緩膨強吸水凝膠顆粒的研發與性能評價

張生魁 趙 昆 張建明 王 鵬 張玉秋

長慶油田分公司第三采油廠（寧夏銀川 750000）

預交聯凝膠顆粒是由單體丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、交聯劑甲叉基雙丙烯酰胺、引發劑過硫酸銨以及一些添加劑（如黏土、污泥等）在地面一定的溫度條件下發生聚合反應成膠，再通過烘干、造粒等工序制得的一種調剖堵劑[1-3]。其注入地層后，在壓力作用下能夠變形，并向地層深部運移。同時在地層條件下其吸水能膨脹，從而封堵大孔道，使液流發生轉向從而改變水驅通道，增大水驅波及系數，達到提高采收率的目的，其在油田調剖中被廣泛應用[4-5]。雖然凝膠顆粒在調剖中有一定的效果，但存在吸水膨脹速率過大、膨脹后強度差、抗鹽性差等問題[6]。

吳452 區塊位于鄂爾多斯盆地吳起地區，生產層位為侏羅系延安組，區塊地層水總礦化度較高，為84 160 mg/L。該區塊采用等配注調剖，注入壓力較低，目前在用調剖體系微凝膠、聚合物微球等效果較差，主要原因是強度不夠，不能實現有效封堵。為了滿足吳452 區塊對調剖劑強度高、調剖深度深和抗鹽性好的要求，研發了一種緩膨強吸水凝膠顆粒，其具有較好的緩膨性、強吸水膨脹性和抗鹽性，并能在低注入壓力下達到深部調剖的目的。

1 實驗條件與方法

1.1 實驗藥劑與儀器

藥劑：丙烯酰胺、丙烯酸，天津市北聯精細化學品開發有限公司；甲叉基雙丙烯酰胺、過硫酸銨、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS），上海麥克林生化科技有限公司；十二烷基磺酸鈉（AS）、十二烷基三甲基氯化銨（DTC）、Span60，國藥集團化學試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

主要儀器：黏度計、電子天平、恒溫烘箱和巖芯驅替實驗裝置。

1.2 吸水膨脹倍數的測定

凝膠顆粒的膨脹性能主要由一定時間內的吸水膨脹倍數來表征。測試方法為：稱取一定量凝膠顆粒（m1）放入燒杯中，加入一定量水，在一定溫度下靜置一定時間，取出吸水膨脹后的凝膠顆粒，用濾網過濾，用濾紙吸干表面多余的水后稱重（m2）。吸水膨脹倍數=（m2-m1）/m1。

2 結果及分析

2.1 緩膨強吸水凝膠顆粒的配方優化

緩膨強吸水凝膠顆粒通過增強凝膠顆粒的吸附性減小其吸水速率。同時，在體系中加入吸水增強劑，借助生產過程中的放熱和吸水增強劑來增加網狀結構之間的間隙，從而增強吸水功能。

2.1.1 吸水增強劑的優選和質量分數優化

吸水增強劑主要是增加凝膠網狀結構的空間，從而使得其吸水性能增強，因此通過表面活性劑即可達到目的。從常用的陰離子、陽離子和非離子3 種類型表面活性劑中分別各選AS，DTC 和Span60 來進行實驗。實驗中AM 的質量分數為20%，交聯劑甲叉基雙丙烯酰胺的質量分數為0.03%，引發劑的質量分數為0.1%，添加劑的質量分數為5%，水為200 mL，分別加入3 種表面活性劑（質量分數均為0.15%），對所產生凝膠顆粒的吸水量進行計算，得到如表1 所示的結果。

表1 添加不同表面活性劑的凝膠吸水膨脹性能

從表1 可以看出，AS 的吸水膨脹倍數可以達到12.4，大大地提高了顆粒的吸水量。選擇不同質量分數的AS 進行實驗，其結果如表2 所示。

表2 不同質量分數AS 條件下凝膠吸水膨脹性能

從表2 可以看出，當AS 的質量分數大于0.10%后，凝膠網狀結構空間增加有限，對凝膠顆粒的吸水膨脹性能影響很小，因此在工業生產中AS 的質量分數定為0.10%即可。

