稠油油藏高温多基团交联冻胶封窜体系研究与应用

王 杰，付美龙，鲜若琨，张志远，陈立峰

(长江大学，湖北 武汉 430100)

0 引 言

稠油蒸汽驱开发过程中汽窜现象较为严重，导致蒸汽波及系数降低，开采效果变差[1-10]。使用化学堵剂进行调剖注汽是一种有效控制汽窜的方法，目前常用的封窜剂主要有高温冻胶、泡沫、无机颗粒等[11-14]。泡沫封窜技术现场施工工艺复杂，无机颗粒常会滞留在近井地带，因此，应用最广的是高温冻胶封窜技术。传统的高温冻胶封窜体系强度较低，在地层高温环境中的长期稳定性较差，不能实现长时间的封堵；而且常用的冻胶体系多采用甲醛和苯酚作为交联剂，毒性大，造成环境污染[15-16]。针对以上问题，研制了一种较为环保的适用于稠油蒸汽驱的高温多基团交联冻胶封窜体系(简称冻胶封窜体系)，对其耐温性能、蒸汽封堵性能和耐冲刷性能进行了评价，且该体系在现场应用中具有良好的封堵效果。

1 实验部分

1.1 反应原理

高温多基团交联冻胶封窜体系以磺化栲胶为主剂，对苯二酚和乌洛托品为交联剂。乌洛托品在弱酸性环境下会分解产生甲醛，甲醛与对苯二酚反应生成酚醛树脂。磺化栲胶作为封窜体系的主剂，其单体分子上含有众多活性羟基。乌洛托品与对苯二酚交联形成的酚醛树脂上的羟甲基会与栲胶分子上的活性羟基发生脱水缩合反应形成醚键，最终形成致密的多重空间网状结构。该反应的方程式如下：

1.2 实验药剂和仪器

实验用剂包括落叶松栲胶、橡椀栲胶、磺化栲胶、对苯二酚、乌洛托品、硫酸锰、石墨和纳米二氧化硅。

实验仪器主要为FA 2004 B型电子天平、JJ-1 A数显增力电动搅拌棒、HH-1数显恒温水浴锅、USI 350型恒温箱(0～300 ℃)和金属高压填砂模型管(长度为600 mm，直径为38 mm)。

1.3 实验方法

1.3.1 成胶强度的测定

采用突破真空度的方法来表征成胶强度，实验装置见图1，实验流程为：冻胶置于比色管中，U形管的一端连接真空泵，另一端插入比色管中的冻胶内，开动真空泵，测定突破真空度。每个样品(实验条件)均作3次平行测定，取其平均值(测定时大气压为0.1 MPa)。突破真空度越大，冻胶强度越高。突破真空度即在上述实验中空气突破冻胶时真空表上的最大读数。

图1 突破真空度测定装置图

1.3.2 封堵性能测试

实验步骤：①选取70～120目的石英砂填充填砂管，饱和地层水，待其压力趋于稳定后，测量填砂管渗透率、孔隙体积和孔隙度；②注入0.8倍孔隙体积的冻胶封窜体系，在130 ℃下成胶；③对封堵后的填砂管进行蒸汽驱替，实验温度为250 ℃，蒸汽注入速度为1 mL/min，记录突破压力并待压力稳定后，测定填砂管封堵后的渗透率；④计算耐高温封窜剂的蒸汽封堵率和突破压力梯度，封堵率为封堵前后渗透率的差值与封堵前渗透率的比值，突破压力梯度为突破压力与填砂管长度之比。

1.3.3 耐冲刷性能测试

实验步骤：步骤①、②与封堵性能测试实验相同；③对封堵后的填砂管进行蒸汽驱替，实验温度为250 ℃，蒸汽注入速度为1 mL/min，蒸汽注入量为30.0倍孔隙体积，记录突破压力并待压力稳定后，测定填砂管封堵后的蒸汽相渗透率；④在蒸汽持续冲刷过程中，部分封堵位置会失效，封堵率与注入压力逐渐降低直至平衡，通过达到平衡时的注入压力与封堵率来评价耐冲刷性能。

