低渗透油藏调驱用凝胶泡沫体系的应用

张俊瑾，李遵照，蒋明龙，谭 肖

（中国石油 中原油田分公司 石油工程技术研究院，河南 濮阳 457001）

相对水基泡沫，凝胶泡沫是一种假塑形流体，具有非牛顿流体性质［1］。有研究表明，凝胶泡沫提高原油采收率最主要的机理是因为它具有“变形虫”效应和贾敏效应，“变形虫”效应能使凝胶泡沫通过微孔介质而抗剪切，因此稳定性能好［2］。凝胶泡沫的连续相是凝胶，在凝胶内包裹有大量均匀分布的气体泡沫，因此凝胶泡沫体系具有泡沫和凝胶双重特性，耐油性和黏弹性优异，具有较强的调驱能力［3-4］。目前常用的凝胶泡沫体系包括：作为油田堵水剂的硅酸盐凝胶泡沫体系［5-7］，作为选择性堵剂的有机凝胶泡沫体系等。但硅酸盐凝胶泡沫体系对Ca2+和Mg2+敏感，极易与Ca2+和Mg2+发生沉淀絮凝，且脆性大，易于破碎［8］；而有机凝胶泡沫体系中起泡剂一般多采用单一表面活性剂，同时胶凝剂多采用部分水解聚丙烯酰胺（HPAM），耐温抗盐性能不理想［9-10］。因此，它们的应用受限。无机凝胶泡沫体系是采用凝胶生成剂与泡沫剂复合，在油藏地层条件下生成的，该体系的凝胶内部包裹着泡沫，扩大了凝胶的波及体积，而凝胶增加了泡沫的机械强度，增长了泡沫寿命，可延长调驱措施的时效性。

本工作以铝盐为主剂，尿素为助剂得到无机凝胶体系，并加入复配泡沫剂得到凝胶泡沫体系。分析了影响凝胶体系成胶的因素，考察了成胶后凝胶的性能，提出了凝胶泡沫体系的调驱机理，并建立了凝胶成胶强度模型用于预测凝胶成胶强度。

1 实验部分

1.1 原料

离子型甜菜碱（L-30）、SH1：泡沫剂，国药集团化学试剂有限公司；铝盐（凝胶主剂）、尿素（凝胶助剂）：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；模拟地层水：矿化度为15×104mg/L，钙镁离子含量为5 000 mg/L。

1.2 实验方法

凝胶基液的配制：将铝盐与尿素分别溶于一定矿化度模拟地层水中，配制成一定质量浓度的溶液，然后加入到高温玻璃管中。

凝胶成胶实验：将装有充分溶解铝盐与尿素的溶液的高温玻璃管竖直置于油浴锅中。在一定温度条件下，当溶液由透明状变成白色，且旋转高温管至45°不流动时，即认为开始成胶，并记录为凝胶成胶时间，用上海尼润智能科技有限公司DV-Ⅱ型布式旋转黏度计测定黏度。

凝胶泡沫体系的配制：在上述凝胶体系中加入泡沫剂即为凝胶泡沫体系。单一泡沫剂不能满足起泡能力高、稳泡性能好的要求，综合考虑泡沫综合指数，选择0.2%（w）L-30+0.1%（w）SH1作为复配泡沫剂，该复配泡沫剂起泡体积510 mL，消泡半衰期136 min，具有较好的泡沫稳定性能。

泡沫性能测定采用上海隆拓仪器设备有限公司 Ross-Mile 型泡沫仪按 GB/T 7462—1994［11］规定的方法测定，测定温度50 ℃，发泡剂质量浓度0.5%。

2 结果与讨论

2.1 凝胶基液生成凝胶的条件

采用单因素法对影响凝胶基液成胶性能的因素进行研究。

2.1.1 主剂的影响

固定尿素含量2%（w）、矿化度15×104mg/L、钙镁离子含量5 000 mg/L，100 ℃下主剂用量对成胶性能的影响见图1。从图1可知，随凝胶主剂铝盐用量的增大，成胶时间延长。这是因为，铝盐的金属离子交替发生水解和羟基桥联作用。当体系中的OH-浓度高时，反应速率加快，反应时间缩短。反之，体系中的OH-浓度低时，反应速率降低，反应时间延长。所以，当固定助剂浓度，增大主剂用量，相当于单位物质的量的主剂对应的OH-就会减少，反应速率降低，成胶时间延长。随主剂用量的增大，参与反应形成凝胶网络的金属离子含量增大，凝胶强度增大。

图1 主剂用量对成胶性能的影响Fig.1 The influence of main agent concentration on the properties of gel.

