大庆油区三元复合驱耐碱性调剖剂的研制与段塞组合优化

周亚洲，殷代印，张承丽

（东北石油大学教育部提高油气采收率重点实验室，黑龙江大庆163318）

大庆油区三元复合驱取得了显著效果［1-4］，从工业化推广的实际和受效状况看，目前还存在一些问题亟待解决。杏一—二区东部Ⅱ块部分三元复合驱采出井受效状况差，该类井主要集中在基础井网注水井附近，底部油层存在大孔道，造成注入井注入压力低，采出井采聚浓度高，无效循环严重，高渗透层相对吸液量达69.2%，吸液厚度比例仅为23.9%，注入强度达15.6 m3/（d·m），比区块平均值高9.4 m3/（d·m），且井区注入井油层发育以合层为主，分注潜力小，需深部调剖［5］，目前在强碱体系中尚无成功的调剖经验可借鉴［6-12］。为此开展三元复合驱调剖技术研究，提高化学药剂利用率，改善区块整体开发效果。结合该区块油藏特点，在pH值为12的情况下，采用普通聚合物作为主剂，离子和有机化学剂作为交联剂，加入稳定剂和除氧剂，开展三元复合驱耐碱性调剖剂研制，并进行调剖剂段塞组合优化。

1 实验部分

1.1 实验药剂与仪器

聚合物、碱、表面活性剂取自大庆油区杏一—二区东部Ⅱ块；实验用油是利用井口原油与航空煤油配制成的粘度为6.84 mPa·s的模拟油。实验所用注入水、地层水离子组成和总矿化度如表1所示。实验所用岩心为30 cm×30 cm×4.5 cm的纵向三层非均质正方形人造岩心，各层渗透率分别约为300×10-3，500×10-3和800×10-3μm2，井网类型为四注一采五点法井网。

表1 注入水和地层水的离子组成 mg/L

实验仪器包括：ES-120型电子分析天平、KJ-1型高速搅拌器、NDJ-4粘度计、CS-501型超级恒温器、HXDSY型流动实验仪、LB-1型平流泵和真空泵等。

1.2 实验方法

用配制好的模拟地层水与称量好的聚合物配制成溶液，将其搅拌均匀后，取下熟化，熟化完毕后，将称量好的交联剂加入聚合物溶液中，4 h后，利用pH调节剂（质量分数为1.2%的氢氧化钠溶液）将pH值调到12，放入45℃烘箱内定期测定成胶时间和成胶强度，最后利用正交试验方法进行优化。

根据三元复合驱深部调剖要求，在温度为45℃和pH值为12的条件下，调剖剂成胶时间应为72～360 h，成胶强度应为2 000～4 000 mPa·s，稳定时间应在60 d以上。

2 实验结果分析

2.1 交联剂种类的筛选

选用相对分子质量为2 500×104且质量浓度为2 000 mg/L的聚合物；离子型交联剂分别为YH-1，YH-2，YH-3和YH-4，其质量分数皆为0.1%；有机交联剂为THM-1和THM-2，其质量分数为0.1%；稳定剂为DX-1，质量分数为0.2%；除氧剂为GP-1，质量分数为0.1%。根据实验结果得出，YH-1复配后形成的凝胶在102 h强度达到最大，为2 880 mPa·s，70 d后强度为2 120 mPa·s，表明稳定性较好；YH-2复配后形成的凝胶强度为40 000 mPa·s，其值太大不适合油层深部调剖；YH-3复配后形成的凝胶强度为2 000 mPa·s，但70 d后强度仅为190 mPa·s，表明稳定性较差；YH-4复配后形成的凝胶成胶过快，仅为42 h，且其成胶强度比YH-1复配后的成胶强度小。因此，选用YH-1为交联剂。

2.2 交联剂质量分数的筛选

在离子型交联剂YH-1质量分数为0.1%～0.2%，有机交联剂THM-1和THM-2的质量分数分别为0.1%～0.25%和0.08%～0.2%的条件下，测定成胶性能。实验结果表明，离子型交联剂和有机交联剂质量分数越大，成胶后凝胶强度越大。若离子型交联剂和有机交联剂质量分数过小，则形成的凝胶不能成胶且稳定性差；若离子型交联剂和有机交联剂质量分数过大，则形成的凝胶强度太大而不适于深部调剖。因此，确定YH-1的质量分数为0.15%，THM-1和THM-2的质量分数分别为0.1%和0.08%。