2 实验结果及讨论

2.1 栲胶种类和用量优选

2.1.1 栲胶种类优选

栲胶的主要成分为植物多酚，植物多酚含有植物单宁和单宁的聚合物，是一种具有多元酚羟基结构的天然大分子化合物，栲胶能与酚类、醛类发生反应，从而生成栲胶酚醛树脂。

选择落叶松栲胶、橡椀栲胶和磺化栲胶，考察栲胶种类对成胶时间和成胶强度的影响。3种栲胶的质量分数均为6.0%，交联剂对苯二酚质量分数为2.5%，乌洛托品质量分数为2.5%。实验结果表明：落叶松栲胶在栲胶体系中搅拌后难以溶解；橡椀栲胶在栲胶体系中搅拌后溶解，成胶强度为0.035 MPa；磺化栲胶在栲胶体系中搅拌后溶解，成胶强度为0.045 MPa。

橡椀栲胶为水解类栲胶，单体分子中含有酯键，易发生水解；落叶松栲胶和磺化栲胶为缩合类栲胶，单体分子中不含酯键，但磺化栲胶相比落叶松栲胶进行了改性，增加了磺酸基团，提升了溶解度和活性，因此，橡椀栲胶与磺化栲胶均具有较好的溶解性。橡椀栲胶体系和磺化栲胶体系均能成胶，但磺化栲胶体系的成胶强度大于橡椀栲胶体系，这是由于磺化栲胶单体分子上含有磺酸基团，耐温性能强于橡椀栲胶，使体系具有更好的稳定性。因此，选择磺化栲胶作为封窜体系的主剂。

2.1.2 磺化栲胶用量优选

交联剂对苯二酚质量分数为2.0%，乌洛托品质量分数为2.5%，成胶温度为130 ℃，考察磺化栲胶用量对成胶时间和强度的影响(图2)。

图2 磺化栲胶用量对成胶时间及成胶强度的影响

由图2可知：随着磺化栲胶用量增大，成胶时间逐渐缩短，成胶强度逐渐增强；磺化栲胶用量达到7.0%后成胶强度增幅变缓。磺化栲胶用量过少时，分子中的活性羟基较少，和酚醛交联剂形成的磺化栲胶酚醛树脂分子数量较少，网状结构较弱；随着磺化栲胶用量增大，活性羟基增多，与酚醛交联剂结合生成更致密的空间网状结构，提高了成胶强度。当磺化栲胶质量分数增至7.0%时，体系已具有较高的强度，满足现场使用要求，综合考虑成本因素，选择磺化栲胶质量分数为7.0%。

2.2 交联剂用量优选

在常用的酚醛交联剂体系中，苯酚对于储层的破坏性较强，甲醛毒性较大，均不适用于现场，故选用毒性较低的酚类交联剂对苯二酚和醛类交联剂乌洛托品作为交联剂体系。

2.2.1 对苯二酚用量优选

磺化栲胶质量分数为7.0%，乌洛托品质量分数为2.5%，成胶温度为130 ℃，考察对苯二酚用量对成胶时间和成胶强度的影响(图3)。

图3 对苯二酚用量对成胶时间及成胶强度的影响

由图3可知：随着对苯二酚用量的增大，体系成胶时间先缩短后小幅度增加，成胶强度先增大后小幅度降低。当对苯二酚用量较低时，只能在局部和醛类交联剂产生交联反应，对磺化栲胶分子和醛类交联剂形成的网状空间结构的强度影响较弱；随着对苯二酚用量增加，酚类交联剂和醛类交联剂形成的交联结构能够补充和加强磺化栲胶与醛类交联剂形成的网状结构，成胶强度增大；随着对苯二酚质量分数增大到一定值后，过多的对苯二酚分子会和醛类交联剂过度交联，影响了醛类交联剂和栲胶分子的交联，导致凝胶体系的强度减弱[17-18]。因此，选择对苯二酚的质量分数为2.0%。

2.2.2 乌洛托品用量优选

磺化栲胶质量分数为7.0%、对苯二酚质量分数为2.0%，成胶温度为130 ℃，考察交联剂乌洛托品的用量对成胶时间和成胶强度的影响(图4)。

由图4可知：随着乌洛托品用量的增大，交联体系的成胶强度呈现先增大后小幅度减小的趋势，成胶时间先下降后基本保持不变。当醛类交联剂用量过低时，体系交联过程可以看成交联剂官能团和栲胶大分子的酚羟基发生结合和分离相互作用的结果[19]。当分子结合数量大于分离数量，体系成胶，反之体系难以成胶。由于乌洛托品用量增加，单位体积内交联剂官能团密度增大，与栲胶分子的交联速率和交联程度增大，导致体系强度增大。

