納米二氧化硅強(qiáng)化聚合物凝膠對(duì)高溫地層水的控制能力

摘" " " 要： 聚合物凝膠堵水是適用于非均質(zhì)油藏堵水的常用方法。在惡劣的儲(chǔ)層條件下聚合物凝膠系統(tǒng)的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和交聯(lián)時(shí)間容易受到影響。向其中添加納米二氧化硅是一種有效的強(qiáng)化措施。介紹了納米二氧化硅增強(qiáng)聚合物凝膠的黏度、膠凝時(shí)間、膠凝強(qiáng)度以及在巖心中的堵水性能。結(jié)果顯示，添加0.5%的納米二氧化硅能夠幫助凝膠彌補(bǔ)因高溫和高礦化度而導(dǎo)致黏度損失，有效延長了聚合物凝膠的膠凝時(shí)間，提高了凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。在高溫條件下，相比于單一聚合物凝膠的堵水性能，復(fù)合聚合物凝膠擁有更高的承壓能力。

關(guān)" 鍵" 詞：聚合物凝膠；納米二氧化硅；堵水；熱穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TE39" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）04-0510-04

在成熟油藏的后期開發(fā)過程中，適用于非均質(zhì)油藏的聚合物凝膠堵水已經(jīng)得到廣泛使用。基于凝膠堵水的方法已經(jīng)被證明適用于大多數(shù)儲(chǔ)層。原位交聯(lián)聚合物凝膠可以穿透、滲透高含水飽和度的裂縫和地層[1]。凝膠被注入至合理的位置后發(fā)生交聯(lián)，在其中形成一道屏障，從而防止水的滲透，減少不需要的水流動(dòng)。隨后的注水將掃過從未驅(qū)替過的低滲透地層，將原油驅(qū)替出來，從而提高原油產(chǎn)量[2]。但在深部與超深部地層的儲(chǔ)層中，高溫高鹽的環(huán)境給聚合物凝膠堵水劑帶來了極大的挑戰(zhàn)性。高溫高壓條件會(huì)極大影響聚合物凝膠的交聯(lián)過程，縮短膠凝時(shí)間，削弱凝膠的交聯(lián)作用[3]。薄弱的凝膠會(huì)導(dǎo)致堵塞和將注水轉(zhuǎn)移到低滲透區(qū)域的效果較差。

為了提高聚合物凝膠的性能，許多學(xué)者做了相應(yīng)的研究。目前關(guān)于提高聚合物凝膠性能的方法主要有3種，分別為選擇具有熱穩(wěn)定性的聚合物基體、引入新型的交聯(lián)劑和引入其他材料。李華斌等通過對(duì)調(diào)剖劑進(jìn)行改進(jìn)，在高分子鏈上引入少量特殊的疏水基團(tuán)的聚合物，減緩了凝膠在高溫高鹽環(huán)境下的脫水作用[4]。莊天琳等通過采用APP5/烏洛坨品凝膠體系提高凝膠體系的耐高溫耐鹽能力[5]。吳剛等利用水溶性酚醛樹脂交聯(lián)劑JY-1，并添加熱穩(wěn)定劑WY，有效提高交聯(lián)形成凝膠的熱穩(wěn)定性[6]。張園等引入功能性單體與聚合物形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高聚合物的高溫穩(wěn)定性[7]。郭輝等選擇以酚醛樹脂和有機(jī)鉻的復(fù)合物為交聯(lián)劑，從而提高聚合物的耐溫耐鹽性能[8-9]。

