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一种耐温型聚丙烯酰胺凝胶堵水剂的室内研究Ξ侯翠岭(西安石油大学,陕西西安 710065) 摘 要:一种以聚丙烯酰胺、苯酚、甲醛为主要原料制备的耐温型凝胶堵水剂。
考察各组分以不同比例配制时,对凝胶堵水剂各种性能的影响,确定凝胶堵水剂各组分的最佳基本配比。
室内研究结果表明,该堵水剂耐温性好,黏度较高,成胶时间可调,适应温度宽,封堵能力强,并且组分简单,原料易得,可用于油田的调剖堵水作业。
关键词:聚丙烯酰胺;凝胶;耐温;堵剂;配比试验1 引言凝胶类堵水剂种类繁多,在油田堵水中得到了广泛的应用。
由于地层温度高、矿化度高,一般堵水剂的可泵时间和长期稳定性达不到使用要求,因而耐温耐盐堵水剂日益受到人们的青睐〔1〕。
其中水溶性聚合物凝胶类堵水剂是我国70年代以来研究最多、应用最广的一种堵水调剖剂,由水溶性聚合物(聚丙烯酰胺或聚多糖)组成的溶液,加金属离子或有机化合物作交联剂,就够成了凝胶体系即油田最常用的聚合物调剖堵水剂〔2〕。
本试验是在聚丙烯酰胺类凝胶调剖堵剂和其他耐温性堵剂的优缺点基础上,研究利用聚丙烯酰胺、苯酚、甲醛等为主要原料制备一种耐温凝胶堵剂。
在原有研究基础上,进行了大量的配比优化试验,实现在达到技术要求指标(胶凝时间、凝胶黏度和耐温性能)的同时又尽可能降低成本,从而保证调剖剂向廉价、多功能、高收益的良性方向发展。
2 实验部分2.1 聚丙烯酰胺(H PAM)类凝胶堵水机理〔1〕一般认为聚丙烯酰胺的堵水机理为黏度、黏弹效应和残余阻力。
聚丙烯酰胺溶液的黏度在流速增加及孔隙度变化的情况下都下降,有利于PAM溶液进入地层深度。
聚丙烯酰胺溶液达到相当高的流速时,就会表现出黏弹效应。
残余阻力在调剖作业中起着最主要的作用。
就残余阻力而言,目前提出了以下几种不同的理论:2.1.1 吸附理论吸附理论亦称亲水膜理论。
该理论指出,当高分子化合物水溶液注入地层,吸附在岩层上就形成一亲水膜。
亲水膜迁水时因吸水而膨胀,使水为主要相的有效流道变小;迁油时因油会减少高分子的膨胀,渗透率变化不大,故高分子化合物对于含油饱和度低的低渗透性地层最有效,而对于含油饱和度较高的渗透性地层效果较差。
关于无机凝胶高温调剖剂的研究就辽河油田目前情况看，随着蒸汽驱开采技术的不断深入推广，一些影响开发效果的问题相继显现。
由于目前所使用的高温调剖剂耐温性普遍较低，并且有效期较短，不能对汽窜通道进行有效封堵，特别是层间、层内非均质和蒸汽超覆，以及油层纵向吸汽不均、蒸汽汽窜等现象，造成注入蒸汽大量损失，体积波及系数降低，生产井含水上升，严重影响了蒸汽驱开采效果。
如何有效解决这些问题，提高蒸汽驱的开发效果，是摆在我们面前的现实问题。
实践告诉我们，要解决上述问题，调剖剂必须具有较高的耐温性和长期有效性。
因此，采取化学调剖措施来解决蒸汽驱的层间层内矛盾，进行无机凝胶高温调剖剂的试验研究与推广应用十分必要。
一、按适当比例配制无机凝胶高温调剖剂研究表明，无机凝胶高温调剖剂的组成成分有无机胶凝剂、激活剂、缓凝剂、分散剂等。
因此，只能按适当比例复配而成。
也就是说，要通过控制温度和无机/有机复合活化剂的用量，来调节成胶速度和成胶后的强度。
这种高温调剖剂在成胶前粘度低，利于泵注；在地层中成胶后，强度高，耐温性好，能够满足蒸汽驱条件下的耐热、耐蒸汽冲刷的要求，并长期有效。
由于该无机凝胶高温调剖剂不耐盐酸，在强酸性条件下迅速发生崩解，配制该高温调剖剂必须有相应的安全措施。
在这个意义上说，酸化可作为解堵措施。
