劉祥,王永鶴,王家祥 (西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,陜西 西安 710065)

新型地層內(nèi)聚合堵水劑的室內(nèi)研究

劉祥,王永鶴,王家祥 (西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,陜西 西安 710065)

在油田開采過程中,為了封堵高滲透、大孔道、裂縫性地層,提高水驅(qū)油采收率,最常用的方法就是采用化學(xué)堵水。研究了由丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、交聯(lián)劑、過硫酸銨、聚丙烯酰胺等組成的地下共聚交聯(lián)成膠堵水體系。討論了影響聚合反應(yīng)的因素,對(duì)合成聚合物凝膠性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。聚合體系凝膠強(qiáng)度較大,且有一定的吸水膨脹性和良好的抗鹽性,封堵效果好,顯示出較好的堵水效果。

堵水劑;聚合凝膠;丙烯酰胺;化學(xué)堵水

在油氣田開發(fā)過程中,油氣井出水是普遍存在的問題。而我國(guó)大部分油田都進(jìn)入了水驅(qū)中后期階段,出現(xiàn)了很多高滲透、大孔道裂縫,水驅(qū)效果變差,油井含水急劇上升。因此,封堵這類高滲透、大孔道、裂縫性地層變得尤為重要。而由丙烯酰胺與甲叉基雙丙烯酰胺在引發(fā)劑作用下借助地層內(nèi)的溫度、壓力條件,在地層內(nèi)交聯(lián)聚合,形成具有高強(qiáng)度、高黏彈性的體膨性凝膠,被很好地應(yīng)用于油田堵水[1]。然而,該堵水劑初始黏度接近于水,在到達(dá)封堵目的部位之前極易被地層水所稀釋,同時(shí)地層水中某些氧化還原物質(zhì)可導(dǎo)致聚合引發(fā)失敗,對(duì)于高滲透、大孔道、裂縫性地層封堵效果較差[2～5]。

筆者以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)為反應(yīng)單體,以過硫酸銨 (APS)為引發(fā)劑,研究了該混合體系在聚丙烯酰胺溶液中的聚合交聯(lián)反應(yīng)。其目的是研制出一種不易被地層水稀釋,具有一定抗鹽性、吸水膨脹性和黏彈性的地層內(nèi)聚合堵水劑。

1 試驗(yàn)部分

1.1 藥品和儀器

1)主要藥品 聚丙烯酰胺甲基丙磺酸(HPAM)(相對(duì)分子質(zhì)量1200×104,水解度26%);丙烯酰胺(AM),交聯(lián)劑(JL),2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS),丙烯酸(AA),為工業(yè)品;氫氧化鈉(NaOH)、過硫酸銨(APS),為分析純?cè)噭?/p>

2)主要儀器 凝膠強(qiáng)度測(cè)定儀 (泉州萬達(dá)試驗(yàn)儀器設(shè)備廠);烏氏黏度計(jì);巖心流動(dòng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置(海安石油科研儀器有限公司)。

1.2 堵水體系配制及聚合方法

先用清水配制一定質(zhì)量濃度的聚丙烯酰胺溶液,再依次加入AA、AMPS、AM、JL,用NaOH稀溶液將p H值調(diào)到7,得到堵水體系溶液。然后在溶液中加入APS引發(fā)劑,攪拌均勻后,倒入密封袋中,置于恒溫水浴中使之聚合。記錄放入時(shí)間,定期觀察其流動(dòng)狀態(tài),直到體系溶液不流動(dòng)時(shí)即為成膠時(shí)間。

1.3 模擬堵水試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用的巖心流動(dòng)試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置如圖1所示。通過填砂管(長(zhǎng)18cm、直徑2.5cm)封堵試驗(yàn),以突破壓力梯度大小衡量封堵效果。試驗(yàn)步驟如下:先將填砂管填滿石英砂并用地層水飽和,測(cè)孔隙體積、水相滲透率;然后向填砂管中注入堵水劑溶液,密封后將填砂管在65℃候凝10h;最后用水驅(qū)替,測(cè)其封堵后的滲透率和突破壓力。計(jì)算堵水劑封堵率和突破壓力梯度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外界條件對(duì)堵水體系聚合反應(yīng)的影響