2.1.2 助剂的影响

凝胶助剂对成胶性能的影响见图2。从图2可知，体系成胶时间随助剂用量的增大而缩短。这是因为，当固定主剂浓度，增大助剂用量时，助剂发生分解反应使OH-浓度增大，反应速率加快，成胶时间缩短。随助剂用量的增大，参与反应形成凝胶网络的OH-含量增大，凝胶强度增大。

2.1.3 温度的影响

温度对成胶时间的影响见图3。从图3可知，成胶时间随反应温度的升高而缩短。因为当温度升高时，溶液中助剂CO（NH2）2发生分解反应的速率增大，即溶液中的OH-浓度增幅变快，从而使主剂金属离子Al3+发生水解并与羟基桥联反应的速率加快。另一方面，随温度的升高，溶液中各离子运动速率加快从而发生碰撞的机会增大，使体系成胶时间缩短。

图2 助剂用量对成胶性能的影响Fig.2 The influence of additive concentration on the properties of gel.

图3 温度对成胶时间的影响Fig.3 The influence of temperature on gel time.

2.1.4 矿化度的影响

矿化度对成胶性能的影响见图4。从图4可看出，成胶时间随矿化度的增大而缩短。这是因为当矿化度升高时，助剂CO（NH2）2发生分解反应生成的CO2的溶解度减小，减少了溶液中CO2的溶解量，使助剂分解反应向正反应方向进行，溶液中OH-浓度增大，成胶时间缩短。体系成胶强度随矿化度的增大迅速减小。这是因为高矿化度降低了主剂金属离子的水解程度，同时盐离子的存在使金属离子与OH-生成凝胶的机率降低，从而使凝胶强度减小。

图4 矿化度对成胶性能的影响Fig.4 The influence of salinity on the properties of gel.

2.2 泡沫剂对凝胶泡沫体系的影响

在凝胶泡沫体系成胶过程中体系气相压力变化的曲线见图5。从图5可看出，泡沫剂的加入对凝胶泡沫体系的压力影响不大，所以泡沫剂的加入对凝胶泡沫体系的反应速率影响很小。

图5 泡沫剂对凝胶泡沫体系成胶的影响Fig.5 The influence of foam agent on gelling process of gelling foam system.

2.3 成胶后凝胶的性能

2.3.1 温度对成胶后凝胶黏度的影响

凝胶基液与成胶后凝胶的黏度见图6。从图6可看出，随温度的升高，成胶后凝胶的黏度逐渐增大。这与温度对HPAM溶胶黏温关系影响规律［12］不同，表现出与一般流体黏度随温度变化趋势相反的行为。这可能是因为，HPAM溶胶为有机型溶胶，随温度的升高，有机分子链被破坏，因此黏度下降，而本工作采用的是无机型凝胶，表现出随温度升高，凝胶黏度逐渐增大的规律。

从图6还可看出，成胶后凝胶的黏度大于凝胶基液的黏度近100倍，说明凝胶基液中的主剂与助剂在一定条件下发生化学反应，生成了具有高黏度的凝胶。

2.3.2 成胶后凝胶的高温稳定性

成胶后凝胶在130 ℃下的耐温性能见图7。从图7可知，在实验时间范围内，成胶后凝胶可在130 ℃高温下保持300 d稳定性。

图7 凝胶后凝胶在130 ℃下的耐温性Fig.7 The temperature tolerance of gel system after gelling under 130 ℃.

