刘祥,王永鹤,王家祥 (西安石油大学化学化工学院,陕西 西安 710065)

新型地层内聚合堵水剂的室内研究

刘祥,王永鹤,王家祥 (西安石油大学化学化工学院,陕西 西安 710065)

在油田开采过程中,为了封堵高渗透、大孔道、裂缝性地层,提高水驱油采收率,最常用的方法就是采用化学堵水。研究了由丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、交联剂、过硫酸铵、聚丙烯酰胺等组成的地下共聚交联成胶堵水体系。讨论了影响聚合反应的因素,对合成聚合物凝胶性能进行了评价。聚合体系凝胶强度较大,且有一定的吸水膨胀性和良好的抗盐性,封堵效果好,显示出较好的堵水效果。

堵水剂;聚合凝胶;丙烯酰胺;化学堵水

在油气田开发过程中,油气井出水是普遍存在的问题。而我国大部分油田都进入了水驱中后期阶段,出现了很多高渗透、大孔道裂缝,水驱效果变差,油井含水急剧上升。因此,封堵这类高渗透、大孔道、裂缝性地层变得尤为重要。而由丙烯酰胺与甲叉基双丙烯酰胺在引发剂作用下借助地层内的温度、压力条件,在地层内交联聚合,形成具有高强度、高黏弹性的体膨性凝胶,被很好地应用于油田堵水[1]。然而,该堵水剂初始黏度接近于水,在到达封堵目的部位之前极易被地层水所稀释,同时地层水中某些氧化还原物质可导致聚合引发失败,对于高渗透、大孔道、裂缝性地层封堵效果较差[2～5]。

笔者以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)为反应单体,以过硫酸铵 (APS)为引发剂,研究了该混合体系在聚丙烯酰胺溶液中的聚合交联反应。其目的是研制出一种不易被地层水稀释,具有一定抗盐性、吸水膨胀性和黏弹性的地层内聚合堵水剂。

1 试验部分

1.1 药品和仪器

1)主要药品 聚丙烯酰胺甲基丙磺酸(HPAM)(相对分子质量1200×104,水解度26%);丙烯酰胺(AM),交联剂(JL),2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS),丙烯酸(AA),为工业品;氢氧化钠(NaOH)、过硫酸铵(APS),为分析纯试剂。

2)主要仪器 凝胶强度测定仪 (泉州万达试验仪器设备厂);乌氏黏度计;岩心流动评价试验装置(海安石油科研仪器有限公司)。

1.2 堵水体系配制及聚合方法

先用清水配制一定质量浓度的聚丙烯酰胺溶液,再依次加入AA、AMPS、AM、JL,用NaOH稀溶液将p H值调到7,得到堵水体系溶液。然后在溶液中加入APS引发剂,搅拌均匀后,倒入密封袋中,置于恒温水浴中使之聚合。记录放入时间,定期观察其流动状态,直到体系溶液不流动时即为成胶时间。

1.3 模拟堵水试验方法

试验采用的岩心流动试验评价装置如图1所示。通过填砂管(长18cm、直径2.5cm)封堵试验,以突破压力梯度大小衡量封堵效果。试验步骤如下:先将填砂管填满石英砂并用地层水饱和,测孔隙体积、水相渗透率;然后向填砂管中注入堵水剂溶液,密封后将填砂管在65℃候凝10h;最后用水驱替,测其封堵后的渗透率和突破压力。计算堵水剂封堵率和突破压力梯度。

2 试验结果与讨论

2.1 外界条件对堵水体系聚合反应的影响

试验基本配方为6%AM+1%AMPS+3%AA+0.15% JL+0.15%APS+0.1%HPAM(配方中的百分数为质量分数)。分别研究聚合温度、体系p H值、HPAM质量分数、无机盐质量浓度、阻聚剂质量对体系和性能的影响。

图1 堵水试验评价装置示意图

2.1.1 温度对聚合反应的影响

在p H值为7的条件下,考察了温度对聚合反应的影响,试验结果见表1。从表1可以看出,聚合体系在温度较低时不反应,在50℃以上随着反应温度的升高聚合成胶时间变短,凝胶强度降低。这是由于在温度较低时,引发剂分解产生的自由基质量浓度很低,易被体系中的杂质所消耗,不能引发单体聚合。随着温度的升高引发剂的分解速度加快,产生的自由基质量浓度升高,引发单体聚合,且随着温度的升高聚合速率显著加快,但温度的升高不利于活性自由基大分子链的增长,所以凝胶强度降低。

表1 温度对聚合反应的影响

2.1.2 体系p H值对聚合反应的影响

在聚合反应温度为65℃条件下,改变体系的p H值,考查不同的p H值对聚合反应的影响,结果见表2。从表2可以看出,体系的p H值在5～9范围内均可以聚合成胶,凝胶强度呈现出先增大后减小的变化趋势。当p H值为7时,形成的凝胶强度最大。这可能是由于在偏酸性条件下,有利于引发剂分解产生自由基,反应速率过快,使聚合分子量较小。在偏碱性条件下,产生的自由基质量浓度较低,链增长自由基被捕获的几率高,聚合分子量也较小。所以体系为中性条件下聚合形成的凝胶强度最大。

