張俊瑾，李遵照，蔣明龍，譚 肖

（中國石油 中原油田分公司 石油工程技術(shù)研究院，河南 濮陽 457001）

相對水基泡沫，凝膠泡沫是一種假塑形流體，具有非牛頓流體性質(zhì)［1］。有研究表明，凝膠泡沫提高原油采收率最主要的機理是因為它具有“變形蟲”效應和賈敏效應，“變形蟲”效應能使凝膠泡沫通過微孔介質(zhì)而抗剪切，因此穩(wěn)定性能好［2］。凝膠泡沫的連續(xù)相是凝膠，在凝膠內(nèi)包裹有大量均勻分布的氣體泡沫，因此凝膠泡沫體系具有泡沫和凝膠雙重特性，耐油性和黏彈性優(yōu)異，具有較強的調(diào)驅(qū)能力［3-4］。目前常用的凝膠泡沫體系包括：作為油田堵水劑的硅酸鹽凝膠泡沫體系［5-7］，作為選擇性堵劑的有機凝膠泡沫體系等。但硅酸鹽凝膠泡沫體系對Ca2+和Mg2+敏感，極易與Ca2+和Mg2+發(fā)生沉淀絮凝，且脆性大，易于破碎［8］；而有機凝膠泡沫體系中起泡劑一般多采用單一表面活性劑，同時膠凝劑多采用部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），耐溫抗鹽性能不理想［9-10］。因此，它們的應用受限。無機凝膠泡沫體系是采用凝膠生成劑與泡沫劑復合，在油藏地層條件下生成的，該體系的凝膠內(nèi)部包裹著泡沫，擴大了凝膠的波及體積，而凝膠增加了泡沫的機械強度，增長了泡沫壽命，可延長調(diào)驅(qū)措施的時效性。

本工作以鋁鹽為主劑，尿素為助劑得到無機凝膠體系，并加入復配泡沫劑得到凝膠泡沫體系。分析了影響凝膠體系成膠的因素，考察了成膠后凝膠的性能，提出了凝膠泡沫體系的調(diào)驅(qū)機理，并建立了凝膠成膠強度模型用于預測凝膠成膠強度。

1 實驗部分

1.1 原料

離子型甜菜堿（L-30）、SH1：泡沫劑，國藥集團化學試劑有限公司；鋁鹽（凝膠主劑）、尿素（凝膠助劑）：化學純，國藥集團化學試劑有限公司；模擬地層水：礦化度為15×104mg/L，鈣鎂離子含量為5 000 mg/L。

1.2 實驗方法

凝膠基液的配制：將鋁鹽與尿素分別溶于一定礦化度模擬地層水中，配制成一定質(zhì)量濃度的溶液，然后加入到高溫玻璃管中。

凝膠成膠實驗：將裝有充分溶解鋁鹽與尿素的溶液的高溫玻璃管豎直置于油浴鍋中。在一定溫度條件下，當溶液由透明狀變成白色，且旋轉(zhuǎn)高溫管至45°不流動時，即認為開始成膠，并記錄為凝膠成膠時間，用上海尼潤智能科技有限公司DV-Ⅱ型布式旋轉(zhuǎn)黏度計測定黏度。

凝膠泡沫體系的配制：在上述凝膠體系中加入泡沫劑即為凝膠泡沫體系。單一泡沫劑不能滿足起泡能力高、穩(wěn)泡性能好的要求，綜合考慮泡沫綜合指數(shù)，選擇0.2%（w）L-30+0.1%（w）SH1作為復配泡沫劑，該復配泡沫劑起泡體積510 mL，消泡半衰期136 min，具有較好的泡沫穩(wěn)定性能。

泡沫性能測定采用上海隆拓儀器設(shè)備有限公司 Ross-Mile 型泡沫儀按 GB/T 7462—1994［11］規(guī)定的方法測定，測定溫度50 ℃，發(fā)泡劑質(zhì)量濃度0.5%。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠基液生成凝膠的條件

采用單因素法對影響凝膠基液成膠性能的因素進行研究。

2.1.1 主劑的影響

固定尿素含量2%（w）、礦化度15×104mg/L、鈣鎂離子含量5 000 mg/L，100 ℃下主劑用量對成膠性能的影響見圖1。從圖1可知，隨凝膠主劑鋁鹽用量的增大，成膠時間延長。這是因為，鋁鹽的金屬離子交替發(fā)生水解和羥基橋聯(lián)作用。當體系中的OH-濃度高時，反應速率加快，反應時間縮短。反之，體系中的OH-濃度低時，反應速率降低，反應時間延長。所以，當固定助劑濃度，增大主劑用量，相當于單位物質(zhì)的量的主劑對應的OH-就會減少，反應速率降低，成膠時間延長。隨主劑用量的增大，參與反應形成凝膠網(wǎng)絡(luò)的金屬離子含量增大，凝膠強度增大。

圖1 主劑用量對成膠性能的影響Fig.1 The influence of main agent concentration on the properties of gel.