許多研究都開發(fā)出了具有耐高溫耐鹽的聚合物凝膠，但是由于其成本較高，在油田的實(shí)際應(yīng)用較少。因此必須開發(fā)特殊的聚合物凝膠，以克服諸如成本和延長高溫油藏滲透通道的堵塞時(shí)間等問" "題[10]。由于納米材料本身的特殊性質(zhì)，其在石油工業(yè)中得到成功應(yīng)用，它能夠有效開發(fā)聚合物凝膠或者增強(qiáng)其調(diào)剖堵水能力，納米粒子可以通過吸引聚合物分子的負(fù)電荷或正電荷來幫助提高其黏彈性、熱穩(wěn)定性和凝膠強(qiáng)度[11-12]。因?yàn)楸狙芯康哪康氖情_發(fā)新型的納米復(fù)合聚合物凝膠增強(qiáng)凝膠的力學(xué)性能、交聯(lián)特性和形態(tài)。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：非離子聚丙烯酰胺（PAM）聚合物，共聚物的相對(duì)分子質(zhì)量為700萬～ 800萬，河南賽科環(huán)保科技有限公司；聚乙烯亞胺（PEI）交聯(lián)劑， pH 值約為11.7，呈液態(tài)，相對(duì)分子質(zhì)量為32 000，純度為99%，上海利鳴化工有限公司；氯化銨作為緩凝劑，純度99%；二氧化硅納米粒子，作為固體填料增強(qiáng)聚合物凝膠，平均直徑為5nm，顆粒表面為球形、無孔的固體，麥克林有限公司。

實(shí)驗(yàn)儀器：雙缸SX-0712B高溫高壓稠化儀；美國Brookfield DV2T系列黏度計(jì)；KC-GL4高溫滾子加熱爐；高壓高溫多功能巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置。

1.2" 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1" 納米復(fù)合聚合物凝膠的制備

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置出與地層水相同配方的鹽水。在鹽水中將1.5%的非離子聚丙烯酰胺和0.3%的聚乙烯亞胺在室溫下混合，混合過程中加入鹽酸將混合物的pH值調(diào)制中性，在后續(xù)獲得更好的膠凝過程。緩凝劑的加入量為5%。加入納米二氧化硅固體，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.05%～1.0%的范圍內(nèi)變化。首先在去離子水中加入納米二氧化硅，攪拌30 min后，使用超聲波振蕩器進(jìn)行超聲波浴，以確保納米顆粒分布均勻，防止團(tuán)聚，然后加入配置好的聚合物混合其他材料。

1.2.2" 聚合物凝膠的膠凝時(shí)間測(cè)試

使用高溫高壓稠化儀對(duì)復(fù)合聚合物凝膠性能進(jìn)行測(cè)試。稠化儀釜體帶有固定攪拌器能夠?qū)δz的流變性進(jìn)行測(cè)試。釜體外部使用油浴加熱，能夠設(shè)定程序，控制溫度在50～110 ℃。通過使用氮?dú)鈱?duì)釜體內(nèi)部加壓，使釜體內(nèi)部壓力達(dá)到20 MPa。當(dāng)凝膠的黏度開始迅速發(fā)生變化，則說明凝膠開始交聯(lián)。

1.2.3" 聚合物凝膠的黏度測(cè)試

采用美國Brookfield DV2T 系列黏度計(jì)測(cè)定了聚合物溶液的黏度。在一定的溫度條件下，在變剪切速率的環(huán)境（1～100 s-1），測(cè)試聚合物溶液在不同剪切速率下的黏度。

1.2.4" 聚合物凝膠的變形行為測(cè)試

基于應(yīng)變掃描測(cè)量方式，在1 Hz固定頻率的動(dòng)態(tài)彈性模量在0.1%～100%的應(yīng)變程度變化的振幅的掃描，測(cè)量出模量與彈性應(yīng)力對(duì)施加的應(yīng)變程度的函數(shù)關(guān)系。所有應(yīng)變測(cè)量均在25 ℃下進(jìn)行。

1.2.5" 巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)