2.4 凝胶泡沫体系调驱机理

本工作制备的凝胶泡沫体系采用与无机凝胶体系配伍性良好的低界面张力复配泡沫剂作为起泡剂，在无机凝胶生成的过程中泡沫剂被包裹在凝胶中，生成无机凝胶泡沫。由于凝胶主剂与助剂在常温条件下不发生化学反应，因此基液黏度较低（30℃下7.5 mPa·s），较低的基液黏度保证了调驱体系具有良好的注入性能，能满足深部调驱和低渗透油藏的注入。在油藏温度90～130 ℃和矿化度10×104～25×104mg/L下凝胶基液发生反应，生成高强度无机凝胶，而由凝胶助剂CO（NH2）2反应生成的少量CO2等气体可以使原油体积增加，降低油水界面张力，使剩余油进一步被驱出。

凝胶泡沫体系的成胶强度随温度的升高而增大，生成的凝胶在原有水窜通道形成屏障，打破了原来的地下流体平衡，在后续水驱过程中封堵段塞漂移、连续运移，不断扩大封堵范围，使后续注入水多次绕流从而增大注入水波及体积。若泡沫破裂，则泡沫液（表面活性剂）能降低原油界面张力，更好的驱替出油藏剩余油。

目前调剖剂发展方向之一是需研制具有深部调剖作用和强度高的调剖剂［13］，本工作制备的凝胶泡沫体系的成胶时间和凝胶强度可根据需要进行调控，从而保证了调驱液进入目的层位，与上述发展方向相吻合。

2.5 凝胶成胶强度模型研究

2.5.1 模型建立

从成胶强度实验结果可知，成胶强度与主剂和助剂用量成正相关关系，与地层水矿化度成负相关关系，可认为成胶强度模型由三部分组成（见式（1））：

式中，P为凝胶强度，mPa·s；Cm为凝胶主剂含量，mg/L；Ca为凝胶助剂含量，mg/L；K为矿化度，mg/L。

根据实验规律，建立的凝胶成胶强度模型见式（2）。

式中，Pi是设定的系数，通过1st Opt软件计算得出。

2.5.2 凝胶体系成胶强度模型计算结果

将建立的凝胶成胶强度模型对实验数据进行拟合，模型参数见表1。计算值与实验值的比较见图8。从图8可知，模型计算值与实验值吻合良好，平均相对偏差为0.51%，能满足现场施工需要。

表1 模型参数Table 1 Model parameter

图8 主剂含量（a）、助剂含量（b）和矿化度（c）对成胶强度的影响Fig.8 The influence of main agent concentration(a), additive concentration(b) and salinity(c) on gel strength.

3 现场应用

2012年11 月—2013年11月在中原油田采油一厂文13-195（调驱目的层渗透率0.13～30.63 md）、文13-204（调驱目的层渗透率50～130 md）等7个井组实施了耐温抗盐凝胶泡沫调驱措施，加入凝胶泡沫体系后平均注水压力上升5.93 MPa，平均日增油4 t，含水率下降2%，截至2014年1月已累计净增油1 397 t，累计降水3 674.9 t，取得了良好的经济效益。

4 结论

1）以铝盐为主剂，尿素为助剂，可得到无机凝胶体系。该体系随主剂用量的增大，成胶时间延长，凝胶强度增大；随助剂用量的增大，成胶时间缩短，凝胶强度增大；随温度的升高，成胶时间缩短；随矿化度的增大，成胶时间缩短，凝胶强度降低。

2）在该无机凝胶体系中加入复配泡沫剂0.2%（w）L-30+0.1%（w）SH1可 得 到 凝 胶 泡沫体系，泡沫剂的加入对凝胶的成胶性能没有影响。

2）无机凝胶泡沫体系能够耐温130 ℃，耐盐20×104mg/L，耐钙、镁离子5 000 mg/L；成胶后凝胶黏度随着温度的升高而增大。现场应用表明该凝胶泡沫调驱体系可用于低渗透油藏深部调驱。

3）P=（P1Cm2+ P2Cm+ P3）（P4Ca+ P5）exp（-P6K）凝胶成胶强度模型，可用于指导现场凝胶成胶强度的预测和配方优化，平均相对偏差为0.51%。

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