝運、保質保量、快速出廠。”李勇說。

圖3 注入過程中注入壓力隨注入體積的變化

從表3和圖3可知，與注入Cr3+聚合物凝膠體系相比，注入淀粉接枝共聚物凝膠體系的“δp1-2/δp4-出口”值較小，表明淀粉接枝共聚物凝膠體系的傳輸運移能力更好。從壓力曲線也可明顯看出，在注劑階段，淀粉接枝共聚物凝膠體系的注入壓力明顯較低，后續水驅階段的注入壓力反而高于注入Cr3+聚合物凝膠的。分析認為，在注劑階段，Cr3+聚合物凝膠的初始黏度較高，分子聚集體尺寸較大，導致其與巖心孔喉間配伍性較差，聚合物凝膠在巖心前端滯留量增加，滲流阻力增大，注入壓力升高，傳輸運移能力減弱。而淀粉接枝共聚物凝膠的初始黏度低，與巖心孔喉間配伍性較好，注入階段注入壓力較低，深部運移能力較強，在巖心前段的滯留量較少，最終實現了深部調剖。后續水驅階段，注入壓力不降反升，是因為凝膠成膠后的強度較高，封堵能力增強，導致注入壓力不斷升高。注入淀粉接枝共聚物凝膠體系的注入壓力高于注入Cr3+聚合物凝膠體系的，表明淀粉接枝共聚物凝膠體系的成膠強度更強，封堵能力更優。相比注劑階段，后續水驅階段的傳輸運移能力相對更好，是因為凝膠在巖心深部的成膠效果依然較好，封堵能力同前端相比同樣較強，巖心前后部分滲流阻力差異較小，致使巖心前后區間段壓差差值減小，最終表現為傳輸運移能力增強。

綜上所述，由于淀粉接枝共聚物凝膠各方面性能均優于Cr3+聚合物凝膠，因此后續實驗繼續開展淀粉接枝共聚物凝膠的相關研究工作。

2.5 滲流特性

淀粉接枝共聚物凝膠體系對不同巖心的阻力系數、殘余阻力系數和封堵效果見表4，注入壓力隨注入體積的變化見圖4。

圖4 注入壓力隨注入體積的變化

表4 淀粉接枝共聚物凝膠體系對不同巖心阻力系數、殘余阻力系數和封堵率

從表4和圖4可知，當候凝時間固定為72 h時，隨著巖心滲透率的增大，注入壓力和阻力系數逐漸降低，但殘余阻力系數和封堵率逐漸升高，這表明淀粉接枝共聚物凝膠體系的成膠效果與孔喉空間尺寸有關。隨著滲透率的降低，孔喉空間尺寸變小，成膠效果相應變差，封堵強度隨之降低，致使殘余阻力系數和封堵率降低。固定巖心滲透率，隨著候凝時間的延長，阻力系數、殘余阻力系數和封堵率隨之增大，表明成膠強度與候凝時間呈正相關，因此，在現場施工過程中要保證注入凝膠體系有充足的候凝時間，以確保高滲層具有良好的增大滲流阻力效果，促進液流轉向現象的發生。另外，淀粉接枝共聚物凝膠的初始注入壓力較小，注入性較好，后續水驅壓力不降反增，表明其滯留封堵能力較強，封堵率可達到96%以上。

2.6 凝膠段塞尺寸影響

不同淀粉接枝共聚物凝膠段塞尺寸下的增油降水效果見表5。從表5可以看出，隨著凝膠段塞尺寸的增大，最終采收率及增幅呈“先增后降”的趨勢。當段塞尺寸為0.1 PV 時采收率最大，達到52.87%，與水驅結束相比采收率增幅接近20%。

表5 淀粉接枝共聚物凝膠段塞尺寸對采收率的影響

注入過程中注入壓力、含水率和采收率隨注入體積的變化見圖5。從圖5可以看出，隨著凝膠段塞尺寸的增加，化學驅及后續水驅階段的注入壓力隨之增大，但含水率降幅及采收率卻呈現先增后降的趨勢，這表明凝膠注入量并不是越多越好。分析認為，當注入量即段塞尺寸較大時，會導致注入壓力大幅升高，當注入壓力超過中低滲透層的啟動壓力時，凝膠便會進入中低滲透層，對其造成傷害，致使中低滲透層的滲流阻力增加，吸液壓差減小，從而導致后續水驅效果變差，增油降水效果減弱。當凝膠段塞尺寸為0.1 PV時，后續水驅階段含水率最高可降到69%，液流轉向效果明顯，增油降水效果顯著。因此，在現場實際施工過程中應合理控制注入壓力，盡量避免注入壓力過高而對中低滲透層產生傷害，從而最終影響開采效果。