使用2個(gè)滲透率一致的巖心，分別對(duì)不同聚合物凝膠的堵水性能進(jìn)行測(cè)試，將巖心插入設(shè)置有對(duì)流加熱爐的巖心架子中，在110 ℃恒溫條件下進(jìn)行巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，圍壓設(shè)置為大于注入壓力2 MPa。注入流量和壓力保持在1 mL·min-1和0.01 MPa。考慮到凝膠的交聯(lián)過程，整個(gè)過程緩慢，測(cè)量壓差隨時(shí)間的變化。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 聚合物凝膠的黏度評(píng)價(jià)

由于聚合物凝膠在深層地層中不僅承受著高溫對(duì)聚合物凝膠的破壞，同時(shí)高礦化度的地層水也會(huì)影響凝膠的黏度和交聯(lián)效果。在綜合條件下，這會(huì)導(dǎo)致聚合物黏度下降。本研究試圖通過以納米二氧化硅顆粒作為固體填料維持聚合物凝膠的黏度，因此研究了不同含量的納米二氧化硅對(duì)聚合物凝膠的流變性能的影響，結(jié)果如圖1所示。聚合物凝膠的測(cè)試環(huán)境是110 ℃、高礦化度的條件。

在常溫室內(nèi)條件下，凝膠保持著具有一定黏度的特性，而當(dāng)將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置為凝膠所需進(jìn)入的地層環(huán)境時(shí)，凝膠的黏度出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，且在高剪切速率條件下不能保持很高的黏度。由圖1可以看出地層條件下的凝膠的黏度曲線，失去了非牛頓流體的特征。當(dāng)加入納米二氧化硅粒子后，它作為固體填料增強(qiáng)了聚合物凝膠的黏度，彌補(bǔ)了凝膠因?yàn)樵诟啕}度和高溫條件下出現(xiàn)的低黏度。納米顆粒與聚合物分子形成了一個(gè)穩(wěn)定不可逆吸附且難以破壞的大分子結(jié)構(gòu)。聚合物溶液中加入少量的納米顆粒可以增強(qiáng)其在給定剪切速率下的假塑性行為。結(jié)果表明，加入量大于0.5%的納米二氧化硅能夠完全彌補(bǔ)聚合物凝膠出現(xiàn)的黏度降低的問題。為避免聚合物黏度的急劇增加，應(yīng)考慮納米二氧化硅的最佳加入量。

2.2" 聚合物凝膠的膠凝時(shí)間評(píng)價(jià)

將整個(gè)凝膠溶液放置于地層環(huán)境相同的條件，研究添加不同量的納米二氧化硅對(duì)聚合物凝膠的膠凝時(shí)間的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，無添加納米二氧化硅的聚合物凝膠在100 min左右開始凝膠，而添加0.5%的納米二氧化硅的聚合物凝膠在140 min左右開始凝膠。可以看出，納米二氧化硅的添加能夠有效延長膠凝時(shí)間，但納米二氧化硅用量太高對(duì)膠凝時(shí)間的延長卻不太明顯。因此需要對(duì)納米二氧化硅的用量進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤Ｉ倭考{米二氧化硅的添加可以使聚合物長鏈與角連接的交聯(lián)點(diǎn)無法及時(shí)響應(yīng)，從而幫助延長膠凝時(shí)間。

2.3" 聚合物凝膠的應(yīng)變行為評(píng)價(jià)

采用應(yīng)變掃描法來研究不同納米二氧化硅用量聚合物凝膠的應(yīng)變行為，結(jié)果如圖3、圖4所示。根據(jù)動(dòng)態(tài)流變學(xué)數(shù)據(jù)（G’和G’’），可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)應(yīng)變幅范圍內(nèi)G’大于G’’，表現(xiàn)出類似于彈性固體的行為。

