趙燕紅

（西安長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司研究所，陜西西安 710018）

預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒作為一種低成本、易注入的調(diào)剖劑在調(diào)整油層吸水剖面、擴(kuò)大波及體積方面發(fā)揮著重要的作用，先后在河南油田、中原油田、大慶油田等工業(yè)化推廣應(yīng)用并取得了較好的措施效果[1-4]，為油田的穩(wěn)油控水發(fā)揮了重要作用。預(yù)交聯(lián)顆粒調(diào)剖劑一般是由丙烯酰胺聚合或聚合物交聯(lián)（部分含有無(wú)機(jī)物添料）經(jīng)造粒、干燥、粉碎、篩分制成的遇水膨脹而不溶解的固體顆粒。顆粒吸水后膨脹且具有良好的柔順性和韌性，注入地層后，顆粒在水驅(qū)作用下產(chǎn)生形變，選擇性進(jìn)入不同尺度的喉道。顆粒經(jīng)運(yùn)移、聚集、堵塞等在地層中反復(fù)作用使后續(xù)水流轉(zhuǎn)向，最終達(dá)到改善水驅(qū)剖面、提高波及體積的目的。預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒在白于山長(zhǎng)4+5 裂縫性油藏現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用14 口井取得了較好的效果，顯著改善了區(qū)塊水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果。

1 凝膠顆粒合成及膨脹性能評(píng)價(jià)

1.1 合成方法

本文合成凝膠顆粒的原料和比例為：16 %～20 %丙烯酰胺、1 %～2 %丙烯酸、0.03 %～0.04 %交聯(lián)劑、0.8 %～1 %引發(fā)劑和2 %穩(wěn)定劑。顆粒采用爆聚合成工藝法，即通過(guò)爆聚反應(yīng)形成高強(qiáng)度凝膠團(tuán)，再經(jīng)過(guò)造粒、干燥、粉碎、篩分工藝制作而成。在預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒合成過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整配方中的個(gè)組分比例和制作工藝，形成顆粒粒徑、膨脹倍數(shù)、膨脹時(shí)間、耐溫性和強(qiáng)度大小均可調(diào)的系列調(diào)剖劑。

1.2 膨脹性能評(píng)價(jià)

預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的吸水膨脹性能通過(guò)用膨脹倍數(shù)表征，其定義為顆粒充分吸水膨脹后的質(zhì)量與干顆粒質(zhì)量之比，反映顆粒的吸水能力。在強(qiáng)度滿(mǎn)足要求的條件下, 追求顆粒吸水能力的最大化是預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的目標(biāo)。吸水膨脹倍數(shù)測(cè)定方法為：稱(chēng)取一定量的預(yù)交聯(lián)顆粒樣品放入容器，加入一定量的水，定時(shí)稱(chēng)取顆粒吸水膨脹后的質(zhì)量，樣品吸水前后質(zhì)量之比即為顆粒膨脹倍數(shù)。

圖1 不同粒徑顆粒的膨脹性能

1.2.1 不同粒徑顆粒的膨脹性能 實(shí)驗(yàn)在55 ℃條件下分別測(cè)試了粒徑分別為0.5 mm、1 mm～3 mm 和3 mm～5 mm 的三種顆粒在油田注入水（礦化度3.1×104mg/L）浸泡下的膨脹倍數(shù)，結(jié)果（見(jiàn)圖1）。可以看出，顆粒粒徑越小, 吸水膨脹速度越快，0.5 mm 顆粒5 h 后基本上達(dá)到吸水平衡狀態(tài)，1 mm～3 mm 顆粒在9 h 左右達(dá)到吸水平衡，3 mm～5 mm 顆粒在10 h 后趨于平衡。這是因?yàn)樵谖蛎洺跗?，水分子大量進(jìn)入顆粒網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)，與顆粒中的強(qiáng)親水基團(tuán)相互作用形成氫鍵，同時(shí)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠體交聯(lián)點(diǎn)之間的分子直鏈因吸水而變?yōu)榫砬?，產(chǎn)生分子聚合力。當(dāng)聚合力達(dá)到相對(duì)平衡態(tài)時(shí)，吸水膨脹達(dá)到飽和狀態(tài)。而對(duì)于比表面相對(duì)較大的小粒徑顆粒，水進(jìn)入顆粒內(nèi)部較容易[5]，因此，其膨脹速度越快。