圖5 不同淀粉接枝共聚物凝膠段塞尺寸下注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化

2.7 頂替液段塞尺寸影響

巖心水驅至含水率95%，注淀粉接枝共聚物凝膠0.1 PV 后再注不同段塞尺寸（0.025、0.05、0.1、0.2 PV）的頂替液，不同頂替液段塞尺寸下的增油降水效果見表6。從表6可以看出，隨著頂替液段塞尺寸的增大，最終采收率及增幅呈“先增后降”的趨勢。當段塞尺寸為0.1 PV 時采收率最大，可以達到54.40%，與水驅結束相比，采收率增幅為21.87%。但進一步分析發現，與段塞尺寸為0.05 PV時相比，注入0.1 PV 的頂替液時最終采收率僅高了2.27%，考慮到礦場“投入/產出”比，最終優選頂替液注入段塞尺寸為0.05 PV。

表6 頂替液段塞尺寸對采收率的影響

注入過程中注入壓力、含水率和采收率隨注入體積的變化見圖6。從圖6可以看出，隨著頂替液段塞尺寸的增加，化學驅及后續水驅階段的注入壓力、含水率降幅及采收率并不是呈逐漸增大趨勢，這表明頂替液的注入量并不是越多越好。分析認為，當頂替液注入量即段塞尺寸（0.2 PV）較大時，一方面會對前置凝膠段塞產生較嚴重的稀釋作用，另一方面會使凝膠沿著高滲透層優勢滲流通道驅出而被部分采出，兩方面原因共同導致凝膠成膠強度較弱，封堵能力較差，增油降水效果不理想。當頂替液段塞尺寸為0.1 PV時，后續水驅階段含水率最高可降到65.18%，深部調剖及液流轉向效果明顯，增油降水效果顯著。因此，在現場實際施工過程中，建議應合理控制頂替段塞，段塞尺寸不宜過大。

圖6 不同頂替液段塞尺寸下注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化

2.8 調剖時機影響

巖心水驅至含水率75%、85%、95%后，注淀粉接枝共聚物凝膠0.1 PV+注頂替液0.05 PV+后續水驅，不同調剖時機下的增油降水效果見表7。從表7可以看出，隨著調剖時機的提前，最終采收率及增幅呈現逐漸升高的趨勢。當在含水率為75%時采取調剖措施時的采收率最大，為59.07%，與水驅結束相比，采收率增幅可達32.94%。

表7 調剖時機對采收率的影響

注入過程中注入壓力、含水率和采收率隨注入體積的變化見圖7。從圖7可以看出，隨著調剖時機的提前，化學驅及后續水驅階段的注入壓力、含水率降幅及采收率逐漸增大。分析認為，調剖時機較早時，巖心內的剩余油較多，在注入凝膠及后續水階段，相對更容易在驅替前緣形成油墻，使得凝膠及后續水可以在油層中能夠整體均勻推進，有效調整吸液剖面，擴大波及體積，增油降水效果顯著。因此，在現場實際施工過程中，建議應合理控制調剖時機，不宜過晚。

圖7 不同調剖時機下注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化

2.9 巖心非均質性的影響

不同滲透率級差巖心水驅至含水率95%+注淀粉接枝共聚物凝膠0.1 PV+注頂替液0.05 PV+后續水驅至含水率95%，注入過程中注入壓力、含水率和采收率隨注入體積的變化見圖8，不同巖心滲透率級差下的增油降水效果見表8。從表8 可以看出，在固定低滲透層滲透率條件下，隨著巖心非均質性程度的增大，最終采收率及增幅呈現逐漸降低的趨勢。

表8 不同滲透率級差巖心的采收率

圖8 不同滲透率級差巖心注入壓力、含水率、采收率隨注入體積的變化

從圖8可以看出，隨巖心非均質性程度的增加，化學驅及后續水驅階段的注入壓力、含水率降幅及采收率逐漸減小。分析認為，巖心非均質性程度越嚴重，各層間吸液壓差相差越大，越難動用中低滲透層，有效動用范圍減小，擴大波及體積效果較差，增油降水效果減弱。因此，對于非均質性嚴重的儲層，建議合理增加調剖段塞，分層精細調剖。

3 結論

成膠空間環境對淀粉接枝共聚物凝膠最終成膠強度存在影響。隨著巖心滲透率的降低，孔喉空間尺寸變小，淀粉接枝共聚物凝膠成膠效果變差，封堵強度降低，致使殘余阻力系數和封堵率降低。

Cr3+聚合物凝膠在巖心前端滯留量較大，深部運移能力較弱，只能較好實現近井地帶封堵；而淀粉接枝共聚物凝膠的傳輸運移能力明顯更優，且最終封堵能力更強。

隨淀粉接枝共聚物凝膠段塞尺寸及頂替液段塞尺寸的增大，最終采收率及增幅呈“先增后降”的趨勢。結合考慮到礦場“投入/產出”比，最終優選頂替液注入段塞尺寸為0.05 PV。

隨著調剖時機的滯后及巖心非均質性程度的增加，最終采收率及增幅逐漸降低。因此建議礦場合理控制調剖時機，進行分層精細調剖。