闫文华，闫炳旭，杨兆明，段效威

（1. 东北石油大学 提高采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2. 大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163318； 3. 辽河油田公司锦州采油厂，辽宁 盘锦 124010）

基于阳离子与聚合物絮凝反应的阳离子调堵剂的优选

闫文华1，闫炳旭1，杨兆明2，段效威3

（1. 东北石油大学 提高采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；2. 大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163318； 3. 辽河油田公司锦州采油厂，辽宁 盘锦 124010）

成功筛选阳离子选择性调堵剂对油田提高采收率、防止井窜、改善地层均质性均有非常重要的意义。针对辽河油田J16区块二元驱窜聚井低效循环、驱油效果不理想等复杂问题，利用阳离子调赌剂与聚合物能发生絮凝反映的原理，对调驱体系配方中与聚合物反应的阳离子种类及其用量进行了实验筛选。结果表明：所选用的7种阳离子调堵剂中，调堵剂1、2、4的聚沉效果较好；在聚合物浓度低于1 500 mg/L的条件下，阳离子调堵剂1、2、4作为优选出的阳离子堵剂较为理想；聚合物浓度分别为100、500、1 000、1 500 mg/L的条件下，阳离子堵剂的浓度为1 000、3000、5 000、10 000 mg/L较为理想。

阳离子堵剂；堵剂种类；堵剂用量；调驱封窜

聚合物驱油是中国开展最广泛的化学驱油技术之一，能够改善油田的开发效果，调节油藏中油水两相的流度比及降低水相渗透率，但对于非均质油藏，仍存在窜聚严重及低效循环等问题［1，2］，油田中为解决此类问题常采用调剖、堵水等方法，现有的调剖堵水工艺技术大多采用颗粒型堵剂进行封堵，虽然在一定程度上能够提高波及体积，但堵剂缺乏和地下聚合物的作用，不能有效的固定地下的聚合物；除此之外，颗粒型堵剂在现场应用中还存在注入困难和封堵半径小等问题，导致开发成本相对较高，施工工艺相对复杂以及不能满足聚合物的防窜需要［3-6］。这就要求开发出既能防窜又能改善地层非均质性、扩大聚合物驱的波及系数较为经济的新工艺、新技术来解决以上问题。由于辽河油田J16区块在实施二元驱的过程中，在注入井中注入的聚合物为聚丙烯酰胺，其为阴离子型聚合物，当令其与采油井中注入的阳离子型调赌剂相遇时，易相互吸引发生絮凝反映，可在在地层中形成有效封堵，此方法即可节约成本，有效提高地层注入压力，扩大有效波及体积，又能改善地层的窜流等问题。目前国内外学者对阳离子聚合物在水处理方面有广泛的研究［7-10］，但将其作为调赌剂却鲜有研究，因而有必要对这种方法进行系统的实验研究。本文根据聚合物与阳离子反应机理并结合辽河油田J16区块的实际情况，在室内对阳离子堵剂种类及用量进行了分析研究。

1 实验条件

1.1 实验仪器

搅拌器、搅拌器、恒温箱、粘度计BROOKFIELD DV-Ⅱ+PRO、UV-765型紫外-可见分光光度计。

1.2 实验药品

聚合物（分子量为2 500×104）、模拟地层水、七种不同的阳离子药剂。

1.3 实验温度

室内温度25 ℃，恒温箱温度55 ℃。

1.4 实验方法

配制不同浓度聚合物溶液并进行编号，在 55℃的条件下，测定各溶液的粘度，然后根据试验药剂的不同，配制相应浓度的阳离子聚沉絮凝调堵剂溶液，在所配制的聚合物溶液中加入阳离子调堵剂，在搅拌器低速搅拌15 min后，使其充分反应，停止搅拌，将混合溶液转移至 55 ℃恒温箱中静置 2 h以上，观察絮体沉降稳定的具体现象，并取其上层清液，测定其粘度及测量其吸光值计算浓度。

2 实验方案

使用烧杯试验法，固定聚合物浓度100、500、1 000、1 500 mg/L与不同阳离子堵剂进行絮凝反应实验，优选出合适堵剂及其用量。

3 实验结果及分析

3.1 阳离子调堵剂种类的优选

通过实验，将不同聚合物浓度条件下粘度降低率（即粘度降低值与初始粘度的比值）、浓度降低率（即浓度降低值与初始浓度的之比）达到合理范围内的阳离子调堵剂相应浓度绘制成图（见图1），从图中可以看出不同种类的阳离子调堵剂降低聚合物粘度、浓度的能力不同。相同聚合物浓度条件下，达到相同效果时阳离子调堵剂用量的差异很大。其中调堵剂7用量要明显多于其它几种，而调堵剂1、2、4在不同聚合物浓度条件下用量基本一致，且比其它的阳离子调堵剂的用量少。

根据实验结果可知，聚合物浓度为 100 mg/L时，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4仅需要2 000 mg/L就可以使聚合物浓度、粘度分别下降到90%和60%，而调堵剂6、调堵剂3则需要3 000 mg/L，调堵剂5和调堵剂7则需要6 000 mg/L才能达到相同效果。