图4 乌洛托品用量对成胶时间及成胶强度的影响

根据反应动力学规律，增加交联剂的用量能够增大体系成胶强度的同时缩短体系成胶时间。当醛类交联剂的用量增大到一定值后，局部会形成过度交联，使得局部封窜体系的稳定性受到破坏，导致体系整体强度略有下降[20]。综合考虑，选择乌洛托品的质量分数为2.5%。

2.3 增强剂优选

2.3.1 增强剂种类优选

为了提高封窜体系的凝胶强度，考虑向体系中加入增强剂。选择了3种增强剂，分别为硫酸锰、石墨和纳米二氧化硅。硫酸锰可和磺化栲胶分子上的磺酸基发生螯合反应，使交联过程更易进行，增强凝胶强度；石墨耐高温性能强且能平均分散在体系中，从而增强凝胶网状结构的致密性；纳米二氧化硅颗粒表面存在不饱和键，其在聚合物成胶过程中可进入到三维网络结构中充当交联点来增加体系强度，此外，纳米二氧化硅还可附着在体系的网状结构上，使骨架增粗，增加体系强度。

3种增强剂质量分数均为1.5%，磺化栲胶质量分数为7.0%，对苯二酚质量分数为2.0%，乌洛托品质量分数2.5%，成胶温度为130 ℃，考察增强剂种类对成胶强度的影响。实验结果表明：向体系中加入硫酸锰后，成胶强度从0.053 MPa升至0.056 MPa，效果不太明显；加入石墨后，成胶强度从0.053 MPa升至0.058 MPa，效果一般；加入纳米二氧化硅后，成胶强度从0.053 MPa升至0.065 MPa，增强凝胶强度效果较明显。因此，选择纳米二氧化硅作为体系的增强剂。

2.3.2 纳米二氧化硅用量优化

磺化栲胶质量分数为7.0%，对苯二酚质量分数为2.0%，乌洛托品质量分数为2.5%，成胶温度为130 ℃，考察纳米二氧化硅用量对成胶强度的影响(图5)。

图5 纳米二氧化硅用量对成胶强度影响

由图5可知：当纳米二氧化硅质量分数低于2.0%，成胶强度显著增加，达到2.0%后继续增加用量，成胶强度仅小幅度增加。纳米二氧化硅可以附着在骨架结构上，并进入到三维网络结构中充当交联点来增加体系强度，使得体系的空间网状结构更稳固[21-24]。质量分数增至2.0%后，体系强度已满足现场使用要求，综合考虑成本因素，选择纳米二氧化硅的质量分数为2.0%。

3 冻胶封窜体系性能评价

3.1 耐温性能评价

将配好的冻胶封窜体系装入安瓿瓶后置于250 ℃的恒温箱内，定期取出观察，考察成胶强度和脱水率受长期高温的影响(图6)。

由图6可知：冻胶封窜体系在250 ℃高温条件下，前期的脱水率上升较快，但随着时间逐渐延长至120 d后，脱水率仍低于10%，凝胶强度虽然持续降低，但120 d后仍大于0.040 MPa。说明对苯二酚与乌洛托品交联形成的交联结构对栲胶与醛类交联剂乌洛托品形成的空间交联结构起到了补充和加强的作用，显著提高了冻胶封窜体系的耐温性，同时延长了体系的脱水破胶时间，使其具有良好的长期稳定性[25-26]。

图6 冻胶封窜体系耐温性能实验曲线

3.2 蒸汽封堵性能评价

测量填砂管的堵前渗透率，然后注入0.8倍孔隙体积的堵剂，待其成胶后进行蒸汽驱，实验温度为250 ℃，蒸汽注入速度为1 mL/min，测量封堵后的渗透率，并计算封堵率(表1)。

表1 冻胶封窜体系封堵性能实验结果

由表1可知：向填砂管中注入冻胶封窜体系后，填砂管两端压差增大幅度明显，渗透率明显降低。

说明该体系表现出了良好的封堵性能，有效封堵了原汽窜通道。蒸汽注入量为0.8倍孔隙体积时发生突破，压差降低，突破压力梯度达到了7.35 MPa/m，该冻胶封窜体系的封堵率达到了99.63%。由此可见，该体系具有较好的封堵性能，能有效封堵地层。

