热采用碱木素高温堵剂研究

2012-11-08刘高文中国石油大学华东石油工程学院山东青岛266555

长江大学学报(自科版) 2012年1期

刘高文 (中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266555)

热采用碱木素高温堵剂研究

刘高文 (中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛 266555)

碱木素冻胶是一种具有热稳定且易于进入地层深部的高温堵剂，可以调整注汽剖面，控制蒸汽窜流，改善蒸汽开发效率。采用单因素法以冻胶强度和成胶时间为指标分别对交联剂酚醛树脂含量、碱木素含量和体系pH值进行优化，并以冻胶强度为指标，通过正交表优化了碱木素-酚醛树脂体系配方，得到了碱木素-酚醛树脂体系的最优化配方：ω(碱木素)=0.10，ω(酚醛树脂)=0.035，pH值为9.75。性能评价结果表明，该配方成胶时间为1.5h，成胶强度为0.092MPa，热稳定性强，是一种良好的热采用高温堵剂。

碱木素;冻胶强度；成胶时间；正交表；热稳定性；抗盐性能

随着石油的不断开采，世界上石油储量尤其是优质、易采石油储量不断减少，在已探明的石油资源中，稠油所占比例越来越大[1]。热采被认为是最有效的稠油开采方法。但由于油藏层间的非均质性、渗透率的变化、原油性质的差异、不利的流度比、重力分离、井距和油藏倾斜等因素，引起蒸汽窜流，降低了蒸汽利用率，导致吸汽剖面不均匀，降低了稠油开采效果[2]。这是蒸汽吞吐及蒸汽驱开采中最棘手的技术难题，也是关系到蒸汽驱开采能否成功的首要问题[3]。因此研制高效的、耐温的堵剂是极具潜力的提高蒸汽驱效果的方法。碱木素冻胶能通过调整吸汽剖面、低界面张力和降粘作用来提高热采采收率，而影响碱木素冻胶性能的因素主要有：碱木素含量、交联剂酚醛树脂的含量、体系pH和矿化度[4]。下面，笔者主要通过单因素法与正交表[5]相结合来优化碱木素配方，并对其性能进行评价。

1 试验部分

1.1试验药品与仪器

1)试验药品碱木素(工业品，武汉华东化工有限公司)；酚醛树脂(自制)盐酸、氢氧化钠、氯化钠和氯化钙(均为AR，国药集团化学试剂有限公司)等。

2)仪器电子天平(感量分别为0.01、0.0001g)、pHs-25酸度计、NDJ-7旋转粘度计、高温罐、电热恒温鼓风干燥箱、冻胶强度测定仪等。

1.2试验方法

1)成胶时间的确定采用观察法评价凝胶的成胶时间，其具体测试方法如下：①样品准备。将20g胶凝液样品用滴管注入到安瓿瓶中，然后用酒精喷灯封口。每种配方配3个样品同时测试。②监测凝胶老化。将密封好的安瓿瓶放入高温罐内，然后置于烘箱中，将其调至设定温度。定期将安瓿瓶从烘箱内取出，观察其是否丧失流动性。判定冻胶成胶的标准是将安瓿瓶水平放置，观察冻胶的前沿面与瓶壁所成角度是否大于45°，若大于45°则认为其成胶[6]。

2)冻胶强度的确定采用突破真空度法来表征冻胶的强度，即把玻璃管的一端插入冻胶中部，另一端用真空泵抽吸，用空气突破冻胶时压力表上的读数来表征冻胶的强度[7]。

3)粘度的测定用NDJ-7旋转粘度计测定成胶液的表观粘度。

2 结果与讨论

2.1影响碱木素-酚醛树脂体系成胶的因素

1)碱木素质量分数对体系成胶性能的影响在200℃，ω(酚醛树脂)=0.02，pH=9.50条件下，研究了碱木素质量分数对碱木素-酚醛树脂体系成胶性能的影响，试验结果见图1。由图1可以看出，①碱木素质量分数越低，成胶时间越长。当碱木素的质量分数低于0.01时，生成冻胶上部有大量的清液，不能整体成胶。因此，碱木素-酚醛树脂体系中碱木素的质量分数不能低于0.01；②随着碱木素质量分数的增大，成胶后胶体的强度则呈现先增大后减小的趋势，当碱木素质量分数大于0.10后，其强度值有所下降。原因是当碱木素的质量分数超过0.10后，酚醛树脂质量分数不变，导致反应产物以线型高分子为主，冻胶的整体强度下降；③随着碱木素质量分数的增加，碱木素-酚醛树脂体系成胶时间逐渐缩短，符合反应速率与浓度的基本关系，考虑到现场施工时堵剂注入时间及成本的要求，选择碱木素的质量分数范围为0.09～0.11[8]。