当然，配制该高温调剖剂，有严格的技术指标，具体说包括如下：①工作液粘度为70～100mPa.s；②成胶温度在40～100℃，成胶时间8～240小时可调；③耐温350℃；④突破压力> 6MPa/m；⑤封堵率≥98%。
二、按相关要求进行模拟实验配制出该高温调剖剂后，必须进行相关实验。
实验前，需要掌握相关因素对该高温调剖剂的影响。
1.相关因素对无机凝胶固化时间和固结体强度的影响首先，要通过固定其它组分的浓度，改变本组分的浓度，以考察实验温度在60℃条件下本组分对无机凝胶固化时间和固结体强度的影响。
1.1无机胶凝剂浓度对固化时间和固结体强度的影响。
[收稿日期]2006—11—24[作者简介]张丽梅(1973-),女,湖北汉川人,中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院工程师。
W J 抗高温耐碱凝胶型调剖剂的室内试验研究张丽梅(中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院,黑龙江大庆163453)[摘 要] 系统地研究了一种聚丙酰胺为主要成分的抗高温、耐碱凝胶型调剖剂体系,考查了聚丙烯酰胺、稳定剂、温度、pH 值、矿化度等因素对调剖剂性能的影响。
通过L 25(56)正交表优化了配方并进行了性能评价。
实验结果表明,配方体系在30～130℃条件下都能成胶,成胶时间在3～30d 可控,pH 值范围为7～14,成胶粘度310～40Pa ・s ,岩心的封堵率>95%,突破压力梯度>4M Pa m ,残余阻力系数>100,适用于高温强碱油藏的调剖作业。
[关键词] 调剖剂;高温;强碱;成胶粘度;成胶时间[中图分类号]T E 357146 [文献标识码]A [文章编号]167325935(2007)0120003203 对于主力油层厚度大、非均质性严重的油藏,注入液常沿厚油层各沉积单元的高渗透部位突进,造成化学剂的无效循环从而制约了原油采收率的提高,为进一步改善非均质给油田开发带来的副效应,就必须实施深度调剖技术。
对于高温强碱油藏,目前常用的凝胶型调剖剂还不能满足高温、高pH 值[1]的环境要求。
因此,开展抗高温耐碱凝胶型调剖剂的室内试验研究对于提高高温、高pH 值油藏采收率具有重要意义。
W J 抗高温耐碱凝胶型调剖剂是将聚合物溶液与交联剂RN 1(多羟基酚)、交联剂RN 2(多元醛)在地面混合,配制成单液调剖工作液,并以大剂量注入地层条件下,聚合物溶液在交联剂的作用下,可以发生结构单元之间的交联,交联后的结构是空间网架结构,在高温下形成的树脂又填充其间,使其具有更高的强度和抗高温耐碱性能。
1 室内实验方法1.1 药品与仪器聚丙烯酰胺(相对分子质量1200×104,水解度20%,工业品,大庆化学助剂厂)、交联剂RN 1(多羟基酚,实验室合成)、交联剂RN 2(多元醛,实验室合成)、稳定剂(实验室合成)、氢氧化钠(37%,工业品,大庆化学助剂厂)、旋转型粘度计(RV 2100,美国)。
1.2 调剖剂配制根据实验设计要求,依照比例配好各组分的250mL 溶液,搅拌均匀后倒入广口瓶,封口放入45℃恒温箱内,记录起始时间,定时观察调剖剂的成胶情况。
1.3 成胶时间[2]的确定从恒温箱中取出调剖剂后,定时使用RV 2100粘度计在剪切速率4.51-1测定表观粘度,然后绘制表观粘度2时间曲线,以曲线出现拐点所经历的时间作为调剖剂的成胶时间。
1.4 成胶粘度的确定表观粘度2时间曲线里拐点所对应的表观粘度值为成胶粘度。
2 实验结果与讨论2.1 影响W J 抗高温耐碱凝胶型调剖剂性能的因素2.1.1 聚合物浓度选用聚合物质量分数分别为0.15%,0.25%,0.35%和0.5%的成胶体系,放入45℃烘箱内测定成胶时间和成胶强度,实验结果见图1。