1.2.2 不同溫度下的膨脹性能 分別在室溫、60 ℃、80 ℃條件下考察粒徑為1 mm～3 mm 預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的膨脹性（水的礦化度3.1×104mg/L）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖2）。

圖2 不同溫度條件下的顆粒膨脹性能

可以看出，三種溫度條件下顆粒吸水膨脹速度不同，溫度越高，膨脹速度越快，最終達(dá)到的膨脹倍數(shù)沒(méi)有明顯差異。室溫下顆粒吸水膨脹速率較慢，25 h 后顆粒吸水基本上達(dá)到飽和狀態(tài)，在60 ℃條件下，顆粒10 h后吸水趨于平衡，80 ℃條件下膨脹最快，7 h 后基本趨于平衡，說(shuō)明溫度越高，水分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子間形成的聚合力減弱，凝膠體交聯(lián)點(diǎn)形成的分子鏈卷曲速率越快，聚合力達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)所需的時(shí)間更短。因此，溫度主要影響顆粒的吸水膨脹速度，而對(duì)最終膨脹倍數(shù)沒(méi)有明顯影響。

1.2.3 不同礦化度下的膨脹性能 實(shí)驗(yàn)在55 ℃條件下，考察了粒徑1 mm～3 mm 顆粒在水型為CaCl2型（礦化度8.6×104mg/L）、NaHCO3型（礦化度9.2×104mg/L）水中的膨脹性能，結(jié)果（見(jiàn)圖3），實(shí)驗(yàn)結(jié)果為顆粒膨脹30 h 的膨脹倍數(shù)。

圖3 不同礦化度條件下的顆粒膨脹性能

從圖3 可看出，顆粒膨脹倍數(shù)隨礦化度增大而變小，當(dāng)?shù)V化度小于10 000 mg/L 時(shí)，膨脹倍數(shù)隨礦化度增大而變小的速率較快，當(dāng)?shù)V化度大于10 000 mg/L后，膨脹倍數(shù)基本保持不變。相同礦化度條件下，顆粒在CaCl2水型的膨脹倍數(shù)比在NaHCO3水型中大。這是因?yàn)轭w粒吸水膨脹后，凝膠體分子鏈段上大量可離解的基團(tuán)生成高分子負(fù)離子和帶正電的陽(yáng)離子。陽(yáng)離子自由分散在負(fù)離子周?chē)?，形成穩(wěn)定電場(chǎng)，但由于引入的陽(yáng)離子對(duì)負(fù)電荷的中和屏蔽作用，導(dǎo)致高聚物分子間的作用力減弱，分子間聚合自由能降低，更容易趨于穩(wěn)定狀態(tài)，吸水能力降低。而且，由于二價(jià)離子比一價(jià)離子具有更強(qiáng)的屏蔽能力[6]，因此，Ca2+比Na+對(duì)顆粒吸水膨脹倍數(shù)的制約性更強(qiáng)。

1.2.4 顆粒膨脹后的熱穩(wěn)定性 將預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒放入礦化度為3.1×104mg/L 的水中，在80 ℃下浸泡膨脹，定時(shí)測(cè)定膨脹倍數(shù)，測(cè)其粘彈性、韌性及抗壓強(qiáng)度，計(jì)算膨脹倍數(shù)保留率，結(jié)果（見(jiàn)圖4）。

圖4 預(yù)交聯(lián)顆粒的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

可以看出，顆粒膨脹主要在初期吸水階段，10 d 左右膨脹倍數(shù)達(dá)到最大值，70 d 以后膨脹倍數(shù)保留率98 %以上，且顆粒吸水膨脹后形態(tài)完整，柔順性、韌性和粘彈性均保持良好。說(shuō)明該顆粒的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性好。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 施工工藝

預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒的應(yīng)用對(duì)象為裂縫性水竄特征明顯、滲透率級(jí)差大于10 和PI 值低于7.7 的井。單井顆粒用量采用白于山區(qū)塊調(diào)剖用量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：V 為顆粒用量，m3；R 為調(diào)剖半徑，m；H 為調(diào)剖目的層厚度，m；Φ 為孔隙度，%；K 為裂縫水竄方向系數(shù)。

考慮泵注過(guò)程中顆粒的流動(dòng)性和單一凝膠顆粒物理封堵后注入水易在顆粒間水竄，采用聚合物作為顆粒的攜帶液以及交替注入顆粒和聚合物段塞，提高顆粒的泵注效率和最終的封堵效果。聚合物用量采用以下公式計(jì)算：