2.1.2 助劑的影響

凝膠助劑對成膠性能的影響見圖2。從圖2可知，體系成膠時間隨助劑用量的增大而縮短。這是因為，當固定主劑濃度，增大助劑用量時，助劑發(fā)生分解反應使OH-濃度增大，反應速率加快，成膠時間縮短。隨助劑用量的增大，參與反應形成凝膠網(wǎng)絡(luò)的OH-含量增大，凝膠強度增大。

2.1.3 溫度的影響

溫度對成膠時間的影響見圖3。從圖3可知，成膠時間隨反應溫度的升高而縮短。因為當溫度升高時，溶液中助劑CO（NH2）2發(fā)生分解反應的速率增大，即溶液中的OH-濃度增幅變快，從而使主劑金屬離子Al3+發(fā)生水解并與羥基橋聯(lián)反應的速率加快。另一方面，隨溫度的升高，溶液中各離子運動速率加快從而發(fā)生碰撞的機會增大，使體系成膠時間縮短。

圖2 助劑用量對成膠性能的影響Fig.2 The influence of additive concentration on the properties of gel.

圖3 溫度對成膠時間的影響Fig.3 The influence of temperature on gel time.

2.1.4 礦化度的影響

礦化度對成膠性能的影響見圖4。從圖4可看出，成膠時間隨礦化度的增大而縮短。這是因為當?shù)V化度升高時，助劑CO（NH2）2發(fā)生分解反應生成的CO2的溶解度減小，減少了溶液中CO2的溶解量，使助劑分解反應向正反應方向進行，溶液中OH-濃度增大，成膠時間縮短。體系成膠強度隨礦化度的增大迅速減小。這是因為高礦化度降低了主劑金屬離子的水解程度，同時鹽離子的存在使金屬離子與OH-生成凝膠的機率降低，從而使凝膠強度減小。

圖4 礦化度對成膠性能的影響Fig.4 The influence of salinity on the properties of gel.

2.2 泡沫劑對凝膠泡沫體系的影響

在凝膠泡沫體系成膠過程中體系氣相壓力變化的曲線見圖5。從圖5可看出，泡沫劑的加入對凝膠泡沫體系的壓力影響不大，所以泡沫劑的加入對凝膠泡沫體系的反應速率影響很小。

圖5 泡沫劑對凝膠泡沫體系成膠的影響Fig.5 The influence of foam agent on gelling process of gelling foam system.

2.3 成膠后凝膠的性能

2.3.1 溫度對成膠后凝膠黏度的影響

凝膠基液與成膠后凝膠的黏度見圖6。從圖6可看出，隨溫度的升高，成膠后凝膠的黏度逐漸增大。這與溫度對HPAM溶膠黏溫關(guān)系影響規(guī)律［12］不同，表現(xiàn)出與一般流體黏度隨溫度變化趨勢相反的行為。這可能是因為，HPAM溶膠為有機型溶膠，隨溫度的升高，有機分子鏈被破壞，因此黏度下降，而本工作采用的是無機型凝膠，表現(xiàn)出隨溫度升高，凝膠黏度逐漸增大的規(guī)律。

從圖6還可看出，成膠后凝膠的黏度大于凝膠基液的黏度近100倍，說明凝膠基液中的主劑與助劑在一定條件下發(fā)生化學反應，生成了具有高黏度的凝膠。

2.3.2 成膠后凝膠的高溫穩(wěn)定性

成膠后凝膠在130 ℃下的耐溫性能見圖7。從圖7可知，在實驗時間范圍內(nèi)，成膠后凝膠可在130 ℃高溫下保持300 d穩(wěn)定性。

圖7 凝膠后凝膠在130 ℃下的耐溫性Fig.7 The temperature tolerance of gel system after gelling under 130 ℃.