試驗(yàn)基本配方為6%AM+1%AMPS+3%AA+0.15% JL+0.15%APS+0.1%HPAM(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。分別研究聚合溫度、體系p H值、HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)、無機(jī)鹽質(zhì)量濃度、阻聚劑質(zhì)量對(duì)體系和性能的影響。

圖1 堵水試驗(yàn)評(píng)價(jià)裝置示意圖

2.1.1 溫度對(duì)聚合反應(yīng)的影響

在p H值為7的條件下,考察了溫度對(duì)聚合反應(yīng)的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表1。從表1可以看出,聚合體系在溫度較低時(shí)不反應(yīng),在50℃以上隨著反應(yīng)溫度的升高聚合成膠時(shí)間變短,凝膠強(qiáng)度降低。這是由于在溫度較低時(shí),引發(fā)劑分解產(chǎn)生的自由基質(zhì)量濃度很低,易被體系中的雜質(zhì)所消耗,不能引發(fā)單體聚合。隨著溫度的升高引發(fā)劑的分解速度加快,產(chǎn)生的自由基質(zhì)量濃度升高,引發(fā)單體聚合,且隨著溫度的升高聚合速率顯著加快,但溫度的升高不利于活性自由基大分子鏈的增長(zhǎng),所以凝膠強(qiáng)度降低。

表1 溫度對(duì)聚合反應(yīng)的影響

2.1.2 體系p H值對(duì)聚合反應(yīng)的影響

在聚合反應(yīng)溫度為65℃條件下,改變體系的p H值,考查不同的p H值對(duì)聚合反應(yīng)的影響,結(jié)果見表2。從表2可以看出,體系的p H值在5～9范圍內(nèi)均可以聚合成膠,凝膠強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)p H值為7時(shí),形成的凝膠強(qiáng)度最大。這可能是由于在偏酸性條件下,有利于引發(fā)劑分解產(chǎn)生自由基,反應(yīng)速率過快,使聚合分子量較小。在偏堿性條件下,產(chǎn)生的自由基質(zhì)量濃度較低,鏈增長(zhǎng)自由基被捕獲的幾率高,聚合分子量也較小。所以體系為中性條件下聚合形成的凝膠強(qiáng)度最大。

表2 p H值對(duì)聚合反應(yīng)的影響

2.1.3 HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)聚合體系的影響

由于體系初始黏度接近于水,在到達(dá)封堵目的部位之前極易被地層水所稀釋。為了避免單體溶液被稀釋,加入HPAM作為增稠劑,來保護(hù)體系不被輕易稀釋。聚合試驗(yàn)的p H值為7,溫度為65℃條件下,考查HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)聚合反應(yīng)的影響,結(jié)果見表3。從表3可以看出,HPAM加入到單體溶液體系后,單體溶液體系的黏度增加,成膠強(qiáng)度降低。若既要提高預(yù)聚液的初始黏度,又要保證聚合凝膠的強(qiáng)度,HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.2%較為合適。

表3 HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)聚合體系的影響

2.1.4 無機(jī)鹽質(zhì)量濃度對(duì)凝膠性能的影響

在聚合試驗(yàn)的p H值為7、溫度為65℃條件下,考查氯化鈉(NaCl)和氯化鈣(CaCl2)的質(zhì)量濃度對(duì)凝膠性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看出,NaCl和CaCl2的加入不影響體系的聚合,但隨著NaCl、CaCl2質(zhì)量濃度的增大凝膠強(qiáng)度變小,Ca2+對(duì)形成凝膠強(qiáng)度影響較Na+大。

表4 無機(jī)鹽質(zhì)量濃度對(duì)凝膠性能的影響

2.1.5 阻聚劑質(zhì)量對(duì)成膠時(shí)間和凝膠強(qiáng)度的影響

從表1試驗(yàn)結(jié)果可知,體系的聚合反應(yīng)時(shí)間過短,難以滿足實(shí)際堵水施工要求。為了延長(zhǎng)聚合反應(yīng)時(shí)間,滿足施工可泵要求,需要在體系中加入阻聚劑[6]。聚合試驗(yàn)在p H值為7,溫度為65℃的條件下,考查了阻聚劑質(zhì)量對(duì)聚合成膠時(shí)間和凝膠強(qiáng)度的影響,結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出,隨著阻聚劑質(zhì)量增加,聚合成膠時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)阻聚劑質(zhì)量在0.01～0.05g范圍內(nèi)變化時(shí),聚合成膠時(shí)間變化范圍在50～260min;而阻聚劑質(zhì)量對(duì)形成的凝膠強(qiáng)度影響較小。因此可以通過調(diào)整阻聚劑的質(zhì)量,控制成膠時(shí)間。

