閆?？?，巨登峰 ，謝剛 ，李翠琴 ，張冀 ，胡春明

（1.中國石油華北油田公司采油工藝研究院，河北 任丘 062552；2.中國石油華北油田公司二連公司，內(nèi)蒙古 錫林 026017；3.中國石油渤海鉆探井下作業(yè)公司，河北 任丘 062552）

近年來，雖然水平井堵水技術已在部分油藏試驗取得初步效果［1-3］，但堵水作業(yè)普遍采用的聚合物凍膠堵水劑難以適應水平井堵水的技術需求［4-6］。針對華北油田水平井的實際狀況，開發(fā)了一種新型二次交聯(lián)伴生氣泡沫凍膠體系。該體系不僅能滿足水平井層內(nèi)封堵的要求，而且克服了堵劑進入地層后易被地層水稀釋和沿高滲透層漏失的缺點［7-8］，在灰?guī)r油藏水平井礦場堵水試驗中取得了良好的應用效果。

1 體系成膠機理

二次交聯(lián)泡沫凍膠體系由聚合物溶液、交聯(lián)劑和酸催化劑在氣體作用下發(fā)泡形成，其中氣體由NaNO2/NH4Cl伴生氣體系溶液在高溫下反應生成。凍膠體系溶液在注入地層前，聚合物羧基與Cr3+絡合形成具有一定黏度的預凝膠［9-11］，注入地層后，預凝膠在地層溫度和生氣反應放熱共同作用下，與雙酚樹脂發(fā)生二次交聯(lián)，最終形成具有三維網(wǎng)狀結構的高強度凍膠；同時，體系中內(nèi)生氣組分的存在，使其在第2次交聯(lián)過程中，將產(chǎn)生的氣體包裹在所形成的凍膠體內(nèi)，最終形成以凍膠為外相的凍膠泡沫體系，比以水為外相的普通泡沫穩(wěn)定性好。

泡沫凍膠有3種結構形式：1）泡沫密度遠大于孔隙密度時，泡沫的結構完美，在孔隙體和孔隙喉道處具有很多很薄的凝膠薄膜；2）泡沫密度與孔隙密度相同時，泡沫的結構是適度結構，1個泡占據(jù)1個孔隙體，且有大量凝膠充填于孔隙喉道中；3）氣泡橫跨了幾個孔隙體，并使很多孔隙喉道顯露出來，此時的泡沫結構粗糙。在3種結構形式中，適度結構的泡沫凍膠結構最理想，因為有最大數(shù)量的凝膠充填在孔隙喉道里，其對流體流動的影響最大。

2 體系性能評價

2.1 實驗藥劑

試驗藥品：陰離子聚合物HPAM，工業(yè)品，相對分子量1.8×107，北京恒聚公司提供；雙酚樹脂交聯(lián)劑，實驗室自制；乙酸鉻交聯(lián)劑，實驗室自制；NH4Cl，分析純；NaNO2，分析純；草酸，分析純；鈉基膨潤土，工業(yè)品。

2.2 實驗步驟

將HPAM溶解，攪拌配成0.3%的聚合物母液；依次加入已配好的NaNO2/NH4Cl溶液、乙酸鉻和雙酚樹脂交聯(lián)劑；用草酸調(diào)節(jié)溶液的pH；加入一定量的鈉基膨潤土，攪拌均勻。將配好的母液放入80℃的烘箱中，觀察成膠情況，記錄成膠時間（目測代碼法）并測定一次和二次成膠后的凍膠黏度。

2.3 結果與分析

2.3.1 草酸質量分數(shù)對二次交聯(lián)泡沫凍膠的影響

文獻［12］提到反應溫度大于60℃時，鉻交聯(lián)聚合物有強烈的成膠傾向。實驗結果表明，由于草酸可釋放H+控制溶液的pH，草酸的加入明顯影響了凍膠成膠過程（見表1）。如果質量分數(shù)過高，會引起溶液H+濃度不均，導致局部聚合物短時間爆聚，從而出現(xiàn)嚴重的脫水現(xiàn)象，同時凍膠黏度明顯降低。因此，草酸質量分數(shù)控制在0.019%～0.021%、溶液的pH以6.5為宜。

