海上油田乳液聚合物冻胶在线调驱参数优化研究

张艳辉 陈维余 孟科全

摘      要：针对海上油田常规调驱设备占地面积大、长期占用平台甲板空间的问题，设计了一套适用于海上油田平台使用的乳液聚合物冻胶在线调驱破乳静混工具，并对在线调驱的工具组合方式及施工参数进行了系统优化，从而提高在线调驱施工质量。根据喷射破乳理念，共设计了5种破乳混合方式，包括破乳孔、挡板以及波纹管等。另外，通过陆地实验，优化了在线调驱参数，最佳破乳组合及参数为：直径1 mm的破乳孔+角度45°的擋板+长度1 m的静混器，可满足不同排量、浓度注入条件的施工要求。乳液聚合物在线注入设备只需要乳液聚合物撬、交联剂撬、配套破乳器、静混器及管汇，占地面积仅11 m2，较常规干粉聚合物冻胶调驱工艺节约85.2%。

关  键  词：海上油田;乳液聚合物冻胶;在线调驱;参数优化

中图分类号：TE357.46;O648.17;TE39   文献标识码： A    文章编号： 1671-0460（2020）05-0881-04

Abstract： According to the problem that conventional profile control equipment need cover large area of platform for long time， a set of emulsion polymer gel on-line profile control demulsification and mixing tool was designed for offshore oilfield platform. The combination modes and parameters of on-line profile control tool were optimized to improve construction quality. Five demulsification and mixing modes including demulsification hole， baffle plate and corrugated pipe were designed according to the jet demulsification theory. In addition， the on-line profile control parameters were optimized by the land experiments， and the optimum mode and parameter were determined as follows： 1 mm diameter demulsification hole， 45° baffle plate and 1m long static mixer， which could meet the construction demand of different injection volume and concentration. On-line profile control demulsification and mixing tool needs only emulsion polymer injection equipment， cross-link agent injection equipment， demulsifier， static mixer and manifold， and covers 11 m2， which can save 85.2% of area than conventional powder polymer gel profile control demulsification and mixing tool.

Key words： Offshore oilfield; Emulsion polymer gel; On-line profile control; Parameter optimization

随着油田注水开发的不断进行，含水率逐渐上升，日益严重的无效注水问题将是注水开发油田不得不面临的技术难题。调驱技术能够有效调整注水井吸水剖面，改善水驱效率[1]。目前，调驱技术，尤其是聚合物冻胶调驱，由于其良好的过筛管及封堵能力，已经逐渐成为海上高含水油田一项重要的增产措施，得到了广泛的应用。但是，由于海上平台空间狭小，修井等作业量大，长期占用平台甲板空间，常规的聚合物冻胶调驱体系需要大型熟化、溶解和注入设备，无法和修井作业同时在平台施工，这就导致调驱作业无法大规模推广应用。因此，乳液聚合物冻胶在线调驱体系由于其产品均为液体形态，能够直接注入平台注水管线，只需要小型计量泵即可完成施工，在海上油田得到了大量应用[2]。但在应用过程中发现，不同破乳工具组合方式及参数对乳液聚合物的溶解效果具有非常大的影响。因此，急需对乳液聚合物冻胶在线调驱参数进行系统优化。

乳液聚合物可采用喷射破乳原理，利用机械物理方法，产生紊流和撞击，迫使聚合物变形，当冲击强度超过其破乳所需克服的界面能时，实现破乳。因此，试制不同类型和不同参数规格的破乳工具，模拟现场施工工况，优化乳液聚合物破乳溶解工具组合和参数。

1  实验部分

1.1  仪器与材料

DV2T-HA型旋转黏度计，Brookfield;恒温烘箱，德国MEMMERT;计量泵撬，海油发展工程技术公司;卧式离心泵，上海博禹泵业。

水包水型乳液聚合物，相对分子质量800万;酚醛树脂预聚体型交联剂，有效含量20%，工业品。

1.2  实验方法

1.2.1  不同工具参数条件乳液聚合物破乳溶解效果评价方法

按照海上油田实际注入要求，以1∶1模型，通过陆地模拟现场工况，开展在线破乳静混实验，以破乳后乳液聚合物溶液黏度为技术指标[3]，明确不同实验条件下的破乳静混效果。使用离心泵模拟平台注入水，使用不同注入撬中的计量泵将乳液聚合物和交联剂通过不同参数的破乳工具组合，分别注入到注水管线中，实验流程见图1。在不同工具参数条件下，取样并放置在65 ℃恒温烘箱中，测试不同工具参数条件乳液聚合物的破乳溶解效果及成膠性能。

