耐高溫凝膠調剖體系成膠性能影響因素研究

楊勁舟，徐國瑞，李建曄，鞠野，劉光普，李海峰

耐高溫凝膠調剖體系成膠性能影響因素研究

楊勁舟1,2，徐國瑞1,2，李建曄1,2，鞠野1,2，劉光普1,2，李海峰1,2

（1. 中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459；2. 天津市海洋石油難動用儲量開采企業重點實驗室，天津 300459）

通過優化聚合物及交聯劑類型及比例，研究對凝膠體系成膠性能及耐溫耐鹽性能的影響，研制出了適用于高溫高鹽油藏的凝膠調剖體系，并獲得了主要性能指標。實驗結果表明，所研究的高溫凝膠體系在溫度140 ℃、礦化度50 000 mg·L-1條件下，成膠強度高、穩定性好且脫水率低，滿足海上油田調剖技術的應用需求。

海上油田； 高溫高鹽； 凝膠體系； 配方優化

海上油田經過長期注水開發，可采儲量的60%來自高含水油田[1-2]，由于大孔道發育、水竄程度嚴重，聚合物凝膠調剖技術具有較強的適應性，已經成為國內外研究的重點[3-4]。針對愈發苛刻的油藏條件，耐高溫凝膠調剖體系的性能制約著調剖技術在海上油田高溫高鹽油藏的應用[5]。由于受聚合物及交聯劑自身性能的影響，常規凝膠體系在高溫下無法成膠，成膠后易脫水降解，長期穩定性差，一般只能用于溫度110 ℃以下的儲層[6-7]。隨著海上油田調剖技術持續擴大化應用，需開展耐高溫凝膠調剖體系研發[8]。通過研究不同聚合物和交聯劑類型、濃度對凝膠成膠性能的影響[9]，形成了可在高溫（140 ℃）、高鹽（50 000×10-6）油藏應用的調剖體系，大大擴展了調剖技術的應用邊界。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

電子天平，上海圣科儀器設備有限公司；歐洲之星機械攪拌器，上海圣科儀器設備有限公司；DHG-924A型恒溫箱，武漢林頻實驗設備有限公司；酒精噴燈，山東朗斯普儀器有限公司；MCR 301流變儀，安東帕（上海）商貿有限公司；傅里葉變換光譜儀，美國PE公司。

1.2 實驗材料

氯化鈉、氯化鈣，國藥集團化學試劑公司，YF系列聚合物，山東諾爾生物科技有限公司，FQ系列交聯劑，山東優索化工科技有限公司。

1.3 實驗方案

1.3.1 鹽水的配制

將燒杯置于磁力攪拌器上，使用量筒量取一定體積的去離子水倒入燒杯中，使用電子天平稱量一定質量的氯化鈉與無水氯化鈣，將稱取好的氯化鈉與無水氯化鈣均勻溶于水中，充分攪拌后即可得到實驗所需的不同礦化度的鹽水。

1.3.2 凝膠體系的配制

使用500 mL燒杯稱取200 g去離子水或鹽水，在400 r·min-1攪拌速度下加入一定量聚合物，持續攪拌2 h，配制質量濃度為1%的聚合物溶液，并根據需要稀釋為不同濃度溶液，在攪拌狀態下加入定量交聯劑和助劑，繼續攪拌30 min。

1.3.3 安瓿瓶的燒制

a.使用針管將配制好的凝膠溶液轉移至安瓿瓶中，注入量在安瓿瓶的1/3～1/2；

b.點燃酒精噴燈，將安瓿瓶傾斜約45度，并持鑷子扶在安瓿瓶瓶口，在酒精燈火焰中將瓶口燒熔，從而將瓶內凝膠體系密封；

c.將安瓿瓶放入高溫反應釜中，向高溫反應釜中注水至水面與瓶中凝膠溶液液面相平，安裝高溫反應釜，放入烘箱中恒溫。

圖1 安瓿瓶燒制示意圖

1.3.4 成膠時間的測定

每隔2 h取出安瓿瓶，在高溫條件下將安瓿瓶倒置，觀察成膠情況，參照Sydansk凝膠代碼法（如表1所示）確定凝膠強度。若凝膠體系無法流到瓶口，則確定凝膠體系可以成膠（強度D級），記錄該時間為凝膠初凝時間，并將凝膠強度達到穩定的時間記為成膠時間[10-11]。

表1 凝膠強度代碼表

圖2 凝膠強度代碼示意圖

1.3.5 凝膠穩定性的測定

凝膠體系長時間在高溫下老化會出現脫水的情況，原因是在高溫下凝膠體系中聚合物分子鏈發生熱降解，或聚合物與交聯劑發生過交聯[12]。因此，需使用脫水率和黏度保留率表征凝膠熱穩定性，脫水率計算公式如下：