2.3.2 聚鉻比對二次交聯(lián)泡沫凍膠的影響

聚鉻比較低時，凍膠黏度較低，脫水嚴重；當聚鉻比為50～70時，凍膠黏度大于8 000 mPa·s，且不脫水；聚鉻比較高時，凍膠黏度有所降低（見圖1）。前人對此有不同的解釋，羅憲波等［13］認為：自由水從局部交聯(lián)分布不均造成的“空洞”中滲濾出來，是二次交聯(lián)凍膠脫水的主要原因；低聚鉻比易造成交聯(lián)密度過大，導致凍膠脫水；形成大分子網(wǎng)絡所需的2種交聯(lián)劑為最佳配比時，凍膠強度最大。

表1 草酸質量分數(shù)對凍膠成膠情況的影響

圖1 聚鉻比對二次交聯(lián)伴生氣泡沫凍膠黏度的影響

2.3.3 伴生氣體系對鉻交聯(lián)凝膠的影響

為研究生氣反應對鉻交聯(lián)凝膠的影響，測試了不同伴生氣體系濃度下，鉻交聯(lián)體系在80℃的成膠時間和凝膠黏度。實驗結果表明，隨著NaNO2/NH4Cl質量濃度的增大，鉻交聯(lián)凝膠黏度有所增加；80℃鉻交聯(lián)成膠時間為 1.5～2.0 h，凝膠黏度為 1 000 mPa·s。

2.3.4 伴生氣體系對雙酚樹脂交聯(lián)凍膠的影響

體系中NaNO2/NH4Cl對堵調(diào)劑溶液的成膠影響較大，生氣反應物質量濃度越大，所需交聯(lián)劑質量濃度越高，但凍膠黏度明顯降低（黏度為 1 500 mPa·s），其原因是強氧化劑NaNO2的存在，部分氧化了雙酚樹脂交聯(lián)劑的羥基。

2.3.5 伴生氣效果評價

實驗對二次交聯(lián)泡沫凍膠的生氣效果進行了評價。加入伴生氣體系后，凍膠密度由1.12 g/mL下降為1.11～0.92 g/mL，理論最大產(chǎn)氣量為0.01～0.16 m3。不同于表面活性劑驅在溶液表面鼓起的氣泡［14-16］，泡沫凍膠中生氣反應的氣體被包覆在凍膠內(nèi)部，且均勻分散在凍膠中形成凍膠泡沫，因此有較好的穩(wěn)定性，同時使凍膠體積膨脹、體密度降低。

2.3.6 二次交聯(lián)泡沫凍膠強度評價

實驗比較了二次交聯(lián)泡沫凍膠與常用的鉻交聯(lián)凍膠、雙酚樹脂交聯(lián)凍膠的強度。實驗結果表明，3種凍膠黏度從大到小依次為：二次交聯(lián)泡沫凍膠、雙酚樹脂交聯(lián)凍膠、鉻交聯(lián)凍膠（見表2）。二次交聯(lián)泡沫凍膠以2種不同的交聯(lián)方式形成2種不同的化學鍵，凍膠網(wǎng)絡呈現(xiàn)非均質性，交聯(lián)密度分布不均勻導致凍膠網(wǎng)絡收縮，從而使預凝膠網(wǎng)絡部分得以加強，形成大分子網(wǎng)絡實體，故泡沫凍膠具有良好的機械強度（見圖2），適用于封堵裂縫和中、高滲透層。

表2 3種聚合物交聯(lián)凍膠黏度和強度

圖2 二次交聯(lián)泡沫凍膠黏度隨反應時間的變化曲線

3 礦場應用

任平5井是一口灰?guī)r油藏水平井，投產(chǎn)初期產(chǎn)液量50.6 m3/d，含水率14.96%。2010年3月含水上升速度加快，最高含水率達84.73%，因此采用二次交聯(lián)伴生氣泡沫凍膠堵調(diào)劑對該井實施層內(nèi)堵水。2011年8月完成施工，總注入量160 m3，施工排量15 m3/h，頂替液用量20 m3，施工壓力保持在2～9 MPa。堵水措施后初期效果良好，產(chǎn)油量由7.6 t/d增至17.0 t/d，含水率由84.73%降至64.40%，有效期270 d，累計增油382 t。

4 結論

1）在油田常用聚合物凍膠基礎上，研制開發(fā)了二次交聯(lián)泡沫凍膠堵調(diào)體系，該體系具有良好的穩(wěn)定性能和機械強度，成本低、封堵效率高，適用于水平井層內(nèi)堵水。

2）礦場先導試驗結果表明，使用該體系不僅能夠獲得顯著的增油降水效果，而且也為其他特殊油藏（厚油層、裂縫大孔道油藏等）油井層內(nèi)堵水、提高單井產(chǎn)量和減少產(chǎn)水提供了新的技術手段。

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