由圖3和圖4可以看出，與不含納米二氧化硅顆粒的聚合物凝膠相比，含有較高納米二氧化硅顆粒含量的聚合物凝膠在黏彈性區(qū)域中表現(xiàn)出較高的 G’和G’’。添加0.5%的納米二氧化硅的聚合物凝膠的G’大約是不添加納米二氧化硅的2倍。隨著納米二氧化硅用量的增加，凝膠有更大的能力以抵抗更高的壓力而不破裂，因此，它們是合適的地層水控制處理劑。納米二氧化硅的用量應(yīng)保持在0.5%以上，以獲得足夠的凝膠強(qiáng)度來彌補(bǔ)在深層地層下高溫和高礦化度條件下而導(dǎo)致的凝膠結(jié)構(gòu)的削弱。納米顆粒在聚合物鏈?zhǔn)湍z結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中參與聚集和排列，有效提高了凝膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并且可以提高凝膠的熱穩(wěn)定性。

2.4" 巖心流動(dòng)性評(píng)價(jià)

基于之前的實(shí)驗(yàn)可以確定0.5%的納米二氧化硅是合適的添加量，因此將使用此加量的聚合物凝膠用于巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中壓差表示凝膠在多孔介質(zhì)中阻塞水的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)處于高溫高壓條件，將鹽水注入巖心后，將所有的聚合物凝膠注入巖心，保持整個(gè)注入環(huán)境溫度為110 ℃，以模擬地層溫度。PV為巖心孔隙的體積，PV數(shù)代表著注入體積的多少。巖心內(nèi)壓差隨注入體積的變化情況如圖5所示。由圖5可知，在注水過程中壓差上升至5 MPa。添加納米二氧化硅的聚合物凝膠處理巖心，可以觀察到，復(fù)合凝膠系統(tǒng)的承壓能力比單一聚合物凝膠承壓能力高3～4 MPa。在高溫高礦化度的條件下，單一聚合物凝膠表現(xiàn)出較低的凝膠強(qiáng)度，其在高壓下容易被壓縮，凝膠結(jié)構(gòu)難以抵抗出現(xiàn)破碎，從而降低凝膠堵水的效率。納米二氧化硅復(fù)合凝膠具有更強(qiáng)的承壓能力而不發(fā)生破裂，它能夠有效地幫助儲(chǔ)層降低滲透率和增強(qiáng)巖心的堵塞結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3" 結(jié) 論

結(jié)果表明，添加納米二氧化硅顆粒可以有效地增強(qiáng)聚合物凝膠在高溫高鹽度環(huán)境中的緩凝性能。在最佳用量為0.5%時(shí)，納米二氧化硅顆粒可顯著延長膠凝時(shí)間。很明顯，凝膠強(qiáng)度隨著納米二氧化硅用量的增加而增加，特別是在添加大量的納米二氧化硅顆粒時(shí)，可以使其更像固體。這一結(jié)果表明，由于鹽度和緩凝劑的影響，凝膠的彈性得到了顯著的改善。事實(shí)上，添加納米二氧化硅能夠幫助凝膠抵抗更高的壓力而不會(huì)破裂。因此在深部地層中，復(fù)合聚合物凝膠具有良好的降低滲透率能力和凝膠強(qiáng)度，十分適合應(yīng)用于堵水。

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Control Ability of Nano-silica Reinforced Polymer

Gel to High-temperature Formation Water

ZHOU Kailang， WANG Aimin， LU Wei， SUN Shiyang， WANG Zhengfu

（CNOOC Zhanjiang Branch， Zhanjiang Guangdong 524057， China）

Abstract：" Polymer gel water plugging is a common method for water plugging in heterogeneous reservoirs. The gel network structure and crosslinking time of polymer gel systems are easily affected by harsh reservoir conditions. Adding nano-silica to it is an effective strengthening measure. In this paper， the viscosity， gel time， gel strength and water shutoff performance of nano-silica reinforced polymer gel were introduced. The results show that adding 0.5% nano-silica can help the gel to make up for the viscosity loss caused by high temperature and high salinity， effectively prolong the gelation time of polymer gel and improve the thermal stability of gel network structure. Under high temperature conditions， compared with the water plugging performance of single polymer gel， composite polymer gel has higher bearing capacity at high temperature.

Key words： Polymer gel; Nano silica; Water blocking; Thermal stability