聚合物凝胶在油田的应用现状及发展前景

王斌杰 张云宝 王威

摘      要：聚合物凝胶是一种高效调剖化学剂，具有良好的调剖调驱效果。应用聚合物凝胶能够有效地封堵高渗层甚至高渗透条带或大孔道，提高中低渗透层的动用程度。但矿场试验也表明，聚合物凝胶在注入地下储层的过程中，聚合物凝胶易堵塞井筒，且常会出现吸液剖面反转及污染中低渗透层等现象，从而使得提高采收率效果有限。在实际矿场试验中，聚合物凝胶的成胶效果还受到储层物性、聚合物及交联剂浓度、化学剂类型等因素影响，且针对实际需要一些聚合物凝胶还需要解堵。因此，基于聚合物凝胶在矿场上的实际调剖效果，归纳了聚合物凝胶的类型及作用，分析了聚合物凝胶在非均质储层中调剖调驱机理，针对聚合物凝胶在矿场中的应用现状，指出聚合物凝胶在油田应用的发展前景，为油田开发提供参考性意见。

关  键  词：聚合物凝胶;调剖调驱;非均质储层;应用现状;提高采收率

中图分类号：TE39       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）10-2286-04

Abstract： Polymer gel is an efficient chemical profile control agent with good profile control and oil displacement effect. The application of polymer gel can effectively block high permeability layers or even high permeability zones or large pore channels， thereby increasing the utilization degree of low and middle permeability layers. However， the field test also shows that polymer gel can easily plug the wellbore during the injection process， and the phenomenon of suction profile inversion and pollution of medium-low permeability layer often occurs， so that the effect of enhanced recovery is limited. In actual field tests， the gelation effect of polymer gel is also affected by formation salinity， polymer concentration and crosslinking agent concentration， reservoir temperature and chemical reagent types. In this paper， based on the actual profile control effect of polymer gel in the field， the types and functions of the polymer gel were summarized， and the mechanism of profile control and displacement in the heterogeneous reservoirs was analyzed. At last， according to the application status of the polymer gel in the oil field， the development prospect of the polymer gel was discussed.

Key words： Polymer gel; Profile control and oil displacement; Heterogeneous reservoir; Application status; Enhanced oil recovery

隨着原油需求量的日益增加，如何高效地开发油藏成为石油科技工作者关心的问题[1]。在油藏开发初期，水驱开发方式因其成本低、流程简便而被广泛应用 [2-3]。随着水驱开发进行，高渗层将出现优势通道，与陆上油田相比，海上油田埋藏深度浅、砂砾胶结疏松，更容易出现大孔道或高渗透条带，储层非均质性更为严重，此时水驱开发不能满足矿场实际需要，剩余油难以被开采出来[4-5]。聚合物及聚合物凝胶以其成本低廉受到石油科技工作者的关注[6]。聚丙烯酰胺聚合物在油田开发中的应用始于20世纪50年代，到20世纪90年代聚合物在我国被广泛应用于各大油田[7]，聚合物凝胶是将聚丙烯酰胺溶液中加入一定量的交联剂，形成一种聚丙烯酰胺网络结构，20世纪80 年代，Smith等通过部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）与柠檬酸铝反应得到了聚合物凝胶 [8]。聚合物凝胶作为高分子交联体系以其致密的网状结构能够有效地实现对高渗层的封堵，从而改善储层物性，提高中低渗透层的动用程度，进而提高原油采收率[9-10]。笔者针对油田开发中聚合物凝胶的应用现状，归纳了聚合物凝胶的理化性质、类型以及评价方法，研究了聚合物凝胶的调剖机理，对聚合物凝胶体系的应用及与其他调驱体系复合使用进行了机理分析，同时也指出聚合物凝胶在实际应用过程中存在的不足，并对聚合物凝胶发展趋势进行展望，为油田开发提供参考性建议。

1  聚合物凝胶的性质

1.1  聚合物凝胶的种类

聚丙烯酰胺类聚合物凝胶体系主要分为单体凝胶、聚合物凝胶和预交联凝胶3种;按照交联剂分类，聚丙烯酰胺凝胶体系可分为金属交联体系和有机交联体系[11]。其中金属交联聚丙烯酰胺凝胶主要是根据部分水解的聚丙烯酰胺在水溶液中带负电荷，加入铝离子、铬离子等高价阳离子作用于羧基集团发生交联进而使得聚丙烯酰胺形成网状结   构[12-13]。交联剂的浓度与聚丙烯酰胺的浓度决定着反应速率及网状结构的变化，常见的网状结构以分子间交联和分子内交联为主，此外在储层中聚合物凝胶的成胶效果也受到储层物性的影响，分子内交联体系易出现在低渗透率岩心内，分子间交联体系则易出现在高渗透率岩心内[14-15]。对于有机交联体系来说，常见的是酚醛型聚丙烯酰胺凝胶体系，酚醛型聚丙烯酰胺凝胶体系具有良好的耐温特性[16]。

1.2  聚合物凝胶的评价手段

1.2.1  红外光谱仪表征

应用红外光谱仪评价手段主要是通过官能团变化来进行红外光谱对比，判断聚合物凝胶是否成功制备出网状结构。常用红外光谱分析需要经过提纯、沉淀、分离、干燥等步骤再进行测试[17]。

1.2.2  扫描电镜表征

扫描电镜[18]是一种能够直观观测聚丙烯酰胺凝胶外貌特征的微尺度评价手段，扫描电镜具备放大倍数高、视野广、成像清晰、形貌立体、制备简单等特点。因此，扫描电镜对聚合物凝胶的评价具有重要意义。