表2 p H值对聚合反应的影响

2.1.3 HPAM质量分数对聚合体系的影响

由于体系初始黏度接近于水,在到达封堵目的部位之前极易被地层水所稀释。为了避免单体溶液被稀释,加入HPAM作为增稠剂,来保护体系不被轻易稀释。聚合试验的p H值为7,温度为65℃条件下,考查HPAM质量分数对聚合反应的影响,结果见表3。从表3可以看出,HPAM加入到单体溶液体系后,单体溶液体系的黏度增加,成胶强度降低。若既要提高预聚液的初始黏度,又要保证聚合凝胶的强度,HPAM质量分数为0.1%～0.2%较为合适。

表3 HPAM质量分数对聚合体系的影响

2.1.4 无机盐质量浓度对凝胶性能的影响

在聚合试验的p H值为7、温度为65℃条件下,考查氯化钠(NaCl)和氯化钙(CaCl2)的质量浓度对凝胶性能的影响,试验结果见表4。

由表4可以看出,NaCl和CaCl2的加入不影响体系的聚合,但随着NaCl、CaCl2质量浓度的增大凝胶强度变小,Ca2+对形成凝胶强度影响较Na+大。

表4 无机盐质量浓度对凝胶性能的影响

2.1.5 阻聚剂质量对成胶时间和凝胶强度的影响

从表1试验结果可知,体系的聚合反应时间过短,难以满足实际堵水施工要求。为了延长聚合反应时间,满足施工可泵要求,需要在体系中加入阻聚剂[6]。聚合试验在p H值为7,温度为65℃的条件下,考查了阻聚剂质量对聚合成胶时间和凝胶强度的影响,结果如图2所示。由图2可以看出,随着阻聚剂质量增加,聚合成胶时间延长。当阻聚剂质量在0.01～0.05g范围内变化时,聚合成胶时间变化范围在50～260min;而阻聚剂质量对形成的凝胶强度影响较小。因此可以通过调整阻聚剂的质量,控制成胶时间。

图2 阻聚剂对成胶时间和凝胶强度的影响

2.2 堵水性能测试

2.2.1 凝胶状态

按照基本配方聚合,在反应温度为65℃、p H值为7条件下,体系聚合成胶后的状态如图3所示。

由图3可以看出,堵水剂体系形成的凝胶有较高的强度和黏弹性。这是由于 AM、AMPS和AA的自由基共聚和交联反应同时进行,形成了互穿网状结构,这种结构可以把水包含在网络结构中,形成具有高黏弹性的凝胶体。

图3 聚合成胶后照片

2.2.2 凝胶吸水膨胀性能

将制备的凝胶体置于不同组成水溶液中,测试了凝胶的吸水膨胀性能,试验结果见表5。

表5 凝胶吸水膨胀性能

由表5可知,在不同质量分数的水溶液中凝胶的吸水膨胀倍数不同。随着盐水质量分数的增大吸水膨胀倍数减少,二价离子对吸水倍率的影响大于一价离子。该堵水剂凝胶吸水膨胀后的弹性和韧性较好,不容易挤碎,长久放置不脱水。

2.2.3 堵水试验结果

按确定的配方配制了堵水剂溶液,注入填砂管,使其聚合交联成胶后,测试了堵水剂的堵水性能,试验结果见表6。从表6可以看出,堵水剂的封堵率达99.9%以上,突破压力梯度达18MPa/m以上。

表6 模拟堵水试验数据表

3 结论

1)试验确定的堵水剂基本配方为:6%AM+1%AMPS+3%AA+0.15%JL+0.15%APS+0.1% HPAM(配方中的百分数为质量分数)。研究得出,该堵水剂体系在温度高于50℃聚合;当p H值为7时,形成的凝胶强度较大;NaCl和CaCl2的加入不影响体系的聚合;聚合成胶时间可通过调整阻聚剂质量来控制。

2)加入HPAM的质量分数既可以较好地提高单体溶液的黏度,又可以保证聚合成胶后的凝胶强度。

3)形成的凝胶体耐盐性较好,有一定的吸水膨胀性,弹性和韧性较好,显示出较好的堵水效果。

[1]李宇乡.TP-910调剖技术研究[J].石油钻采工艺,1988,34(7):34～36.

[2]唐孝芬,李宇乡,蔡志军.TP系列聚丙烯酰胺凝胶堵底水技术[J].油田化学,1996,13(3):219～223.

[3]唐孝芬,蔡志军,张继勇,等.地层内聚合丙烯酸胺凝胶堵水封窜技术[J].石油勘探与开发,1997,24(3):89～91.

[4]张代森.丙烯酰胺地层聚合交联冻胶堵调剂研究及应用[J].油田化学,2002,19(4):337～339.

[5]王正良,肖传敏,佘跃惠.高强度吸水膨胀型堵水剂JBD的研制[J].江汉石油学院学报,2003,25(1):83～88.

[6]马广彦.增稠的地层内聚合堵水剂室内研究[J].油田化学,1992,9(2):274～277.

[编辑]帅群

TE358.3

A

1000-9752(2014)02-0153-04

2013-10-28

陕西省自然科学基金项目(2013JQ2015)。

刘祥(1963-),男,1986年大学毕业,博士,教授,现从事高分子化学与物理、油田化学品的教学与研究工作。