由图1可以看出,凝胶形成所需的聚合物浓度32007年3月中国石油大学胜利学院学报M ar .2007第21卷 第1期Jou rnal of Shengli Co llege Ch ina U n iversity of Petro leum V o l .21 N o.1图1 聚合物浓度对成胶性能的影响范围较宽。
当交联剂浓度一定时,随着聚合物浓度的升高,成胶粘度增大,成胶时间缩短。
这是因为在一定条件下,聚合物分子的水力学半径是一定的,随着聚合物浓度的增加,聚合物分子之间碰撞、缠绕的几率较大,与交联剂反应的聚合物分子较多,增加了聚合物分子之间的作用力,使成胶粘度升高。
综合考察现场对成胶时间、成胶强度的要求及成本,确定聚合物质量分数为0.25%～0.5%。
2.1.2 体系pH 值考察体系的pH 值对成胶情况影响,选用质量分数0.3%的聚丙烯酰胺,0.25%交联剂RN 1,0.2%交联剂RN 2的配方体系,改变体系的pH 值,对调剖剂的成胶情况进行了实验,结果见表1。
表1 pH 值对成胶时间及粘度的影响序号pH 值成胶时间td成胶粘度Λ(Pa ・s )172～31.68293～51.503117～91.8241410～151.87从表1可知,pH 值对成胶时间影响较大,随着pH 值的增加,成胶时间延长;pH 值对成胶粘度无明显影响,说明该体系具有良好的耐碱性。
2.1.3 温度温度是影响调剖剂成胶粘度和成胶时间的重要因素。
配制好调剖剂分别放置在30～130℃烘箱中进行交联反应,定时取样观察,并在反应温度下取出测定其粘度,实验结果如图2所示。
图2 温度对成胶性能的影响由图2可知,温度对W J 凝胶体系的成胶反应速率影响较大,温度越高成胶时间越短;温度对体系成胶粘度影响不大,在不同温度下形成的凝胶均具有很好的韧性,无脱水分层现象,稳定性良好。
2.1.4 稳定剂交联聚合物凝胶的氧化降解是实际应用中十分突出的问题,粘度急剧下降使凝胶丧失使用价值,起不到提高采收率的作用,引起聚合物凝胶氧化降解的主要原因,一是聚合物带入的过氧化物以及产生的羰基化合物;二是高温下溶液中存在的溶解氧。
本体系所选择的热稳定剂,可使凝胶在较高温度下不易发生热降解和热氧化降解,对成胶强度的影响见图3。
图3 稳定剂对成胶性能的影响由图3的实验结果可看出,在50℃以前,稳定剂用量对成胶强度的影响不大,随着温度的升高,热稳定剂作用明显,当不加热稳定剂时凝胶体系只能耐温90℃,当加入0.7%的稳定剂时,体系耐温130℃。
稳定剂可以提高凝胶的强度和热稳定性,对成胶时间则无影响。
2.2 调剖剂配方优化影响W J 凝胶体系成胶性能的因素有很多,例如配制体系所用水的矿化度、聚合物的类型、相对分子质量、水解度、浓度、剪切作用程度等,但当外界环境一定时,影响调剖剂成胶性能的因素就只有调剖剂中各组成化学试剂的质量分数,在对W J 凝胶体系成胶时间和成胶粘度影响因素研究的基础上,采用L 25(56)正交表[3]对调剖剂配方组成进行优化设计,调剖剂内各组成(因素)和质量分数(水平)见表2。
表2 调剖剂正交实验的因素与水平%考察因素水平12345聚合物浓度2.53.03.54.55.0交联剂RN 10.050.100.150.20.25交联剂RN 20.100.150.200.250.30稳定剂0.70.80.91.01.1根据现场对成胶强度的要求,以成胶强度为指标,对25种配方的实验结果进行分析(表3,4),最4第21卷 中国石油大学胜利学院学报 2007年 第1期后确定聚合物3.0%、交联剂(0.25%RN 1+0.2%RN 2)、稳定剂0.7%为抗高温耐碱调剖剂最佳配方。