图1 各阳离子调堵剂粘度、浓度降低柱状图Fig.1 The viscosity and concentration reducing of kinds of cationic plugging agents' histogram

聚合物浓度为500 mg/L时，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4仅需要3 000 mg/L就可以使聚合物浓度、粘度同时下降到90%，而调堵剂6须使用12 000 mg/L、调堵剂3则需要10 000 mg/L，调堵剂5和调堵剂7则需要12 000 mg/L才能达到相同效果。

聚合物浓度为1 000 mg/L时，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4仅需要5 000 mg/L就可以使聚合物浓度、粘度分别下降到85%和90%，而调堵剂6、调堵剂3则需要15 000 mg/L，调堵剂5则需要20 000 mg/L才能达到相同效果，而调堵剂7在浓度20 000 mg/L时，仍不能使聚合物溶液浓度、粘度下降率超过80%。

聚合物浓度为1500 mg/L时，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4仅需要10 000 mg/L就可以使聚合物浓度、粘度均超过90%，而调堵剂6、调堵剂3则需要20 000 mg/L，调堵剂5则需要25 000 mg/L、调堵剂7在浓度30000mg/L时，才能使聚合物溶液浓度、粘度下降率达到80%。

由以上分析可知，在相同条件下要达到同样的效果，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4的用量消耗最少，而调堵剂6、调堵剂3次之，调堵剂5、调堵剂7的用量消耗较多。综合考虑现场阳离子调堵剂消耗及经济效益兼顾聚合物浓度降低效果间的关系，建议选用调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4三种阳离子作为阳离子调堵剂。

3.2 阳离子调堵剂用量的优选

由于不同阳离子调堵剂絮凝效果不同，而同一种阳离子调堵剂在聚合物浓度不同条件下用量也不同，因此需要对优选出的阳离子调堵剂进行相应用量的优选。图2-5为不同聚合物条件下，优选的阳离子调堵剂用量与聚合物浓度、粘度降低率之间的关系曲线。

图2 药剂浓度与聚合物浓度、粘度降低率关系曲线（聚合物浓度100 mg·L-1）Fig.2 The drug concentration with the polymer concentration reducing and polymer viscosity reducing ralation curve（polymer concentration is 100 mg·L-1）

图2为聚合物浓度100 mg/L条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4不同用量时对应的聚合物浓度降低率、粘度降低率的关系曲线。结果显示，随着阳离子调堵剂用量的增加，浓度降低率和粘度降低率均呈上升趋势。从图中可以看出，此条件下三种调赌剂的粘度降低率最终都在60%左右，这是因为100 mg/L的聚合物溶液基础粘度仅为3.1 mPa·s，同温度下水的粘度是1.1 mPa·s，加入调堵剂后聚合物粘度最低会下降到与水的粘度相当而不会再下降，因而粘度降低率最终都在60%左右。当阳离子调堵剂用量超过1 000 mg/L后，聚合物浓度、粘度降低率增加幅度变小，从图中曲线可以看出，调堵剂1、调堵剂2的浓度、粘度降低率曲线变化趋势较为接近，曲线变化也相对平缓，而调堵剂4的粘度降低率曲线变化幅度相对较大。

因此考虑到用量的消耗程度及经济性，建议在聚合物浓度为100 mg/L的条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4的用量应选用1000 mg/L。

图3 药剂浓度与聚合物浓度、粘度降低率关系曲线（聚合物浓度500 mg·L-1）Fig.3 The drug concentration with the polymer concentration reducing and polymer viscosity reducing ralation curve（polymer concentration is 500 mg·L-1）

图3为聚合物浓度500 mg/L条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4不同用量时对应的聚合物浓度降低率、粘度降低率的关系曲线。结果显示随着阳离子调堵剂用量的增加，浓度降低率和粘度降低率均呈上升趋势，且对于同一种阳离子调堵剂粘度降低率要高于浓度降低率，但最终都能达到90%。在较低的阳离子调堵剂用量条件下，调堵剂 1、调堵剂2的浓度、粘度降低率要高于调堵剂4，但当用量增加后这种趋势变弱，最终都能使聚合物浓度降低到90%。同时从图中曲线可以看出，调堵剂用量低于2 000 mg/L时浓度降低幅度要相对平缓，当用量高于2 000 mg/L后变化幅度相对较大，即当用量低于2 000 mg/L时仍有大量的聚合物未参与反应，其反应不充分。

因此为使絮凝反应更为充分，建议在聚合物浓度为500 mg/L的条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4的用量应选择3 000 mg/L。

图4为聚合物浓度1 000 mg/L条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4不同用量时对应的聚合物浓度降低率、粘度降低率的关系曲线。

图4 药剂浓度与聚合物浓度、粘度降低率关系曲线（聚合物浓度1 000 mg·L-1）Fig.4 The drug concentration with the polymer concentration reducing and polymer viscosity reducing ralation curve（polymer concentration is 1 000 mg·L-1）