2.1.2 緩膨凝膠體系的配方優化

常規凝膠顆粒主要由AM，AA，交聯劑和添加劑在引發劑的作用下合成。在此基礎上，采用正交試驗對緩膨凝膠體系的配方進行優化。固定AA 的質量分數為2.5%、交聯劑的質量分數為0.05%，引發劑的質量分數為0.05%，AS 的質量分數為0.10%，主要考慮AM 的質量分數、AA 中和度以及添加劑黏土的質量分數3 個因素，各因素對應水平如表3 所示。

表3 各因素水平值

正交試驗方案設計及結果分析如表4 所示。

表4 正交實驗設計及結果分析表

表4 中，AA 中和度的極差R 最大，表明其對體系膨脹倍數的影響較大。取各因素最優水平組合，即AM 的質量分數為22.5%，AA 中和度為0.6，黏土的質量分數為8.75%。

2.1.3 AMPS 質量分數優化

考慮AMPS 質量分數對凝膠吸水膨脹倍數的影響，其添加量越大，凝膠的抗鹽性能越好，但是會影響凝膠的吸水膨脹倍數和膨脹時間。因此，在實驗條件下考慮AMPS 質量分數分別為0，0.05%，0.10%，0.15%和0.20%時對凝膠顆粒吸水膨脹倍數的影響，其中吸水膨脹倍數的測試時間為12 h。其實驗結果如圖1 所示。

從圖1 可以看出，隨著AMPS 的量逐步增加，凝膠顆粒的吸水膨脹倍數先增大后減??；AMPS 質量分數為0.10%時吸水膨脹倍數最大。實驗過程中，當AMPS 的量增加后，顆粒變得越來越脆，吸水后易被鑷子夾斷。

圖1 AMPS 質量分數對凝膠吸水膨脹倍數的影響

綜上所述，得到緩膨強吸水凝膠顆粒的配方為：AM 質量分數為22.5%，AA 質量分數為2.5%，中和度為0.6，AMPS 質量分數為0.1%，交聯劑質量分數為0.05%，引發劑質量分數為0.05%，AS 質量分數為0.10%，黏土質量分數為8.75%。

2.2 緩膨強吸水凝膠顆粒的性能評價

2.2.1 吸水膨脹性能

由于凝膠顆粒在清水中和地層水中的膨脹性能差別較大，本研究主要測試其在注入水和地層水條件下的膨脹性能，結果如圖2 所示。

圖2 凝膠顆粒的吸水膨脹性能

從圖2 可以看出，在120 min 內，常規凝膠顆粒在注入水中的膨脹倍數高于緩膨凝膠顆粒，但是隨著時間的延長，緩膨強吸水凝膠顆粒的吸水膨脹倍數遠遠大于常規凝膠顆粒，表明其具有很好的緩膨效果。在地層水中，緩膨強吸水凝膠在近30 h 后吸水膨脹倍數達到最大，而常規凝膠顆粒在1 h 內就幾乎達到最大，且最大膨脹倍數大2 倍以上。這不僅表明緩膨強吸水凝膠顆粒具有很好的緩膨效果，同時也具有很好的抗鹽性。

2.2.2 老化性能

為了測試凝膠的老化性能，用清水和地層水各配制1.0%的凝膠顆粒溶液，分別放入老化罐中，然后置于60 ℃的滾子爐中進行老化試驗，結果如圖3所示。

圖3 凝膠顆粒老化試驗結果

圖3 中，凝膠顆粒先吸水膨脹，吸水膨脹倍數達到最大，后由于老化，吸水膨脹倍數出現下降。在100 天內其膨脹倍數的損失值都小于20%，表明其老化性能較好。

2.2.3 突破壓力梯度與殘余阻力系數

突破壓力梯度和殘余阻力系數（RRF）是表征堵劑的封堵能力和堵劑降低流體介質滲流能力的重要指標，通過巖芯流動實驗測得[7]。實驗巖芯的相關參數如表5 所示。

表5 實驗巖芯參數

注入不同孔隙體積倍數（PV）的凝膠堵劑，流量為0.05 mL/min,得到凝膠顆粒封堵效果的實驗結果，如表6 所示。

表6 注入不同PV 凝膠顆粒堵劑的堵水效果

巖芯突破壓力梯度大主要是因為巖芯滲透率較低。注水壓力上升快，最后是“注不進，采不出”?？紤]到油藏裂縫發育，為了模擬該條件，對巖芯進行人工造縫，研究注入堵劑及其封堵強度穩定性，其造縫巖芯如圖4 所示。