3.3 耐冲刷性能评价

实验温度为250 ℃，蒸汽注入速度为1 mL/min，观察蒸汽驱过程注入压力和封堵率的变化情况(图7)。

图7 冻胶封窜体系耐冲刷性能实验曲线

由图7可知：冻胶封窜体系在高温蒸汽冲刷过程中，注入压力先急速下降，最后趋于平缓，最终维持在1.5 MPa左右；蒸汽封堵率小幅度下降后稳定在98.00%以上。由此可见，该冻胶封窜体系耐冲刷性良好。

4 现场试验

风城油田总体构造形态为被断裂切割的向南倾的单斜，地层倾角为5～10 °，储层岩性主要以细砂岩、中细砂岩和含砾砂岩为主，胶结程度疏松，储集空间以次生溶孔为主。油层平均厚度为13.5 m，油层平均孔隙度为31.4%，平均渗透率为1 612 mD，原始地层温度较低(19～28 ℃)，原油黏度高，地层温度下原油黏度大于80 000 mPa·s。风城油田稠油区块经过一段时间蒸汽驱后，汽窜问题频繁出现，导致开发效果变差。冻胶封窜体系在部分汽窜井累计实施10井次，措施成功率为100%，累计增油量为3 942.3 t，含水率下降明显，汽窜通道被有效封堵。

B37井位于风城油田2区东南部，该井累计注蒸汽3 671.0 t，累计产油2 941.1 t，累计油汽比为0.8，采出程度为33.5%。该井在生产过程中受天然裂缝的影响导致井间汽窜，出现蒸汽单方向突进，油层动用状况不均，严重影响开发效果。

2019年10月开始对B37井进行汽窜封堵施工，采用段塞式注入工艺。第1段塞正挤胍胶前置液9 m3；第2段塞正挤冻胶封窜体系27 m3；第3段塞正挤阳离子型HPAM溶液作为后置液，注入量为9 m3，目的是将顶替液与冻胶封窜体系隔开，建立一个保护隔离带，防止冻胶封窜体系的稳定性被破坏；第4段塞正挤稠化水(0.25%聚合物)作为顶替液，注入量为12 m3，顶替液主要作用是将主段塞推进至指定的油层；第5段塞正挤封口液，主要成分为水、粉煤灰、黏土和固化剂，注入量为8 m3，封口液的目的是防止冻胶封窜体系在生产过程中被采出，从而导致封窜失效。

B37井进行封窜施工过程中，施工压力随挤入段塞量的增加而提高。挤入第1段塞后，施工压力上升至0.9 MPa；挤入第2段塞后施工压力上升至3.1 MPa；挤入第3段塞后施工压力上升至4.3 MPa；挤入第4段塞后施工压力上升至5.4 MPa；挤入第5段塞后施工压力上升至6.0 MPa。通过施工压力的变化情况，说明冻胶封窜体系对高渗透大孔隙地层起到了有效的封堵作用。措施后该井日产油由0.9 t/d增至5.5 t/d，阶段增油量为831.0 t，含水率由前期的89.0%降至50.0%。B31井是位于B37井附近且与其地质条件相似的一口生产井，在生产过程中由于汽窜导致产量下降，目前未实施封窜。从生产效果来看，B37井的周期产油比B31井高出778.2 t，含水率比B31井低37.5个百分点。由此可知封窜剂对目标区域进行了有效封堵，产油明显增加，含水显著降低，有效解决了风城油田的稠油汽窜问题。

5 结 论

(1) 针对蒸汽驱开发后期汽窜现象严重的问题，研制了一种高温多基团交联冻胶封窜体系，其组成为7.0%磺化栲胶+2.0%对苯二酚+2.5%乌洛托品+2.0%纳米二氧化硅。

(2) 该冻胶封窜体系具有良好的耐温性能及长期稳定性，250 ℃高温下老化120 d后，凝胶强度依旧大于0.04 MPa，具有较好的长期稳定性。体系具有优良的封堵性能，在250 ℃温度下，封堵率为99.63%，突破压力梯度达7.35 MPa/m。体系完全成胶后，具有良好的耐冲刷性能，随着注入孔隙体积倍数增大注入压力显著减小，封堵率小幅度降低，但封堵率一直维持在98.00%以上，可以达到有效封堵蒸汽的的目的，有利于现场施工。

(3) 现场施工结果表明，采用段塞式注入栲胶体系对高渗透层进行封窜后，有效控制了蒸汽窜流，改善了储层的蒸汽注入剖面，提高生产效果。