高温油藏聚合物凝胶体系研制与胶凝机理研究

发布时间：2020-07-17 23:01

【摘要】：地下交联聚合物凝胶作为我国油田增产的主导技术之一,通过对注入井调剖或生产井堵水可起到控水增油的作用。但是,随着我国油气资源的不断勘探与开发,油田面临着油气产量逐年递减的难题,许多油田将勘探开发目标由常规储层逐渐向埋深更深的高温储层。中石油冀东油田PB2区块和塔河油田四区等储层,其油藏中部温度接近140~160℃,且由于储层非均质性严重,油田在注水开发不久后便开始出现大量产水问题,亟需对耐高温150℃高温聚合物凝胶体系进行研发。本文采用耐高温安瓿瓶对聚合物凝胶体系的成胶时间、胶凝强度以及长期稳定性进行评价,并采用流变仪、差示量热扫描/热重仪和扫描电镜等对凝胶体系的成胶强度、热稳定性和微观网状结构进行测定。通过对不同类型聚合物进行筛选,由丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(ATBS)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)聚合而成的三元共聚物ZP-4具有良好的耐温性能,并能与六亚甲基四胺和间苯二酚交联体系制备出耐高温150℃地下交联三元共聚物/酚醛交联凝胶体系。该体系的组成为:0.6%~1.0%ZP-4、0.3%~0.4%六亚甲基四胺、0.3%~0.4%间苯二酚和0.05%热稳定剂,该高温聚合物凝胶体系能具有长期稳定性,并且高温老化5个月后其脱水率仍低于5%。通过调整凝胶体系组成,其成胶时间可以控制在4~14小时,胶凝强度可在D~H范围内调节。明确了高温条件下不同酚类和醛类与三元共聚物的胶凝机理。与甲醛相比,六亚甲基四胺能够延缓高温下甲醛的释放速度,避免因快速交联而引起的凝胶结构与强度不稳定情况;三聚甲醛的热分解甲醛速度非常缓慢,在高温条件下与聚合物未能及时交联而无法形成凝胶。与苯酚相比,邻苯二酚、间苯二酚和对苯二酚的交联点相应增加,能够在高温150℃下形成强度更高的凝胶体系,且间苯二酚具有最多的活性交联点,因此形成的高温聚合物凝胶体系具有最佳的储能模量和长期稳定性。聚乙烯亚胺具有较低的生物毒性,是一种食品接触级环境友好交联剂。考察了高温150℃条件下不同聚乙烯亚胺分子量对三元共聚物/聚乙烯亚胺凝胶体系成胶性能的影响。当聚乙烯亚胺的分子量高于10000道尔顿时,能够与三元共聚物ZP-4在高温150℃条件下形成低生物毒性的地下交联三元共聚物/聚乙烯亚胺凝胶体系。该体系的组成为:0.6%~1.2%ZP-4、0.3%~1.5%PEI、0.1%~0.5%碳酸钠和0.05%抗氧化剂,初始成胶时间为2小时至7天、胶凝强度可控在D~H级,但该体系的长期稳定性弱于三元共聚物/酚醛交联凝胶体系。考察了高温150℃条件下影响三元共聚物/酚醛交联凝胶体系成胶动力学的影响因素。聚合物浓度的增加会增强聚合物凝胶体系的胶凝强度,但也会相应缩短聚合物凝胶体系的成胶时间。交联剂浓度的增加也会增加聚合物凝胶体系的胶凝强度,但浓度过高(超过0.6%)时,聚合物凝胶体系会由于过度交联而长期稳定性变差。胶凝溶液中二价离子浓度对凝胶体系成胶动力学的影响显著。Mg~(2+)会压缩聚合物分子的扩散双电层,缩短成胶时间;当Ca~(2+)浓度低于0.001mol/L时,会与部分羧基络合而延长成胶时间,而超过该浓度后其成胶时间会缩短。采用不同非均质物理模型对优选的三元共聚物/酚醛交联凝胶体系的封堵性能和控水增油效果进行了评价。该体系在高温条件下能够有效封堵开度为0.15~0.30 mm的裂缝和层间非均质物理模型中的高渗层。该高温聚合物凝胶体系在层间非均质油藏中也表现出良好的控水增油效果。封堵高渗层后模型的整体含水率从98.0%下降至33.3%~38.0%,后续驱替液转向至未被波及的低渗透层中,原油采收率增幅为12.27%~20.72%。上述研究成果提升了对高温条件下地下交联聚合物凝胶体系研制的认识,阐明了聚合物主剂和不同类型有机交联体系对高温聚合物凝胶体系成胶性能和长期稳定性的影响机理,对深化提升高温聚合物凝胶理论知识、完善化学控水增油机理、指导高温凝胶体系的优化设计具有一定的参考意义。
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE39;TE357
【图文】：

聚合物凝胶,泡沫凝胶,提高采收率方法,凝胶技术

图 1.1 聚合物凝胶体系的分类Fig. 1.1 Classifications of polymer gel systems最后一类聚合物凝胶体系为泡沫凝胶，它是泡沫提高采收率方法和凝胶技术的进一步延伸。在该体系中，胶凝溶液或冻胶体系可以在较为恶劣的条件下稳定泡沫体系的气泡薄层[6, 7]。相比于常规地下交联聚合物凝胶体系，泡沫凝胶由于其较低的密度可以在更宽渗透率范围的基质或流动通道中流动。泡沫凝胶的这种选择性驱替特性可以有效地减轻由于气体超覆作用产生的不利影响。另外，与地下交联聚合物凝胶体系相比，泡沫凝胶能够降低单位体积油藏调剖堵水剂的成本。1.2.2 高温油藏地下交联聚合物凝胶体系（1）聚丙烯酰胺类如前所述，聚合物与交联剂之间的交联反应主要包括两种类型：无机（金属离子）交联反应和有机交联反应。无机交联剂可通过形成离子键或配位键与聚合物产生交联。其中，二价离子可以与聚合物的羧基基团反应形成离子键，如图 1.2 所示。

示意图,论文,技术路线,示意图

论文技术路线示意图

聚合物凝胶,安瓿瓶,成胶性能,抽真空装置

第2 章聚合物类型对高温下成胶性能的影响及相关机理研究30 mL）缓慢移入特殊定制的安瓿瓶中，如图 2.1（b）所示。将装有胶凝溶液的安瓿瓶连接在抽真空装置上，抽真空 2 小时后使用止水夹取出安瓿瓶，如图 2.1（c）所示。将安瓿瓶的颈部置于酒精喷灯火焰上进行封口，如图 2.1（d）所示。

【参考文献】