14 口調(diào)剖井平均單井用量為1 650 m3，其中顆粒1 000 m3～1 100 m3，聚合物550 m3～650 m3。

現(xiàn)場(chǎng)施工采用兩種注入工藝：一種是聚合物段塞和凝膠顆粒段塞交替注入；另一種是首先配制預(yù)交聯(lián)顆粒，初步溶脹后攪拌均勻，加入聚合物繼續(xù)攪拌均勻后進(jìn)行泵注。

2.2 應(yīng)用效果

白于山長(zhǎng)4+5 油藏為長(zhǎng)慶靖安油田的主力區(qū)塊之一，儲(chǔ)層平均孔隙度13.5 %，滲透率1.45×10-3μm2，微裂縫發(fā)育，屬典型的低孔低滲油藏。早期的規(guī)?；瘔毫呀óa(chǎn)使人工裂縫與儲(chǔ)層天然裂縫大面積溝通，投產(chǎn)開(kāi)發(fā)至今，注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中裂縫性水竄，含水先后四次突然上升，含水上升上升速度越來(lái)越快，油井水淹產(chǎn)能損失加劇。2010 年底區(qū)塊綜合含水達(dá)70 %，自然遞減17.4 %，綜合遞減14.6 %，采出程度僅6.1 %，開(kāi)發(fā)形勢(shì)十分嚴(yán)峻。2011 年在該區(qū)塊開(kāi)展了預(yù)交聯(lián)凝膠顆粒整體調(diào)剖現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

調(diào)剖后，14 口注水井調(diào)剖后注水壓力明顯上升，上升幅度1.2 MPa～5.2 MPa，平均上升2.8 MPa。表明顆粒對(duì)裂縫帶形成了有效封堵，為注入水動(dòng)用低滲油層建立了良好了驅(qū)替條件。壓降速率明顯變緩，吸水指示曲線(xiàn)明顯上移，吸水能力增強(qiáng)，吸水剖面得到了有效調(diào)整，吸水狀況得到了有效改善。調(diào)剖后對(duì)應(yīng)77 油口井普遍見(jiàn)效，見(jiàn)效比例53 %，綜合含水由調(diào)剖前69 %下降至64 %，含水上升率由調(diào)剖前的3.4 %下降至-5.6 %，區(qū)塊整體調(diào)剖顯著控制了油井含水和含水上升速度。調(diào)剖后區(qū)塊水驅(qū)動(dòng)用程度提高了0.17 %，表明調(diào)剖后水驅(qū)波及體積擴(kuò)大。

3 結(jié)論

（1）顆粒粒徑越小，吸水膨脹速度越快，不同粒徑顆粒的最終膨脹倍數(shù)相同。溫度越高，膨脹速率越快，不同溫度下顆粒最終膨脹倍數(shù)相同。粒徑大小和溫度主要影響膨脹速率，對(duì)最終膨脹倍數(shù)沒(méi)有顯著影響。凝膠顆粒微觀(guān)分子結(jié)構(gòu)特征是影響膨脹性能的要因。

（2）顆粒膨脹倍數(shù)隨礦化度增大而變小。當(dāng)?shù)V化度小于10 000 mg/L 時(shí)，膨脹倍數(shù)隨礦化度增大而變小的速率較快，當(dāng)?shù)V化度大于10 000 mg/L 后，膨脹倍數(shù)基本保持不變。相同礦化度條件下，顆粒在CaCl2水型的膨脹倍數(shù)比在NaHCO3水型中大，這是因?yàn)镃a2+對(duì)負(fù)離子的中和屏蔽作用比Na+更強(qiáng)。在80 ℃、水礦化度3.1×104mg/L 條件下，顆粒浸泡80 d，膨脹倍數(shù)保留率98 %以上，且柔順性、韌性和粘彈性均保持較好。

（3）預(yù)交聯(lián)顆粒在白于山長(zhǎng)4+5 裂縫性油藏現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用14 口井，調(diào)剖后，注水壓力平均上升2.8 MPa，壓降、吸水指示曲線(xiàn)和吸水剖面等測(cè)試資料均表明顆粒調(diào)剖后地層裂縫帶得到了有效封堵，水驅(qū)剖面得到了調(diào)整，區(qū)塊開(kāi)發(fā)指標(biāo)變好，注水開(kāi)發(fā)狀況得到明顯改善。

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