结果显示，随着阳离子调堵剂用量的增加，浓度降低率和粘度降低率均呈上升趋势，且对于同一种阳离子调堵剂粘度降低率要高于浓度降低率，浓度降低率可以达到 85%左右、粘度降低率可以达到 95%左右。随着阳离子调堵剂用量的进一步增加由于大部分的聚合物都已参与反应，当用量超过3 000 mg/L后，聚合物浓度粘度降低率增加幅度变小。从图中曲线可以看出，调堵剂1、调堵剂2的曲线变化趋势更为相近，曲线变化也相对平缓，而调堵剂 4与这二者曲线变化规律相差较大。

此时兼顾考虑到调堵剂的消耗量及反应的充分性，建议在聚合物浓度为1 000 mg/L的条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4的用量应选择5 000 mg/L。用量应选择10 000 mg/L。

图5 药剂浓度与聚合物浓度、粘度降低率关系曲线（聚合物浓度1 500 mg·L-1）Fig.5 The drug concentration with the polymer concentration reducing and polymer viscosity reducing ralation curve（polymer concentration is 1 500 mg·L-1）

4 结 论

图5为聚合物浓度1 500 mg/L条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4不同用量时对应的聚合物浓度降低率、粘度降低率的关系曲线。结果显示，随着阳离子调堵剂用量的增加，浓度降低率和粘度降低率均呈上升趋势，且对于同一种阳离子调堵剂粘度降低率要高于浓度降低率，浓度降低率最大可以达到90%，粘度降低率最大可以超过95%。由于阳离子调堵剂的溶解性的限制，当用量浓度超过7 000 mg/L后，聚合物浓度粘度降低率增加幅度变小。从图中曲线可以看出，这三种阳离子调堵剂浓度、粘度降低率的曲线变化规律体现出更为相似的趋势，在聚合物浓度超过1 500 mg/L的条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4三种药剂对聚合物浓度、粘度降低率影响的差异性较弱，此时对聚合物浓度、粘度降低率产生影响更多的为阳离子调堵剂的浓度。

由于此时聚合物基础浓度较大，为使聚合物更多的参与絮凝反应，建议在聚合物浓度为 1 500 mg/L的条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4的

（1）所选阳离子调堵剂均可以与聚合物溶液发生絮凝反应，能够有效降低聚合物溶液粘度和浓度，并且随着阳离子药剂浓度的增加，降低的越多，但达到一定值后降低幅度减小；

（2）在聚合物浓度低于1 500 mg/L的条件下，调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4可以在浓度不超过10 000 mg/L的条件下，降低聚合物浓度、粘度超过90%；因此建议将调堵剂1、调堵剂2、调堵剂4做为优选的阳离子调堵剂；

（3）聚合物浓度为100 mg/L的条件下，阳离子调堵剂的最佳浓度为1 000 mg/L；聚合物浓度为500 mg/L的条件下，阳离子调堵剂的最佳浓度为

3 000 mg/L左右；聚合物浓度为1 000 mg/L的条件下，阳离子调堵剂的最佳浓度为5 000 mg/L左右；聚合物浓度为1 500 mg/L的条件下，阳离子调堵剂的最佳浓度为10 000 mg/L左右。

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Optimization of Cationic Plugging Agent According to the Flocculation Reaction Mechanism of Cationic and Polymer

YEN Wen-hua1，YAN Bing-xu1，YANG Zhao-ming2，DUAN Xiao-wei3

（1. Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery of the Ministry of Education ，Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China； 2. Daqing Oilfield Company， Heilongjiang Daqing 163318， China；3. Liaohe Oilfield Company Jinzhou Oil Production Plant， Liaoning Panjin 124010， China）

It has important significance to select correct cationic adjustable plugging agents for improving oil recovery，preventing well channeling， improving the formation heterogeneity. The wells of binary flooding of J16 block in Liaohe oilfield exist some complex problems， such as low effective circulation and poor oil displacement effect. Using the principle that cationic adjustable plugging agents can work with the polymer，experiments were carried out to select the types and the use levels of cationic adjustable plugging agents which can work with polymer in the drive system. The results show that among the chosen seven kinds of cationic plugging agents， the first ，second and forth plugging agents' coagulation effect are better； under the condition of polymer's concentration less than 1 500 mg/L，the first， second and forth plugging agents are relatively ideal； when polymer's concentration are 100， 500， 1 000， 1 500 mg/L， the better concentration of the cationic plugging agents are 1 000， 3 000， 5 000， 10 000 mg/L.

Cationic adjustable plugging agent； Plugging agent's species； Plugging agent's using level； Fooding control plugging channeling

TE 357

A

1671-0460（2015）12-2755-04

中国石油科技创新基金研究项目“特高含水期二元驱多段塞等流度驱油方法研究”，项目号：（2013D-5006-0203）。

2015-7-23

闫文华（1967），女，辽宁省昌图县人，博士，东北石油大学教授，2009年毕业于东北石油大学油气田开发工程专业，获工学博士学位，研究方向：从事油田开发及提高采收率技术工作。E-mail：dqyanwh@163.com。