低渗透油藏调剖/调驱剂的研制与封堵性能研究

刘岳龙 ，袁 胥 ，周 舰 ，付 娜 ，赵 静

（1.中国石油化工股份有限公司华北油气分公司石油工程技术研究院，河南郑州 450006；2.大连知微生物科技有限公司，辽宁大连 116023）

随着我国大部分油田进入开发中后期，油井含水率高、水井吸水不均，使水驱效果变差，产油量递减明显，严重制约着老油田的经济有效开发[1，2]。

调剖/调驱技术作为三次采油中增产、稳产的有效措施，由于可以比较深入、彻底地调节层间、层内矛盾，改善吸水剖面，因此适于低渗非均质油藏提高采收率。一般来说，常规调剖/调驱剂多用聚丙烯酰胺类作为堵剂，但直接使用此类聚合物，存在调剖深度不够，极端油藏适应性不强等问题，制约低渗透油藏的措施效果[3，4]。目前，单体原地聚合形成凝胶、聚合物微球等新型调剖/调驱剂，由于注入性好、封堵能力强、效果持久，因此在低渗透油藏深部调剖研究领域，获得了研究者们广泛的关注[5，6]。例如，周明等[7]以苯乙烯等疏水性单体、丙烯酸等亲水性单体、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺等壳交联剂，在30℃～75℃以及引发剂作用下，制备了具有核壳结构的聚合物微球调驱剂，并且于三次采油，提高原油采收率的研究与应用。张增丽等[8]研究了具有一定膨胀性能的聚合物微球的调驱性能，研究表明，微球具有一定膨胀性，温度升高，矿化度越低，有利于膨胀；注入微球后，进入油田注水阶段以后，微球可以保持比较高的残余阻力系数。

本文以制备可“高效注入、有效封堵、持久调剖”的凝胶/微球体系为目的，优选单体原地聚合与反相微乳液法，分别制备聚合物凝胶与聚合物微球，以获得与低渗透油藏孔喉直径相匹配的堵剂材料，保证其注入性、运移特性、封堵油藏大孔道及裂缝区域等性能，以调整层间及层内矛盾，为低渗透油藏的高效开发，提供物质基础。

1 实验器材与方法

1.1 实验器材

实验仪器包括吴茵混调器、Brookfield黏度计、岩心驱替装置等。

实验药剂：NaCl、CaCl2、MgCl2均为化学纯。单体DT-1、单体 DT-2、引发剂 YF-3、引发剂 YF-4、交联剂JL-5、交联剂JL-9，均为化学纯。煤油、Span80、Tween80，均为分析纯。

模拟地层水（按标准盐水的配比配制，总矿化度6.3×104mg/L，其中 NaCl∶CaCl2∶MgCl2=7∶0.6∶0.4）。

1.2 实验方法

1.2.1 聚合物凝胶的制备 用模拟地层水将单体DT-1配制成一定浓度的溶液，加热至75℃后，加入设计量的引发剂YF-3，搅拌3 min～5 min待其形成均一溶液，调节pH至中性，将反应混合液倒入烧杯中；恒温15 min后，在搅拌下向反应体系中缓慢注入设计量的交联剂JL-5（10%溶液状态，溶液预先加热），之后继续置于水浴中，待其形成凝胶，反应过程（见图1）[9，10]。

图1 聚合物凝胶制备示意图Fig.1 Schematic of the preparation of polymer gel

1.2.2 聚合物微球的制备 用模拟地层水将单体DT-2、交联剂JL-9、引发剂YF-4以设计浓度配成均一溶液以其为水相；以煤油为油相；以等质量的Span80/Tween80配制成5.0%的溶液作为乳化剂相，将三者以50%油相、10%乳化剂相、40%水相的比例混合，并1 000 r/min的转速搅拌分散，配制成W/O反相微乳液。将1/4溶有引发剂的反相微乳液移至反应瓶中，置于75℃的水浴中恒温，通N2除氧，在搅拌下逐滴滴加剩余3/4的反相微乳液，然后降低转速，在N2保护下继续反应2 h，得到大小均一，性能稳定的透明反相微乳胶。反相微乳胶用甲醇破胶后，即得聚合物微球。将破胶后的乳胶干燥，得到产品，反应过程（见图2）[11]。

1.2.3 聚合物凝胶/微球的封堵性能测试 以原地聚合物凝胶为研究对象时，采用双液法，具体方法为：A剂为单体DT-1溶液；B剂为交联剂JL-5+引发剂YF-3混合溶液；隔离液为模拟地层水。