=（1-2）/×100% （1）

其中：1——安瓿瓶中凝膠體系的初始體積；

2——安瓿瓶中凝膠體系脫水后的凝膠體積。

2 實驗結果與討論

2.1 交聯體系對成膠性能的影響

考察不同類型常用酚類交聯劑與醛類交聯劑組合在高溫下對凝膠體系成膠性能的影響，酚類交聯劑為FQ-1、FQ-3、FQ-5，醛類交聯劑為FQ-2、FQ-4。

2.1.1 低礦化度水中成膠性能評價

使用去離子水配制0.4%濃度的YF15型、YF20型聚合物溶液，分別與不同類型0.4%濃度交聯體系（0.2%酚類+0.2%胺類）充分混合，置于140 ℃條件下反應，成膠實驗結果如所示，48 h后成膠狀態如圖3所示。

表2 YF15型聚合物與不同交聯體系成膠實驗結果

注：“/”代表無法成膠。

圖3 YF15型聚合物與不同交聯體系成膠實驗結果

由表2和圖3可知，針對YF15聚合物，對比6種交聯體系，酚類交聯劑FQ-5在高溫下無法成膠；醛類交聯劑FQ-2成膠強度較低（D級）、脫水率高（≥8%）；酚類交聯劑FQ-1、FQ-3與醛類交聯劑FQ-4成膠強度高（H級）、脫水率低（≤3）。

如表3和圖4所示，針對YF20聚合物，對比6種交聯體系，酚類交聯劑FQ-5在高溫下無法成膠；醛類交聯劑FQ-2成膠強度較低（C級）甚至不成膠、脫水率高（30%）；酚類交聯劑FQ-1與醛類交聯劑FQ-4成膠強度高（H級）且不脫水；酚類交聯劑FQ-3與醛類交聯劑FQ-4成膠強度低（D級）。

表3 YF20型聚合物與不同交聯體系成膠實驗結果

注：“/”代表無法成膠。

圖4 YF15型聚合物與不同交聯體系成膠實驗結果

實驗結果表明，低礦化度水中，酚類交聯劑FQ-1、FQ-3與醛類交聯劑FQ-4組成的交聯體系成膠效果較好，YF15聚合物成膠效果好于YF20聚合物。

2.1.2 高礦化度水中成膠性能評價

選擇YF15聚合物考察高礦化度下不同交聯體系對凝膠成膠性能的影響。

使用50 000 mg·L-1礦化度的鹽水配制0.4% YF15聚合物溶液，與不同類型的0.4%交聯體系混合后，置于140 ℃環境中加熱，48 h后成膠情況如表4和圖5所示。

實驗結果表明，酚類交聯劑FQ-5與醛類交聯劑FQ-2不成膠；交聯體系FQ-1、FQ-4形成的凝膠強度最高（G級）；交聯體系FQ-3、FQ-4形成的凝膠強度較低（D級）。

表4 YF15聚合物與不同交聯體系成膠實驗結果

圖5 YF15聚合物與不同類型交聯劑的成膠情況

根據實驗結果，高溫高礦化度條件下，交聯體系FQ-1、FQ-4成膠效果最好，可形成高強度凝膠，48 h不脫水。

2.2 聚合物類型對成膠性能的影響

2.2.1 低礦化度水中成膠性能評價

室溫下，使用去離子水配制不同類型0.4%濃度聚合物溶液，與0.4%交聯體系（0.2% FQ-1+0.2% FQ-4）混合后，置于140 ℃條件下反應，實驗結果如表5所示，48 h后凝膠狀態如圖6所示。

表5 不同類型聚合物成膠實驗結果

圖6 不同類型聚合物成膠效果圖

實驗結果表明，FQ-1、FQ-4交聯體系成膠強度較高，除YF10聚合物外，凝膠強度均可達到H或I級，且穩定性好，老化48 h不脫水。

2.2.2 高礦化度水中成膠性能評價

使用50 000 mg·L-1礦化度的鹽水配制不同類型0.4%濃度聚合物溶液，與0.4%交聯體系（0.2%FQ-1+0.2%FQ-4）混合，置于140 ℃環境中加熱，48 h后成膠結果如表6和圖7所示。

表6 不同類型聚合物成膠實驗結果

圖7 不同類型聚合物成膠效果圖

實驗結果表明，YF13、YF15和YF18三種聚合物形成的凝膠強度較高，可達到F級以上，且加熱48 h未見脫水。

使用Physica MCR 301旋轉流變儀在0.1～100 Hz頻率下測量YF13、YF15和YF18三種聚合物凝膠體系的儲能模量和損失模量，并在7.34 s-1剪切速率下測定凝膠黏度，實驗結果如圖8所示，YF18和YF15聚合物凝膠的儲能模量可達到10 Pa以上，損失模量達到2 Pa，而YF13聚合物凝膠的儲能模量和損失能模量相對較小，因此優選YF18和YF15聚合物。

