耐高温调剖体系在多孔介质内的匹配性研究

肖丽华，刘常青，权佳美，李彦阅，周 振，赵立雷

（1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300450；2.东北石油大学提高采收率重点实验室，黑龙江大庆 163318）

渤海油田是中国最大的海上油田之一，温度处于90～135 ℃的油田达17 个。在注水开发后期，含水上升速度加快，高渗层吸液量增加，以致低效或无效循环，平面、纵向矛盾日益显现[1，2]。聚合物凝胶因其独特性能优势成为该技术的一种有效药剂，在油田增产方面应用广泛，在降低水相渗透率，改善水的波及效率以及油藏的深部调剖等方面均表现良好[3-5]。

由于聚合物凝胶相互交联形成三维笼状结构的黏弹体，通过外力挤压变形进入多孔介质，在滞留位置发生固化反应或者膨胀作用从而建立有效封堵。但储层环境是影响成胶效果和热稳定性的重要因素之一。高温条件下常规调剖体系会因交联过度，黏度比预期值增大很多，成胶强度也会变大，导致后续注入也会非常困难。即使增大外力作用迫使其进入孔隙，其分子结构也会被破坏，致使滞留时间不会很长，耐冲刷性和封堵功能都不会理想。而当凝胶强度过低时又不能有效启动低渗层[6-11]。且分子结构或结构参数对其在多孔介质内的渗流特性和非均质条件下的原油驱替特征的影响不容忽视[12]。因此，只有当调剖体系与储层个性化匹配度较高时，耐温调剖体系才能取得最理想的封堵性能和液流转向效果。

1 实验部分

1.1 主要实验材料与设备

AS 干粉聚合物、交联剂A、交联剂B、除氧剂，质量分数均为99%；无机填充剂，质量分数为57%。填砂管尺寸为25 mm×300 mm，实验室自制。实验用水为目标油田模拟水，总矿化度为5 222.27 mg/L，pH 值为8.38。

SIRION 200 扫描电镜，美国FEI 公司；傅里叶红外光谱分析仪，Spectro One 珀金埃尔默有限公司；BY-Ⅱ型多功能岩心驱替系统，东北石油大学、南通北岩实验设备科技有限公司联合研制。岩心夹持器、手摇泵、平流泵、中间容器等置于恒温箱内。实验设备流程（见图1）。

图1 实验流程图

1.2 实验方法

1.2.1 凝胶溶液配制 根据前期实验优选凝胶配方进行实验研究，凝胶配方组成包括聚合物、交联剂A 和交联剂B、除氧剂、无机填充剂和水。将烧杯置于磁力搅拌器上，加入目标油层模拟地层水1 000 mL，在搅拌条件下加入4 g 实验用耐温抗盐聚丙烯酰胺粉末，搅拌2 h，得到完全溶解的凝胶主剂溶液，在主剂溶液中加入2 g 交联剂A 和2 g 交联剂B，5 g 除氧剂和5 g无机填充剂，充分搅拌溶解得到凝胶溶液。

1.2.2 渗流特性实验 建立双岩心实验模型模拟地层的非均质性。定制两种不同渗透率级差的岩心管并联起来接入驱替系统，在恒定流速（0.25 mL/min）下注入地层水，记录注入压力和高、低岩心管分流体积；以同样的速度注入一定量（0.3 PV）的体系溶液，在120 ℃下恒温一段时间，候凝，待体系成胶后再进行水驱，记录注入压力和高、低渗岩心分流量，测定突破压力和封堵后水相渗透率。

1.2.3 凝胶封堵机理表征 配制聚合物溶液和凝胶溶液，采用美国FEI 公司SIRION 200 型扫描电镜进行冷冻电镜扫描。将凝胶溶液置于安瓿瓶中，在90 ℃、100 ℃和120 ℃条件下进行成胶，对比48 h 后凝胶的冷冻电镜扫描图像，并结合凝胶主剂聚合物、交联剂及助剂的结构对凝胶的成胶封堵机理进行分析。