待填砂管装填完成后，用模拟地层水进行饱和，饱和完成后计算填砂管的渗透率和孔隙度。接着注入反应液，注液程序为：B剂溶液→隔离液→A剂溶液→隔离液→B 剂溶液，段塞比例为 5∶1∶10∶1∶5，注入体积均为1.0 PV，注入完毕后关闭进口阀门，放置在75℃的恒温箱中静置，每隔12 h以模拟地层水进行驱替，以驱替过程中开始有水流出时的压力为突破压力。继续以1.0 mL/min的流量进行驱替5.0 PV，计算渗透率和封堵效果[12]。

以原地聚合物微球为研究对象时，首先进行填砂管的装填、饱和水，测试渗透率与孔隙度。再用模拟地层水配制聚合物微球溶液，以1.0 mL/min的流量注入，注入完毕后关闭进出口阀门，75℃的恒温，每隔12 h取出，进行模拟地层水驱，以1.0 mL/min泵入速度进行水驱，通过注入微球前后的渗透率，评价聚合物微球对填砂管的封堵效果。

2 结果与讨论

进行调剖作业时，既要考虑注入体系的黏度和封堵强度，又要控制成胶时间，保证体系的注入性[13]。如果将黏度极低的聚合物单体、引发剂、交联剂混合液注入地层，使混合体系在地层温度下随着混合液运移中逐渐聚合、交联成为凝胶，一方面可以有效封堵地层高渗孔道，改善指进现象，提高水驱波及系数。另一方面有利于降低井筒摩阻，解决带有一定黏度的聚合物溶液在注入过程中，摩阻较大、压力过高的问题。

2.1 原地聚合凝胶的制备

2.1.1 单体DT-1加量的影响 以单体在引发剂与交联剂作用下，直接聚合形成聚合物凝胶为目的，固定引发剂YF-3加量0.15%，交联剂JL-5加量0.15%，考察DT-1加量为5%～12%时，对75℃条件下凝胶强度及成胶时间的影响，实验结果（见图3）。

图3 单体DT-1加量对凝胶强度及成胶时间的影响Fig.3 Effect of the quantity of monomer DT-1 on gel strength and gelling time

图2 聚合物微球制备过程示意图Fig.2 Schematic of the preparation of polymer microsphere

由图3所示实验结果可见，随着单体DT-1用量增加，凝胶强度先增大后减小，成胶时间逐渐缩短。当单体DT-1质量分数增大，聚合速度加快，并且有利于凝胶强度提高。但当单体浓度大于极限值后再增加用量，聚合的过程出现Trommsdroff-Norrish效应，导致凝胶体系相对分子质量降低，强度下降[14]。因此，单体DT-1的最佳用量为8%。

2.1.2 引发剂YF-3加量 固定单体DT-1加量8%，交联剂JL-5加量0.15%，改变引发剂YF-3加量进行合成反应，考察引发剂用量为0.10%～0.30%时，75℃条件下凝胶强度及成胶时间测试结果（见图4）。

图4 引发剂YF-3加量对凝胶强度及成胶时间的影响Fig.4 Effect of the quantity of initiator YF-3 on gel strength and gelling time

由图4可见，当引发剂YF-3用量增加，凝胶强度先增大后变小，并在加量为0.15%时凝胶强度出现峰值，成胶时间则随着引发剂YF-3的增加而减小。

当引发剂YF-3加量过小时，产生的自由基质量浓度低，不足以充分引发单体聚合；增加引发剂用量，相应产生的自由基质量浓度变大，聚合速率加快，相对分子质量增大，凝胶强度也随之增加；但当引发剂YF-3加量过大时，链终止速率增大，链增长活性自由基猝灭几率增大，凝胶相对分子质量较小，强度变低[14]。

2.1.3 交联剂JL-5加量 固定单体DT-1加量8%，引发剂YF-3加量0.15%，只改变交联剂JL-5的加量进行聚合物凝胶的制备，75℃条件下研究其对凝胶强度及成胶时间的影响，实验结果（见图5）。

图5 交联剂JL-5加量对凝胶强度及成胶时间的影响Fig.5 Effect of the quantity of crosslinking agent JL-5 on gel strength and gelling time

由图5可见，当交联剂JL-5加量不断升高，凝胶强度先升高后减小，成胶时间逐渐缩短，当交联剂加量为0.15%时，凝胶强度最大。

低交联剂加量条件下单体DT-1发生聚合后，聚合物之间难以交联形成凝胶，因此凝胶强度较低；在交联剂JL-5加量升高至一定值时，线性大分子链结构可以有效转化为网状凝胶，凝胶强度提高；但当交联剂JL-5加量过高，体系发生类似Trommsdroff-Norrish效应，使凝胶强度下降[15]。