1.2.2  成胶性能测试方法

将不同工具参数条件下的成胶液样品放置在65 ℃恒温烘箱中，以黏度为指标，测试不同恒温时间后的成胶液的黏度值，当黏度达到最大值稳定时，样品的恒温时间即为冻胶体系的成胶时间，黏度的稳定值即为冻胶体系的成胶强度[4]。

2  结果与讨论

2.1  破乳组合方式及参数设计

根据乳液聚合物性能特点，拟采用喷射破乳原理[5]，利用机械物理方法，通过节流孔产生紊流和撞击，迫使聚合物变形，当冲击强度超过其破乳所需克服的界面能时实现破乳。根据喷射破乳理念，共设计了5种破乳混合方式，包括破乳孔、破乳孔+挡板、破乳孔+波纹管（四通前）、破乳孔+波纹管（四通后）以及破乳孔+档板+波纹管，设计见图2。

2.1.1  破乳孔

破乳孔破乳的基本原理是通过喷嘴的剪切，实现破乳。其结构由本体与喷嘴两部分组成，分别试制破乳器喷嘴孔径为0.8、1、1.2、1.5、1.8、2.3 、2.8、3 mm。

2.1.2 挡板

挡板的基本原理在喷嘴破乳效果的基础上，利用挡板产生回流及搅动，形成紊流，强化破乳效果。其结构是由本体与挡板两部分组成，挡板与本体连接，形成挡板短节，材质为35CrMo，挡板角度45°、60°、90°。

2.1.3 波纹管

波纹管的基本原理是通过凹凸环，增强喷嘴破乳效果。其结构是由本体与内管两部分组成，内管插入本体后，形成波纹管，材质为35CrMo，内管长度约100 mm，每10 mm左右分布一个凸起环。

2.1.4 静混器

根据SK型静混器在0.8～1.2 m/s线速度范围内混合效果较好的经验，选择SK-80型静混器（内通径80 mm）。试制0.5、1 m的短节，通过不同长度的组合实验，优选出现场不同排量下的最佳静混器长度。

2.2  在线调驱参数优化

为了确定各工具的关键参数，确保配套工具在海上顺利应用，主要在陆地进行参数优化实验，主要包括：不同破乳器组合的影响;挡板角度的影响;静混器长度的影响;破乳孔直径的影响;不同注入排量的影响;不同乳液聚合物浓度的影响。其中，在线调驱参数优化实验乳液聚合物冻胶配方浓度为：1.2%水包水型乳液聚合物+0.5%酚醛树脂交联剂。

2.2.1  不同破乳器组合的影响

通过不同工具参数条件乳液聚合物破乳溶解效果评价方法，模拟不同的破乳组合方式条件下乳液聚合物冻胶体系在线注入。其中，破乳孔直径为1 mm，静混器长度为1 m，挡板角度为60°，排量为5 m3/h，实验结果见表1。由实验数据可知，以单独破乳孔处理后破乳黏度为标准（192 mPa·s），波纹管置于四通前，黏度偏小，破乳效果差;波纹管置于四通后，黏度大幅提高，注水压力明显增加，因此不推荐使用波纹管。此外，加入挡板后，样品黏度高于单独破乳孔。综合考虑，破乳器结构推荐为：破乳孔+挡板。

2.2.2  档板角度的影响

通过不同工具参数条件乳液聚合物破乳溶解效果评价方法，模拟不同的档板角度条件下乳液聚合物冻胶体系在线注入。其中，破乳孔直径为1 mm，静混器长度炎1 m，排量为5 m3/h，实验结果见表2。由实验数据可知，45°挡板破乳后的样品黏度较大，破乳效果最好。这是由于档板角度过大，乳液聚合物进入档板腔体后，无法在腔体内形成旋转绕流，直接进入注水管线，导致黏度变低[6]。

2.2.3  静混器长度的影响

通过不同工具参数条件乳液聚合物破乳溶解效果评价方法，模拟不同的静混器长度条件下乳液聚合物冻胶体系在线注入。其中，破乳孔直径为1 mm，挡板角度为45°，排量为5 m3/h，实验结果见表3。由实验数据可知，静混器具有较好的混合效果，应为必须结构，从样品的现象看，静混器越长，混合效果越好。这是由于静混器越长，其产生的扰动效果越明显，静混效果越好[7]。因此，推荐静混器长度为1 m。