2.4 凝膠泡沫體系調(diào)驅(qū)機理

本工作制備的凝膠泡沫體系采用與無機凝膠體系配伍性良好的低界面張力復配泡沫劑作為起泡劑，在無機凝膠生成的過程中泡沫劑被包裹在凝膠中，生成無機凝膠泡沫。由于凝膠主劑與助劑在常溫條件下不發(fā)生化學反應，因此基液黏度較低（30℃下7.5 mPa·s），較低的基液黏度保證了調(diào)驅(qū)體系具有良好的注入性能，能滿足深部調(diào)驅(qū)和低滲透油藏的注入。在油藏溫度90～130 ℃和礦化度10×104～25×104mg/L下凝膠基液發(fā)生反應，生成高強度無機凝膠，而由凝膠助劑CO（NH2）2反應生成的少量CO2等氣體可以使原油體積增加，降低油水界面張力，使剩余油進一步被驅(qū)出。

凝膠泡沫體系的成膠強度隨溫度的升高而增大，生成的凝膠在原有水竄通道形成屏障，打破了原來的地下流體平衡，在后續(xù)水驅(qū)過程中封堵段塞漂移、連續(xù)運移，不斷擴大封堵范圍，使后續(xù)注入水多次繞流從而增大注入水波及體積。若泡沫破裂，則泡沫液（表面活性劑）能降低原油界面張力，更好的驅(qū)替出油藏剩余油。

目前調(diào)剖劑發(fā)展方向之一是需研制具有深部調(diào)剖作用和強度高的調(diào)剖劑［13］，本工作制備的凝膠泡沫體系的成膠時間和凝膠強度可根據(jù)需要進行調(diào)控，從而保證了調(diào)驅(qū)液進入目的層位，與上述發(fā)展方向相吻合。

2.5 凝膠成膠強度模型研究

2.5.1 模型建立

從成膠強度實驗結(jié)果可知，成膠強度與主劑和助劑用量成正相關(guān)關(guān)系，與地層水礦化度成負相關(guān)關(guān)系，可認為成膠強度模型由三部分組成（見式（1））：

式中，P為凝膠強度，mPa·s；Cm為凝膠主劑含量，mg/L；Ca為凝膠助劑含量，mg/L；K為礦化度，mg/L。

根據(jù)實驗規(guī)律，建立的凝膠成膠強度模型見式（2）。

式中，Pi是設(shè)定的系數(shù)，通過1st Opt軟件計算得出。

2.5.2 凝膠體系成膠強度模型計算結(jié)果

將建立的凝膠成膠強度模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，模型參數(shù)見表1。計算值與實驗值的比較見圖8。從圖8可知，模型計算值與實驗值吻合良好，平均相對偏差為0.51%，能滿足現(xiàn)場施工需要。

表1 模型參數(shù)Table 1 Model parameter

圖8 主劑含量（a）、助劑含量（b）和礦化度（c）對成膠強度的影響Fig.8 The influence of main agent concentration(a), additive concentration(b) and salinity(c) on gel strength.

3 現(xiàn)場應用

2012年11 月—2013年11月在中原油田采油一廠文13-195（調(diào)驅(qū)目的層滲透率0.13～30.63 md）、文13-204（調(diào)驅(qū)目的層滲透率50～130 md）等7個井組實施了耐溫抗鹽凝膠泡沫調(diào)驅(qū)措施，加入凝膠泡沫體系后平均注水壓力上升5.93 MPa，平均日增油4 t，含水率下降2%，截至2014年1月已累計凈增油1 397 t，累計降水3 674.9 t，取得了良好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

1）以鋁鹽為主劑，尿素為助劑，可得到無機凝膠體系。該體系隨主劑用量的增大，成膠時間延長，凝膠強度增大；隨助劑用量的增大，成膠時間縮短，凝膠強度增大；隨溫度的升高，成膠時間縮短；隨礦化度的增大，成膠時間縮短，凝膠強度降低。

2）在該無機凝膠體系中加入復配泡沫劑0.2%（w）L-30+0.1%（w）SH1可 得 到 凝 膠 泡沫體系，泡沫劑的加入對凝膠的成膠性能沒有影響。

2）無機凝膠泡沫體系能夠耐溫130 ℃，耐鹽20×104mg/L，耐鈣、鎂離子5 000 mg/L；成膠后凝膠黏度隨著溫度的升高而增大?，F(xiàn)場應用表明該凝膠泡沫調(diào)驅(qū)體系可用于低滲透油藏深部調(diào)驅(qū)。

3）P=（P1Cm2+ P2Cm+ P3）（P4Ca+ P5）exp（-P6K）凝膠成膠強度模型，可用于指導現(xiàn)場凝膠成膠強度的預測和配方優(yōu)化，平均相對偏差為0.51%。

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