2.1.4 聚合物凝胶封堵性能 双液法模拟填砂管封堵实验，通过候凝时间与填砂管突破压力和封堵率的关系，结果（见表 1）。

结果表明，A、B两组工作液在填砂管模型中混合36 h后，水驱突破压力升至1.93 MPa/m，继续延长候凝时间水驱突破压力、残余阻力系数、封堵率都基本保持不变；36 h时，封堵率为92.57%。这表明36 h时单体在模型内有效聚合并形成了具有封堵能力的凝胶体系，可以封堵管内大孔隙，降低渗透率，封堵效果显著[16]。

表1 聚合物凝胶的封堵性能Tab.1 Plugging property of polymer gel

2.2 纳米级聚合物微球的制备

聚合物微球粒径在纳米级别几乎无黏度，可以顺利进入地层深部，之后聚合物微球逐渐吸水膨胀体积变大，可以有效堵塞孔道，实现深部调驱[17]。

2.2.1 交联剂JL-9加量 在搅拌速率为1 000 r/min、水相单体DT-2质量分数为5.0%、引发剂YF-4加量0.50%（以单体质量计）的条件下，改变水相中交联剂JL-9加量，研究在75℃温度条件下对微球粒径分布的影响，测定在模拟地层水中水化5 d后微球的粒度分布（见图6）。

由图6可见，当交联剂JL-9用量为0.60%时，微球粒径最高。整体来看，微球的粒径在100 nm以下，与地层的孔道配伍性不佳。

2.2.2 引发剂YF-4加量 在搅拌速率1 000 r/min、水相单体DT-2质量分数为5.0%、交联剂JL-9加量0.60%（以单体质量计）的条件下，改变水相中引发剂YF-4加量，研究在75℃温度条件下对微球粒径分布的影响，在模拟地层水中水化5 d后微球的粒度分布结果（见图7）。

由图7所示，当引发剂YF-4加量为0.50%时粒径出现峰值，达到164 nm。说明随引发剂用量的增加，聚合体系中自由基数量增多，从而使反应进行的更加充分，粒径随之增大。

图6 交联剂JL-9加量对聚合物微球粒径的影响Fig.6 Effect of the quantity of crosslinking agent JL-9 on particle size of polymer microsphere

图7 引发剂YF-4加量对聚合物微球粒径的影响Fig.7 Effect of the quantity of initiator YF-4 on particle size of polymer microsphere

表2 聚合物微球的调驱性能Tab.2 Plugging property of polymer microsphere

2.2.3 聚合物微球封堵性能 配制质量分数为20%的聚合物微球溶液注入到模拟的填砂管中，75℃的恒温烘箱中溶胀5 d后进行后续水驱。反映聚合物微球溶液吸水膨胀后水驱压力梯度变化和封堵性能实验结果（见表2）。注入填砂管中的微球吸水膨胀一段时间后，会形成对高渗孔道的选择性封堵，从而调整高低渗区域的渗透率调驱效果。由表2可见，虽然制备的聚合物微球的粒径不到200 nm，但对于填砂管模型产生了有效的封堵，最终残余阻力系数达到17.00，封堵率为94.12%。

3 结论

（1）针对低渗透非均质油田堵水调剖/调驱剂在应用中存在的注入性差、常成胶过快且时间难以调控、体系强度低等问题，制备了可在油藏条件下原地聚合的凝胶和聚合物微球两种调剖/调驱体系。

（2）优选的聚合物凝胶制备方法：单体DT-1加量8.0%、引发剂YF-3加量0.15%，交联剂JL-5加量0.15%，反应温度75℃，使用双液法，成胶时间可达36 h，凝胶强度可达120 kPa。聚合物微球制备方法：将5.0%的单体DT-2、0.60%交联剂JL-9、0.50%引发剂YF-4作为水相；以煤油为油相；以等质量的Span80/Tween80配制成5.0%的溶液作为乳化剂相，将三者以50%油相、10%乳化剂相、40%水相的比例混合，1 000 r/min的转速搅拌分散，配制成W/O反相微乳液后，75℃在N2保护下继续反应2 h制得。

（3）通过填砂管模型，进行了双液法模拟驱替，结果表明聚合物凝胶的成胶时间延长至36 h，对填砂管模型的封堵率达92.57%；优选条件下，聚合物微球溶胀5 d后，对填砂管模型的封堵率达94.12%。

4 展望

（1）本文制备的原地聚合凝胶与聚合物微球两种调剖/调驱体系，面向难注入、难封堵、难持久的低渗/超低渗油藏，可以解决注入性、封堵强度及封堵持久性的问题，具有广阔的应用前景。

（2）将本文制备的凝胶与微球两种体系有机结合，形成强凝胶/弱凝胶体系，使强/弱封堵以及运移性能进一步强化，同时与地层的实际相结合，有望使堵剂体系的封堵效果及经济性进一步提高，实现油田的增产与稳产。

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