2.3 聚合物相对分子质量的筛选

选用聚合物的质量浓度为2 000 mg/L，相对分子质量分别为 1 300×104，1 500×104，1 700×104，2 500×104和3 500×104；YH-1质量分数为0.15%；THM-1和THM-2质量分数分别为0.1%和0.08%。实验结果表明，随着聚合物相对分子质量的增大，成胶强度增强；相对分子质量分别为1 300×104，1 500×104，1 700×104所形成的调剖剂，未形成长链，没有达到成胶标准；当聚合物相对分子质量为2 500×104时，102 h后粘度达到最大,为3 510 mPa·s，且稳定性较好；当聚合物相对分子质量为3 500×104时，调剖剂体系出现颗粒状，不能互相聚合为一种连续的体系，不适于深部调剖［13-16］。因此，选用聚合物的相对分子质量为2 500×104。

2.4 聚合物质量浓度的筛选

选用聚合物的相对分子质量为2 500×104，质量浓度分别为1 500，1 800，2 000和2 200 mg/L；YH-1质量分数为0.15%；THM-1和THM-2的质量分数分别为0.1%和0.08%。由实验结果可以看出，随着聚合物质量浓度的升高，成胶强度增大，成胶时间缩短。这是因为在一定的条件下，聚合物分子的水力学半径是一定的，随着聚合物质量浓度的增加，聚合物分子之间碰撞、缠绕的几率较大，与交联剂反应的聚合物分子较多，增加了聚合物分子之间的作用力［17-19］，使成胶强度升高。综合考察现场对成胶时间、成胶强度的要求，确定聚合物质量浓度为2 000 mg/L。

2.5 聚合物溶液熟化时间的选择

选用聚合物相对分子质量为2 500×104，质量浓度为2 000 mg/L；YH-1质量分数为0.15%；THM-1和THM-2质量分数分别为0.1%和0.08%，将配制好聚合物溶液分别放置2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，22和24 h后再添加交联剂。从实验结果（图1）可以看出，当聚合物溶液熟化时间为2～4 h时形成凝胶的强度较低，这是由于熟化时间过短，聚合物在溶液中相互的连接性和依附性还没有完全体现；当聚合物溶液熟化时间为8～18 h时，成胶强度符合成胶标准，其中聚合物溶液熟化时间为12 h时，成胶强度最大为3 510 mPa·s；而当聚合物溶液熟化时间为20～24 h时，聚合物开始进入老化阶段，调剖剂成胶强度明显下降。因此，确定聚合物溶液最佳熟化时间为12 h。

图1 聚合物溶液不同熟化时间的成胶强度变化

2.6 正交试验优选调剖剂配方

影响耐碱性调剖剂性能的因素有很多，如聚合物质量浓度、聚合物相对分子质量、交联剂种类及浓度、助剂的种类，以及调剖剂中各化学试剂浓度及交互作用等［20］。现只考虑离子型交联剂、有机交联剂、聚合物和pH值调节剂这4个主要因素对耐碱性调剖剂性能的影响，应用L25（56）正交表对耐碱性调剖剂配方进行考察，目的是确定影响耐碱性调剖剂性能的主要因素，为进一步研究和优化耐碱性调剖剂配方提供指导。正交试验结果表明，影响耐碱性调剖剂性能的4种因素主次关系依次为：pH值调节剂、有机交联剂、聚合物、离子型交联剂。得到的调剖剂配方为：相对分子质量为2 500×104且质量浓度为2 000 mg/L的聚合物、质量分数为0.15%的离子型交联剂YH-1、质量分数分别为0.1%和0.08%的有机交联剂THM-1和THM-2、质量分数为0.2%的稳定剂、质量分数为0.1%的除氧剂。

3 调剖剂性能评价

3.1 调剖剂对三元复合体系界面张力的影响

根据研究区块实际注入三元复合体系的情况，用质量分数为1.2%的氢氧化钠、质量分数为0.3%表面活性剂和质量浓度为2 000 mg/L的聚合物配制三元复合体系，在第1、第3、第5和第10天测定三元复合体系的界面张力，分别为3.42×10-3，4.25×10-3，4.83×10-3和5.12×10-3mN/m。另一实验为对比实验，在配制好的三元复合体系中加入优选的调剖剂，测定复合体系在第1、第3、第5和第10天的界面张力，分别为3.64×10-3，4.87×10-3，5.49×10-3和7.02×10-3mN/m。此实验结果表明，调剖剂对三元复合体系界面张力的影响不大。