2.2.4  破乳孔直径的影响

通过不同工具参数条件乳液聚合物破乳溶解效果评价方法，模拟不同的破乳孔直径条件下乳液聚合物冻胶体系在线注入。其中，静混器长度为1 m，挡板角度为45°，排量为5 m3/h，实验结果见表4。由实验数据可知，破乳孔直接影响到破乳溶解效果，孔直径过大或过小，破乳效果均变差，黏度变小。这是由于破乳孔直径过大，剪切作用下降，大量乳液聚合物与水直接接触，容易形成鱼眼型胶团，使溶解变差;而破乳孔直径过小，对乳液聚合物产生强烈的剪切，使部分聚合物分子断裂，分子量变小，从而导致黏度下降[5]。因此，推荐破乳孔直径为1 mm。

2.2.5  不同注入排量的影响

通过不同工具参数条件乳液聚合物破乳溶解效果评价方法，模拟不同注入排量条件下乳液聚合物冻胶体系在线注入。其中，破乳孔直径为1 mm，静混器长度为1 m，挡板角度为45°，实验结果见表5。

由实验数据可知，在注水排量4～10 m3/h范围内，该套破乳工具组合能够满足乳液聚合物冻胶在线注入要求，破乳后黏度高，溶解后溶解均一，成胶性能好。

2.2.6  不同乳液聚合物浓度的影响

通过不同工具参数条件乳液聚合物破乳溶解效果评价方法，模拟不同浓度的乳液聚合物冻胶体系在线注入。其中，破乳孔直径为1 mm，静混器长度为1 m，挡板角度为45°，排量为5 m3/h，实验结果见表6。由实验数据可知，在乳液聚合物浓度1%～2%范围内，该套破乳工具组合能够满足乳液聚合物冻胶在线注入要求，破乳后黏度高，溶解后溶解均一，成胶性能好。

综合不同破乳工具组合方式及参数的优化实验，可得到最佳的破乳组合方式及参数为：直径1 mm的破乳孔+角度45°的挡板+长度1 m的静混器，可满足不同排量、浓度注入条件的施工要求，具有较好的破乳效果。

2.3  在线调驱占地面积核算

常规干粉聚合物调驱设备包括熟化罐、配液间、调剖泵等大型设备[8]，占地面积合计74.4 m2，具体参数见图3。而乳液聚合物在线注入设备只需要乳液聚合物撬、交联剂撬及配套破乳器、静混器及管汇，占地面积仅11 m2，具体参数见图4，较常规干粉聚合物冻胶调驱工艺节约85.2%，能够将注入设备放置于井口下甲板，满足在线调驱注入要求。

3  结 论

针对海上油田常规调驱设备占地面积大、长期占用平台甲板空间的问题，设计了一套适用于海上油田平台使用的乳液聚合物冻胶在线调驱破乳静混工具，并对在线调驱的工具组合方式及施工参数进行了系统优化，从而提高在线调驱施工质量。

（1）根据喷射破乳理念，共设计了5种破乳混合方式，包括破乳孔、破乳孔+挡板、破乳孔+波纹管（四通前）、破乳孔+波纹管（四通后）以及破乳孔+档板+波纹管。

（2）通过陆地实验，推荐最佳破乳组合及参数为：直径1 mm的破乳孔+角度45°的挡板+长度1 m的静混器，可满足不同排量、浓度注入條件的施工要求。

（3）乳液聚合物在线注入设备只需要乳液聚合物撬、交联剂撬、配套破乳器、静混器及管汇，占地面积仅11 m2，较常规干粉聚合物冻胶调驱工艺节约85.2%。

参考文献：

[1]白宝君，李宇乡，刘翔鄂. 我国油田化学堵水调剖新进展[J]. 石油钻采工艺，1998，20（3）：64-68.

[2]孟祥海，魏子扬，张云宝，等.海上油田在线调剖体系室内研究[J].石油化工应用，2017，36（6）：129-131.

[3]由庆，周伟，王业飞，等.疏水缔合聚合物/酚醛树脂冻胶反应进程及影响因素[J]. 油田化学，2010，27（3）：260-264.

[4]孟科全，张艳辉，陈维余，等.耐温耐盐AMPS共聚物冻胶调剖体系的研制[J]. 精细石油化工，2017，34（5）：15-19.

[5]张波，戴彩丽，赵娟，等.海上油田酚醛树脂冻胶调剖性能评价[J].油气地质与采收率，2010，17（5）：42-45.

[6]刘文铁，魏俊，王晓超，等. 海上油田非均相在线驱先导实验[J].科学技术与工程，2015，15（30）：110-114.

[7]侯洪涛，杜勇，李积祥，等. 乳液聚合物在线深部调剖技术研究与应用[J]. 石油地质与工程，2012，26（2）：112-115.

[8]张楠，葛嵩，李彦阅，等. 调驱剂交替注入方式对调驱增油降水效果影响实验研究[J]. 当代化工，2019，48（8）：1668-1674.