2.3 交聯體系中酚類和醛類比例對成膠效果的影響

室溫下，使用50 000 mg·L-1礦化度水分別配制0.4%濃度YF13、YF15、YF18聚合物溶液，與0.4%濃度不同FQ-1、FQ-4比例的交聯體系充分混合，置于140 ℃環境中加熱48 h，實驗結果如表7所示，48 h后YF18聚合物凝膠成膠狀態如圖9所示。

實驗結果表明，聚合物凝膠成膠時間為10～14 h，改變酚類和醛類比例，凝膠強度顯著降低，酚醛比例為1∶1時，形成的凝膠強度較高，且48 h后不脫水。

表7 酚類與醛類比例對成膠效果的影響

圖9 YF18聚合物與不同酚醛比例交聯體系成膠效果圖

2.4 聚合物與交聯劑的比例

室溫下，使用50 000 mg·L-1礦化度水配制不同濃度YF15、YF18聚合物溶液，固定FQ-1和FQ-4比例為1∶1，改變交聯體系濃度，置于140 ℃環境下加熱，實驗結果如表8所示，48 h后凝膠體系成膠狀態如圖10所示。

表8 聚合物和交聯劑比例對成膠效果的影響

圖10 聚合物和交聯劑的配比對凝膠的影響

由表8和圖10可知，隨著聚合物和交聯劑濃度的增加，交聯位點增加，交聯反應加快，成膠時間縮短，凝膠強度增加。若交聯劑濃度低于聚合物濃度，則形成的凝膠強度較低，因此聚合物和交聯劑的比例應小于等于1∶1。

3 結語

通過聚合物和交聯劑類型及比例優選實驗，根據聚合物凝膠成膠時間、成膠強度、脫水率等指標綜合確定耐溫凝膠聚合物主劑為YF18或YF15，交聯劑為FQ-1和FQ-4，其中酚類和醛類比例為1∶1，聚合物和交聯劑比例應小于等于1∶1。

［1］楊勁舟,鞠野,李建曄.水平井注采井網優勢通道識別及提高采收率的研究與應用[J].北京石油化工學院學報,2022,30(01):31-35.

［2］蘇毅,楊勁舟,鞠野.渤海N油田低溫油藏復合調驅技術研究與應用[J].遼寧化工,2021(07):1001-1004.

［3］華科良,石端勝,魏俊,等.水平井調驅工藝及體系優化研究與現場應用[J].遼寧化工，2022(04):543-545.

［4］李翔,徐國瑞,李建曄,等.聚驅產出水中細菌對Cr3+交聯劑成膠性能影響[J].當代化工,2019,48(07):1495-1498.

［5］張?？?，徐國瑞，鐵磊磊，等.“堵水+調剖”工藝參數優化和油藏適應性評價——以渤海SZ36-1油田為例[J].巖性油氣藏，2017，29（05）:155-161.

［6］李建曄,祝健,王培倫,等.Al3+交聯凝膠成膠時間與其用量的二項式關系[J].青島科技大學學報(自然科學版),2018,39(03):25-29.

［7］曹廣勝,李建曄,祝健,等.改善牛心坨油田調剖劑成膠效果除氧劑優選[J].遼寧石油化工大學學報,2017,37(04):39-43.

［8］李建曄. 龍虎泡油田調剖劑優選及注入參數優化[D].大慶：東北石油大學，2018.

［9］曹廣勝,李建曄,張先強,等.基于水質檢測的調剖劑成膠性能預測[J].科學技術與工程,2017,17(01):193-197.

［10］徐浩，李百瑩，劉全剛，等.耐剪切聚合物調剖技術研究及應用[J]. 遼寧化工，2022，51（4）：549 - 552.

Influencing Factors of Gel Forming Properties of High Temperature Gel Profile Control System

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2,1,2

（1. China Oilfield Services Limited Oilfield Production Division, Tianjin 300459, China;2.Tianjin Key Laboratory of Offshore Oil Difficult to Use Reserves Mining Enterprises, Tianjin 300459, China）

By optimizing the type and proportion of polymer and crosslinking agent, influence on gel gelation properties, temperature and salt tolerance was studied, a gel system suitable for high temperature and high salinity reservoirs was developed, and the main performance indicators were obtained. The experimental results showed that the high temperature gel system had high gel strength, good stability and low dehydration rate under the condition of 140 ℃ and 50 000 mg·L-1salinity , and met the application requirements of offshore oilfield profile control technology.

Offshore oil field; High temperature and high salt; Gel system; Formula optimization

2022-07-04

楊勁舟（1989-），男，天津市人，中級職稱，碩士研究生，2014年畢業于中國石油大學（北京），從事提高采收率技術研究與應用工作。

TE358

A

1004-0935（2023）01-0023-05