3.2 氢氧化钠质量分数对调剖剂性能的影响

为了评价三元复合体系中氢氧化钠质量分数对调剖剂性能的影响，进行了不同氢氧化钠质量分数下调剖剂成胶性能实验。采用优选的配方，加入交联剂4 h后，分别加入质量分数为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%的氢氧化钠溶液。实验结果表明随着氢氧化钠质量分数的增加，调剖剂成胶后强度逐渐减小。在氢氧化钠质量分数为0时，即中性条件下，成胶后最大强度为7 500 mPa·s；当氢氧化钠质量分数达到1.2%，即pH值为12时，成胶强度为3 510 mPa·s，但仍可成胶。由此可见，所研制的调剖剂耐碱性较好，可应用于三元复合驱调剖。

3.3 缓凝剂质量分数对耐碱性调剖剂成胶时间的影响

采用优选的配方，加入交联剂4 h后，分别加入质量分数为0.05%，0.1%，0.15%和0.2%的缓凝剂，测定成胶性能。实验结果表明随着缓凝剂质量分数的增加，成胶时间延长。当缓凝剂质量分数为0时，成胶时间为102 h；当缓凝剂质量分数为0.1%时，成胶时间为222 h；当缓凝剂质量分数为0.2%时，成胶时间为366 h。因此，可以通过加入缓凝剂来调节成胶时间。

4 调剖驱油实验

为了研究调剖剂在三元复合驱调剖中的效果，进行了驱油实验。设计了3个实验方案，方案Ⅰ为水驱至含水率为98%，方案Ⅱ为水驱至含水率为95%—注入0.4倍孔隙体积的三元复合体系—后续水驱至含水率为98%，方案Ⅲ为水驱至含水率为95%—注入0.2倍孔隙体积的三元复合体系—注入0.035倍孔隙体积的调剖剂—注入0.2倍孔隙体积的三元复合体系—后续水驱至含水率为98%。从实验结果（表2）可以看出，在三元复合体系中注入研制的调剖剂，能改善中、低渗透层的开发效果，3块岩心含水率最低值分别为46.5%，47.5%和44.7%，与水驱相比含水率下降最大幅度分别为48.5%，47.5%和50.3%；采收率分别为69.84%，69.31%和69.66%，比水驱分别提高采收率22.24%，21.71%和22.06%，比不使用调剖剂的三元复合驱分别提高采收率4.3%，3.77%和4.12%。3块岩心比不使用调剖剂的三元复合驱平均提高采收率4%左右。

表2 3种方案驱油效果

5 调剖剂段塞组合优化

为了模拟凝胶深部调剖的开发效果，应用CMG软件的STARS模块建立了理想模型。地质模型参数依照杏一—二区东部Ⅱ块实际情况。井网类型是四注一采五点法井网，注采井距为150 m。

考虑到试验区进行三元复合驱，油藏pH值较高，在方案设计中加入了前置聚合物段塞和后续聚合物段塞，考察了聚合物质量浓度为1 500～2 500 mg/L、段塞尺寸为0.005～0.015倍孔隙体积前置的聚合物段塞和聚合物质量浓度为2 000 mg/L、段塞尺寸为0.01倍孔隙体积的后续聚合物段塞对开发效果的影响。数值模拟结果表明前置聚合物段塞对开发效果影响较大，后续聚合物段塞对开发效果影响不大。优选出的前置段塞为质量浓度为2 000 mg/L的0.01倍孔隙体积的聚合物溶液。调剖前加入0.01倍孔隙体积的前置聚合物段塞最终采收率为74.33%，比三元复合驱提高采收率4.58%，比不加前置聚合物段塞的三元复合驱调剖提高采收率0.56%。分析原因是：在注入调剖剂前，加入少量的前置聚合物段塞，能够稀释地层中残留的碱液，保证调剖剂具有更好的性能。同时对三元复合驱调剖的段塞大小进行了优选，得出0.035倍孔隙体积的调剖剂开发效果和经济效益最佳。

6 结论

在pH值为12的条件下，研制出了耐碱性调剖剂配方，该调剖剂成胶时间为102 h，成胶粘度为3 510 mPa·s；稳定时间大于60 d，抗盐性好，对三元复合体系界面张力影响不大。应用研制的调剖剂进行了驱油实验，结果表明该调剖剂应用于三元复合驱调剖时，能够改善三元复合驱的开发效果，比不使用调剖剂的三元复合驱提高采收率4%左右。数值模拟结果表明该调剖剂应用于三元复合驱调剖时，在调剖前加入小尺寸的前置聚合物段塞，调剖剂能有更好的调剖性能。

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