2)酚醛树脂质量分数对体系成胶性能的影响在200℃，ω(碱木素)=0.10，pH=9.50条件下，研究了酚醛树脂质量分数对碱木素-酚醛树脂体系成胶性能的影响，试验结果见图2。由图2可以看出，随着酚醛树脂质量分数的增加，其成胶时间是逐渐减小的，冻胶强度是逐渐增大的。原因是酚醛树脂浓度的增加有利于碱木素-酚醛树脂体系中体型高分子的形成，提高了聚合反应速率，符合反应速率与浓度的基本关系。综合考虑酚醛树脂含量对成胶时间、冻胶强度及成本的影响，可选择酚醛树脂的质量分数在0.025～0.035之间[9]。

图1 碱木素质量分数对成胶时间和冻胶强度的影响

图2 酚醛树脂质量分数变化对成胶时间和冻胶强度的影响

图3 pH值对成胶时间和冻胶强度的影响

3)pH值对体系成胶性能的影响在200℃，ω(酚醛树脂)=0.030，ω(碱木素)=0.10条件下，研究了pH值对碱木素-酚醛树脂体系成胶性能的影响，试验结果见图3。由图3可以看出：①当pHlt;8.50时，由于酚醛树脂不溶于水，体系不成胶；②随着pH值的增加，成胶时间逐渐增加，冻胶强度先增大后减小，出现极大值。这是因为酚醛聚合反应中，酸性条件有利于线型聚合，碱性条件有利于体型聚合，碱性条件下，pH值的增大有利于体型聚合，所以冻胶强度逐渐增大[10]，但当pHgt;9.75时，碱木素的活性基团与碱发生了化学反应，从而冻胶强度降低。碱性条件下，体型聚合速率快，因此，局部生成体型结构的速度也快，但是整体形成空间网络结构速度相对较慢，因此碱性条件下，体系需要的成胶时间逐渐增加。③综合考虑成胶时间和冻胶强度2方面因素，可选择该体系成胶的pH值范围在9.50～10.00之间。

2.2碱木素-酚醛树脂体系配方的优化

在单因素研究的基础上，以冻胶强度为指标，通过L9(34)正交表(见表1)优化了碱木素-酚醛树脂体系配方。测得9种配方的冻胶强度并进行分析，结果见表2。由表2可以看出，碱木素-酚醛树脂体系的最优化配方为：ω(碱木素)=0.10，ω(酚醛树脂)=0.035，最佳适用pH值为9.75，因子主次的先后顺序为体系pH、酚醛树脂含量、碱木素含量、矿化度，pH对碱木素-酚醛树脂体系的影响最大，矿化度对体系的影响最小，可初步判断碱木素冻胶耐盐性能较好。

表1 碱木素高温堵剂正交试验的因素与水平

2.3最优配方性能评价

表2 以冻胶强度为主要考察指标的正交试验

1)优化配方成胶前的粘度按优化配方配置碱木素-酚醛树脂体系，用NDJ-7型旋转粘度计测得在25℃下的粘度为3.3mPa·s，该体系为分子分散的溶液体系，方便注入地层。

2)优化配方的成胶时间和冻胶强度按优化配方配置碱木素-酚醛树脂体系，测得该体系在200℃条件下的成胶时间为1.5h，冻胶强度(突破真空度)为0.092MPa，2个指标均可满足蒸汽调驱的要求。

3)抗盐性能研究了氯化钠和氯化钙含量对碱木素-酚醛树脂体系成胶性能的影响[11],盐含量的增加可缩短胶凝时间，降低冻胶强度；当矿化度低于一定值时，盐含量对该体系的影响较低，说明该堵剂抗盐性能好；体系可应用于NaCl 浓度低于5×104mg/L、CaCl2浓度低于7.5×103mg/L的地层。

4)优化配方的热稳定性 200℃条件下考察了碱木素-酚醛树脂体系的热稳定性，结果表明，碱木素-酚醛树脂体系在200℃的高温环境下，一个月内未发生破胶现象，而且其强度损失为9.78%(低于10%)，表明该体系具有良好的热稳定性。

3 结论

①正交试验优化了碱木素高温堵剂配方，最优化配方为：ω(碱木素)=0.10，ω(酚醛树脂)=0.035，pH值为9.75。②碱木素高温堵剂最优配方的基液的初始粘度为3.3mPa·s，方便注入地层。③该配方成胶时间为1.5h，冻胶强度为0.092MPa，成胶时间短，冻胶强度大。④该堵剂在200℃的高温环境中，一个月内未发生破胶现象，热稳定性好。⑤该堵剂在NaCl含量为5×104mg/L、CaCl2含量为7.5×103mg/L时仍可形成强度较高的冻胶，其耐盐性能好。

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[编辑] 洪云飞