表3 正交实验的成胶强度实验号粘度Λ(Pa ・s )实验号粘度Λ(Pa ・s )12.5143.423.5153.633.2163.443.1173.653.4182.262.2192.673.2202.383.4212.293.9222.3103.6232.9112.3242.6122.525311132.6 表4 正交实验结果分析%考察因素水平12345最佳浓度聚合物浓度3.143.262.882.72.623.0交联剂RN 12.282.822.883.023.60.25交联剂RN 22.822.863.122.862.940.20稳定剂3.222.92.92.882.70.72.3 调剖剂性能评价2.3.1 抗剪切性测定在调剖剂注入过程中,由于其受泵、炮眼、地层孔隙的剪切作用,粘度必然有一定损失。
用吴茵混调器将配制好的调剖剂剪切使其初始粘度是原来的50%,放置烘箱内测其成胶粘度,成胶粘度仍能达到3.0Pa ・s ,说明该体系具有很强的耐剪切性能。
2.3.2 调剖剂的热稳定性将按最优配方配制的调剖液置于130℃的烘箱中长时间恒温,定期测成胶粘度,放置1a ,凝胶体系未见脱水,成胶粘度未见明显变化,因此该体系热稳定性良好。
2.3.3 调剖剂耐碱能力将已成胶的调剖剂浸泡于1%N aO H 溶液中,长期放入45℃烘箱中,定期观察粘度变化。
由图4可见,调剖剂恒温放置10个月粘度仅下降20%。
这说明该体系具有很强的耐碱性。
2.3.4 岩心封堵率及耐冲刷性的测定在岩心实验装置中,先将岩心抽空,用水驱替液图4 调剖剂浸泡后强度变化饱和,测调前渗透率,再挤调剖剂,放入45℃恒温箱中成胶后,再测渗透率后,计算封堵率、阻力系数、残余阻力系数等指标(见表5)。
表5 岩心封堵及耐冲刷性实验岩心号水测渗透率k 1 Λm 2水测突破压力梯度G DP(M Pa ・m -1)4个PV 后岩心渗透率k 2(10-2Λm 2)封堵率f %阻力系数残余阻力系数11.6464.291.64699.774.520020.8505.291.5298.210230030.47017.801.80099.0187.0400 注:耐碱凝胶调剖剂聚合物浓度3g L ,实验温度45℃,岩心长度30cm 。
从表5可以看出,调剖剂对岩心的封堵率>95%,突破压力梯度>4M Pa m ,残余阻力系数>200,实验表明该调剖剂不仅有较高的封堵能力,还具有较好的冲刷稳定性。
3 结 论(1)通过对H PAM 溶液中加入实验室合成的交联剂和热稳定剂以及一些其他添加剂,所配成抗高温耐碱凝胶体系在30～130℃条件下都能成胶,成胶粘度3.0～40Pa ・s ,成胶时间在3～30d 可控,pH 值为7～14。
(2)通过热稳定剂的加入,W J 抗高温耐碱凝胶型调剖剂体系热稳定性提高到130℃。
(3)W J 抗高温耐碱凝胶型调剖剂具有很好的耐剪切能力,对不同渗透率岩心的封堵效果良好,其综合性能可满足高温强碱油藏的调剖作业要求。
[参考文献][1] 陈铁龙,蒲万芬1油田稳油控水技术论文集[C ].北京:石油工业出版社,2001:962100.[2]CHAUV ET EAU G ,et al .Gontro ling in situ gelati on ofpo lym ers by zirconium fo r w ater shutoff [R ]1SPE 50752,19991[3] 正交试验设计编写组.正交试验设计法[M ].上海:上海科学技术出版社,1979:562641[责任编辑] 于国风5张丽梅:W J 抗高温耐碱凝胶型调剖剂的室内试验研究。