1.3  聚合物凝胶的理化性质评价

在矿场实际条件下，聚合物凝胶会受到多种因素的限制，如储层矿化度、温度、聚合物及交联剂浓度甚至矿场设备等多种因素的影响[19]。因此，研究聚合物凝胶的理化性质具有重要意义。

1.3.1  黏度

聚合物凝胶的黏度是评价其成胶强弱的重要指标。在油藏温度下，聚合物凝胶黏度越高，成胶能力越强，封堵效果越好。

1.3.2  抗盐性能

地层水中包含多种无机盐成分，不同条件的储层具有不同的矿化度，盐类的浓度及种类会对聚合物凝胶的特性造成影响，一般情况下，矿化度越高，阳离子越易使聚合物表面电势下降，使得聚合物分子越容易出现卷曲和收缩现象[20]，容易出现分子内交联构型，此外二价阳离子与一价阳离子对聚合物凝胶也存在不同程度的影响，由于二价阳离子在相同浓度条件下携带电荷量更多，使得聚合物分子卷曲和收缩现象发生的更严重[21]，形成分子内交联的可能性更大。

1.3.3  抗温性能

按照储层温度划分油藏可分为低温油藏、中温油藏、高温油藏[22]。油藏温度越高，聚合物凝胶越易降解失效。与金属交联体系相比，酚醛型聚丙烯酰胺凝胶体系抗温效果较好。

1.3.4  抗剪切性能

聚合物凝胶在注入地层的过程中，会在注入设备处和多孔介质中发生剪切，在剪切作用下会使得聚合物凝胶发生降解，因此矿场实际应用过程中，需要注意聚合物凝胶的抗剪切性能，使凝胶具备“注得进，堵得住”的效果[23]。

1.3.5  突破压力

突破压力是评价聚合物凝胶的重要指标，尤其是针对弱凝胶而言，突破压力的测试影响着工艺参数的设计。突破压力是体现聚合物凝胶在多孔介质中的封堵的强度。弱凝胶强度越大，注入压力越大，当压力超过一定值时，弱凝胶被驱动，此时的压力被认为是突破压力[24]。

2  聚合物凝胶调剖调驱机理分析

对于非均质性较强的储层来说，应用聚合物凝胶的调剖调驱是改善储层物性的重要手段，聚合物凝胶依据其强度分为强凝胶和弱凝胶，强凝胶主要用于调剖，弱凝胶可用于调驱。在矿场试验中，单独使用聚合物凝胶较少，石油科技工作者常常将聚合物凝胶与其他调驱剂、表面活性剂等复合使用，以达到较好的驱油效果。

2.1  聚合物凝胶的调剖调驱机理

对于调剖用的聚合物凝胶，其主要作用是对高渗层或高渗透条带进行封堵，后续水驱注入压力升高，中低渗透层吸液压差增大，中低渗透层动用能力增强，从而提高原油采收率[25]。与强凝胶相比，弱凝胶还具备调驱的效果，使得凝胶可以向深部运移，加强其增油降水效果。

2.2  聚合物凝胶与其他化学剂复合体系

在实际油藏开发过程中，聚合物凝胶基本上不单独使用，聚合物凝胶常常需要与其他调驱体系、表面活性剂复合使用，使得在调剖调驱过程中发挥各自的功效。

2.2.1  聚合物凝膠与聚丙烯酰胺复合体系

聚丙烯酰胺是良好的驱油剂，能够充分发挥其黏弹性进行驱油，而且聚丙烯酰胺经济环保，对环境污染小，驱油效率高。

2.2.2  聚合物凝胶与表面活性剂复合体系

表面活性剂是一种高界面活性化学剂，具有降低黏度和降低界面张力的性质[26]，聚合物凝胶与表面活性剂复合，在二者协同效应下，不仅能够发挥聚合物凝胶调剖调驱的优势，也能使表面活性剂表现出降低界面张力的优点，充分发挥“驱油”和“洗油”的效果，从而大幅提高原油采收率[27]。

2.2.3  聚合物凝胶与转向剂复合体系

聚合物凝胶能够有效地对高渗层或高渗透条带进行封堵，但封堵区域常处于近井地带，难以运移到储层深部，由于水在中低渗透层驱替压力较大，在高渗层驱替压力较小，后续水驱过程中，水在岩心深部会从中低渗透层转向高渗层，这就是所谓的“剖面反转”现象，从而使得中低渗透层动用程度有限[28]。实际矿场应用中，聚合物凝胶会结合无机凝胶涂层、冻胶分散体、聚合物微球分散调驱体系、表面活性剂等复合使用，使得聚合物凝胶与其他调驱体系发挥协同作用，精细分级调剖调驱，形成“堵、调、驱”一体化[29]，有效地提高原油采收率，高效合理地开发油藏。

3  聚合物凝胶的缺陷及发展趋势

3.1  聚合物凝胶的不足

聚合物凝胶在矿场实际应用过程中，聚合物凝胶会出现成胶速度过快导致在井筒内成胶进而堵塞井筒的现象，而且聚合物凝胶成胶过程常发生在近井地带，难以实现深部调驱，从而在地层中会出现吸液剖面反转现象[30]，导致提高采收率幅度有限。因此，在相同封堵强度下如何实现深部调驱是矿场亟待解决的问题。此外，聚合物凝胶注入过程中注入压力较大，会使中低渗透层发生污染，当中低渗透层吸入聚合物凝胶后，中低渗透层的启动压力将远远高于高渗透层的启动压力，从而导致中低渗透层的油难以采出。

3.2  聚合物凝胶的发展趋势

为解决聚合物凝胶实现调驱的问题，石油科技工作者主要从以下方面着手解决：