圖2 阻聚劑對(duì)成膠時(shí)間和凝膠強(qiáng)度的影響

2.2 堵水性能測(cè)試

2.2.1 凝膠狀態(tài)

按照基本配方聚合,在反應(yīng)溫度為65℃、p H值為7條件下,體系聚合成膠后的狀態(tài)如圖3所示。

由圖3可以看出,堵水劑體系形成的凝膠有較高的強(qiáng)度和黏彈性。這是由于 AM、AMPS和AA的自由基共聚和交聯(lián)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行,形成了互穿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以把水包含在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,形成具有高黏彈性的凝膠體。

圖3 聚合成膠后照片

2.2.2 凝膠吸水膨脹性能

將制備的凝膠體置于不同組成水溶液中,測(cè)試了凝膠的吸水膨脹性能,試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 凝膠吸水膨脹性能

由表5可知,在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水溶液中凝膠的吸水膨脹倍數(shù)不同。隨著鹽水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大吸水膨脹倍數(shù)減少,二價(jià)離子對(duì)吸水倍率的影響大于一價(jià)離子。該堵水劑凝膠吸水膨脹后的彈性和韌性較好,不容易擠碎,長(zhǎng)久放置不脫水。

2.2.3 堵水試驗(yàn)結(jié)果

按確定的配方配制了堵水劑溶液,注入填砂管,使其聚合交聯(lián)成膠后,測(cè)試了堵水劑的堵水性能,試驗(yàn)結(jié)果見表6。從表6可以看出,堵水劑的封堵率達(dá)99.9%以上,突破壓力梯度達(dá)18MPa/m以上。

表6 模擬堵水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

1)試驗(yàn)確定的堵水劑基本配方為:6%AM+1%AMPS+3%AA+0.15%JL+0.15%APS+0.1% HPAM(配方中的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。研究得出,該堵水劑體系在溫度高于50℃聚合;當(dāng)p H值為7時(shí),形成的凝膠強(qiáng)度較大;NaCl和CaCl2的加入不影響體系的聚合;聚合成膠時(shí)間可通過調(diào)整阻聚劑質(zhì)量來控制。

2)加入HPAM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)既可以較好地提高單體溶液的黏度,又可以保證聚合成膠后的凝膠強(qiáng)度。

3)形成的凝膠體耐鹽性較好,有一定的吸水膨脹性,彈性和韌性較好,顯示出較好的堵水效果。

[1]李宇鄉(xiāng).TP-910調(diào)剖技術(shù)研究[J].石油鉆采工藝,1988,34(7):34～36.

[2]唐孝芬,李宇鄉(xiāng),蔡志軍.TP系列聚丙烯酰胺凝膠堵底水技術(shù)[J].油田化學(xué),1996,13(3):219～223.

[3]唐孝芬,蔡志軍,張繼勇,等.地層內(nèi)聚合丙烯酸胺凝膠堵水封竄技術(shù)[J].石油勘探與開發(fā),1997,24(3):89～91.

[4]張代森.丙烯酰胺地層聚合交聯(lián)凍膠堵調(diào)劑研究及應(yīng)用[J].油田化學(xué),2002,19(4):337～339.

[5]王正良,肖傳敏,佘躍惠.高強(qiáng)度吸水膨脹型堵水劑JBD的研制[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào),2003,25(1):83～88.

[6]馬廣彥.增稠的地層內(nèi)聚合堵水劑室內(nèi)研究[J].油田化學(xué),1992,9(2):274～277.

[編輯]帥群

TE358.3

A

1000-9752(2014)02-0153-04

2013-10-28

陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013JQ2015)。

劉祥(1963-),男,1986年大學(xué)畢業(yè),博士,教授,現(xiàn)從事高分子化學(xué)與物理、油田化學(xué)品的教學(xué)與研究工作。