圖4 人工造縫巖芯

測定造縫后4#巖芯滲透率，根據達西公式計算巖芯滲透率為26.66 md，在流量為0.5 mL/min 條件下驅替1PV 顆粒堵劑，測得其滲透率為2.96 md，巖芯封堵率達到88.89%，RRF 為9.01，突破壓力為5.55 MPa/m。

2.2.4 耐沖刷性

在4#巖芯的基礎上繼續驅替實驗，當注入至40PV 地層水后，連續記錄壓差計算水相滲透率，注水孔隙體積倍數與封堵率之間的關系如圖5 所示。

圖5 凝膠顆粒耐沖刷性曲線

從圖5 可以看出：封堵率首先隨著注入PV 的增大而增加，而后隨著PV 的增大而下降。主要原因是：在初期，凝膠顆粒未完全膨脹，因而隨著水的注入吸水膨脹，導致封堵率增加，而后凝膠顆粒已完全膨脹，隨著注水的延續，部分凝膠被水沖刷掉，從而導致封堵率降低。最終封堵率的下降不到15%，表明緩膨強吸水凝膠顆粒具有很好的耐沖刷能力。

2.2.5 調剖能力評價

調剖能力主要用來評價堵劑在非均質多孔介質中的行為特征，是堵劑的重要性能，常用剖面改善率來評價。實驗時采用高低滲透率的并聯填砂管，先注入清水測各管的吸水比，然后注入0.5%的緩膨強吸水凝膠顆粒1.0PV 進行封堵，再注入清水測各管的吸水比，由此來模擬堵劑在不同滲透率級差下的選擇性封堵程度。實驗結果如表6 所示。

表6 凝膠顆粒調剖能力實驗結果

從表6 可以看出：注入堵劑后，滲透率高的填砂管吸水能力下降，滲透率低的填砂管吸水能力增強；堵劑的調剖效果明顯，且滲透率級差越大，調剖效果越明顯，表明該堵劑在非均質油藏條件下具有很好的選擇性。

2.3 凝膠顆粒質量分數優化

凝膠顆粒質量分數優化主要研究其封堵率隨質量分數的變化情況。在人工造縫的巖芯中，以0.05 mL/min 注入不同質量分數1PV 的凝膠顆粒，測試封堵率。凝膠顆粒與封堵率之間的關系如圖6 所示。

圖6 凝膠顆粒質量分數與封堵率的關系

從圖6 可以看出：在相同注入量下，隨著凝膠顆粒質量分數的增大，巖芯封堵率增大，但是當質量分數達到0.7%后，由于凝膠顆粒通過多孔介質時會受到剪切作用，質量分數越大剪切越嚴重，從而導致質量分數的增加對封堵率的影響相對較小。因此，選擇0.7%～1.0%為最優的凝膠顆粒施工質量分數，對于控制壓力施工的一些井，可以選擇0.5%的質量分數進行施工。

3 結論

針對常規凝膠顆粒因吸水膨脹速率過大很難達到地層深部的問題，研發了一種緩膨強吸水凝膠顆粒。同時為了滿足吳452 區塊調剖耐鹽性的需求，在凝膠顆粒中增加抗鹽組分AMPS，通過室內正交試驗優化得到了其配方：AM 質量分數為22.5%，AA質量分數為2.5%，中和度為0.6，AMPS 質量分數為0.1%，交聯劑質量分數為0.05%，引發劑質量分數為0.05%，AS 質量分數為0.10%，黏土質量分數為8.75%。實驗評價結果表明，該凝膠顆粒具有緩膨、高吸水膨脹倍數和剖面改善能力較好的特點，最優施工質量分數為0.7%～1.0%。