2 结果分析

2.1 封堵性能分析

2.1.1 阻力系数/残余阻力系数与突破压力/突破压力梯度 成胶后进行后续水驱其残余阻力系数高达430～7 820，表明高孔隙介质内孔隙间隔较大，可使分子间产生充分碰撞，利于凝胶充分成胶（见图2、图3）。残余阻力系数的增大也反映出该体系成胶后在孔隙介质中的渗流阻力在变大，同时孔隙介质的渗透率下降幅度也增大，从而实现后续水的顺利转向。该凝胶体系在不同渗透率下的岩心突破压力都在2 MPa 以上，突破压力梯度均大于7 MPa/m，当渗透率不低于1 000 mD时，突破压力和突破压力梯度均明显提高且后期逐渐趋于稳定。

图3 突破压力/突破压力梯度变化曲线

2.1.2 封堵率与封堵选择性 除渗透率为320 mD 的岩心外，渗透率在450 mD 以上岩心凝胶封堵率均在99%以上，可见注入该凝胶体系时岩心渗透率对岩心封堵率的影响不大，并对不同级别的渗透率岩心均表现较高的封堵能力（见表1）。

表1 调剖体系在不同渗透率下的封堵情况

不同渗透率级差的岩心在注入凝胶体系之后，进行后续水驱时出口端的相对流量变化较大，由此可以推断出凝胶在高渗透率岩心中形成有效滞留，注入水受压力影响改变液流方向，低渗层吸液量明显增加，储量动用程度提高。因此该凝胶体系对高、低渗层具有较好的选择性，对渗透率级差范围在5～20 的岩心均具有良好的调剖分流效果（见图4）。

图4 渗透率级差5.9、11.1、19.3 的分流率动态波及效果

2.2 成胶封堵机理分析

对聚合物与交联剂成胶前后的扫描电镜进行比较分析（见图5），相比于聚合物单剂溶液体系，交联现象明显，且随着温度升高，交联加密，在120 ℃成胶反应后，在电镜图像上可以清晰观察到三维网格结构。对成胶前后的聚合物和凝胶的红外光谱进行对比分析（见图6），红外谱图上的基团吸收情况也发生明显改变，交联作用的发生使1 550 cm-1处的C-N 吸收峰明显增强。

图6 AS 聚合物与凝胶的FT-IR 对比图

实验中所用凝胶体系组成为耐温耐盐主剂聚合物、交联剂A 和交联剂B、除氧剂、无机填充剂和水。聚合物主剂为自身结构上带有耐温耐盐基团的聚丙烯酰胺类聚合物，成胶前后高温下聚合物骨架相对完整，但在凝胶调剖实验中，凝胶成胶后处于动态剪切和冲刷过程中，凝胶体系保持稳定的关键不只有聚合物，成胶机理也至关重要。

本文中所用交联剂分为A 和B，属于组合交联剂，两种交联剂在高温下发生反应形成可交联物质，再与聚合物发生交联，因为交联剂产生的反应为分步进行的，所以高温下成胶反应相对单剂交联成胶速度慢，避免交联速度快，成胶不均匀，凝胶稳定性差的问题，可以实现凝胶溶液注入后的原位成胶。除交联剂外，凝胶体系中加入了可参与交联作用的除氧剂，在发挥除氧作用的同时，与交联剂B 发生反应产生具有交联性能的物质，辅助交联聚合物，加密交联网络。

交联剂和除氧剂的协同作用使交联反应可以分步、多级进行，但凝胶的聚合物主链是具有相对高相对分子质量的聚丙烯酰胺类物质，动态剪切和外力作用下仍易发生交联结构破坏，所以在凝胶配方中加入了一种无机分散性填充剂，该填充剂的加入可提高凝胶的整体强度，因为凝胶体系属于高温下原位成胶，无机填充剂颗粒尺度介于纳米至微米级，不影响其注入性能。

3 结论

实验表明该调剖体系对渗透率在420～6 210 mD范围内的岩心封堵率均达到99%以上，残余阻力系数和突破压力梯度数据说明封堵效果显著，且注入的体系在岩心中存留率高，因此，在120 ℃环境下该调剖体系进入多孔介质后能够均衡推进，可以建立有效封堵。

利用扫描电镜和红外光谱仪对凝胶体系进行表征，结合凝胶配方各组分的分子结构分析该凝胶的成胶机理主要有以下三方面：（1）耐温的聚合物主链结构；（2）分步、多级原位成胶机理；（3）无机填充增加凝胶的机械强度。