專利名稱：一種用于油藏深部液流轉向的凍膠分散體制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種凍膠分散體的制備方法，所制備的凍膠分散體用于油藏深部液流 轉向，從而提高原油采收率。 技術背景
目前國內外的凍膠型深部液流轉向劑主要包括以下幾類本體凍膠(BulkGel)、 膠態(tài)分散凍膠(Colloidal Dispersion Gel，簡稱CDG)，水膨體(Preformed Particle Gel) 和微凍膠(Microgel)。本體凍膠和膠態(tài)分散凍膠的基本組分包括聚合物、交聯(lián)劑以及 其他助劑。通常使用的實施工藝為將聚合物和交聯(lián)劑注入地層，關井候凝，形成堵 塞物封堵地層孔隙空間以降低水相滲透率，最后開井生產(或恢復注水)。本體凍膠 的形成受多種因素影響，例如地面設備和近井地帶滲流引起的剪切應力導致聚合物降 解，井筒周圍地層的各種物理化學性質(如溫度、pH值、礦化度等)，聚合物和交聯(lián) 劑在近井地帶的吸附作用，地層不均質性，以及由擴散引起的稀釋作用等。所以注入 聚合物與交聯(lián)劑地下成凍的工藝中凍膠的成凍時間、凍膠強度、凍膠進入地層的深度 很難預測，從而影響了處理工藝的有效性。
為了解決地下成凍工藝中成凍不可控制的情況，提出了用水膨體(預交聯(lián)凍膠顆 粒)和微凍膠進行深部液流轉向的方法。水膨體類顆粒主要由單體、交聯(lián)劑、助劑及 強度控制劑(粘土)等，在一定條件下形成具有一定吸水膨脹性能的凍膠粘彈體，再 經干燥、粉碎、造粒、篩分等工序制成不同膨脹倍數(shù)、不同強度、不同粒徑的系列固 體顆粒。水膨體顆粒的三維立體網絡結構含有大量親水基團，具有很好的吸水膨脹性 能。這種親水特性使其在不同條件下能顯著改變其體積大小，同時通過交聯(lián)作用產生 的三維骨架結構使其具有一定的強度，能在地層中形成堵塞，使流體流向改變。同時 吸水膨脹后的粘彈體在外力作用下能發(fā)生形變，并且這種形變是可逆的，當外力減小 時形變在一定程度上能恢復。可充分利用這種"變形蟲"特點使油藏局部壓力場得以改 變，從而實現(xiàn)地層流體轉向的目的。但受制備條件的限制，水膨體類堵劑的粒徑通常 在l 5mm之間，吸水膨脹后粒徑增大到10 100mm，并且大多數(shù)水膨體以破碎通過孔隙的方式通過地層，這種作用機理不能完全發(fā)揮預交聯(lián)顆粒的作用，水膨體顆粒 的粒徑不能適應深部注入的要求。
在90年代末期，Chauveteau等提出了剪切交聯(lián)理論并通過該方法制備出不同的 微凍膠體系(microgel)，它具有封堵距離長、選擇性強、對地層物理化學條件(溫度、 壓力、地層水礦化度)不敏感、穩(wěn)定性好的特點，但是制備微凍膠使用的剪切交聯(lián)設 備為同軸圓筒，該設備缺點是不適宜進行大規(guī)模的工業(yè)生產，敞口容器加熱時液體易 揮發(fā)，只能用于實驗室研究。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于油藏深部液流轉向的凍膠分散體的制備方法，使 得所制備的凍膠分散體既不受成凍反應地層條件不可控制的影響，又不受生產規(guī)模限 制，能進入地層深部，有效改變地層流體的流動方向，進一步提高水驅和/或聚驅采 收率。
本發(fā)明實現(xiàn)其目的所采取的技術方案是采用管流剪切交聯(lián)方法，即在聚合物與交 聯(lián)劑形成凍膠的過程中對該成凍體系施加一定的剪切力，使成凍體系不形成整體凍膠 而形成凍膠分散體，按如下步驟實現(xiàn)
(1) 選取蠕動泵(BT—100B)作為剪切設備；
(2) 選取相對分子質量為4.0x106、水解度為12%的部分水解聚丙烯酰胺作為成 凍體現(xiàn)聚合物，選醋酸鉻Cr(Ac)3為交聯(lián)劑；
G)取質量比為部分水解聚丙烯酰胺醋酸鉻=160 : 1 320 : l，攪拌均勻，配
制成管流交聯(lián)體系；
(4) 調整蠕動泵的轉速10 150rpm，將上述配制好的管流交聯(lián)體系快速吸入蠕 動泵的硅膠軟管中；
(5) 將軟管的兩端對接，置于30 4(TC恒溫水浴中，恒速剪切180 300分鐘至 完全反應。
(6) 將硅膠軟管內的液體取出，加水稀釋3 5倍體積，80 9(TC攪拌240 360 分鐘，即得到需要的凍膠分散體。
本發(fā)明用蠕動泵作為剪切設備，將由部分水解聚丙烯酰胺與醋酸鉻組成的成凍體 系吸入蠕動泵軟管中，通過調整蠕動泵的轉速以獲得不同的剪切速率從而制備不同粒 徑尺寸的凍膠分散體，能夠注入到油藏深部，凍膠分散體微粒在孔道中吸附、滯留，能降低高滲透區(qū)域的滲透率，使后續(xù)注入液轉向低滲透率區(qū)域，起到深部調剖的作用。


圖1是流體在圓形管道中流動示意圖。 圖2是蠕動泵的原理示意圖。
圖3是醋酸鉻凍膠成凍時間等值圖(3(TC，圖中數(shù)據(jù)點為成凍時間/h)。 圖4是蠕動泵的轉速和剪切速率的關系圖。 圖5是剪切速率對平均粒徑的影響曲線。
圖6是由400011^1/^ 八1^+ 25 mg丄"Cr(Ac)3形成的凍膠分散體的原子力顯微鏡 照片。
圖7是由8000mg'L-1HPAM+ 25 mg'I/1 Cr(Ac)3形成的凍膠分散體的原子力顯微鏡 照片。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例來進一步描述本發(fā)明。 l.管流剪切交聯(lián)的可行性分析
提出用液體在圓管中流動的方式代替在同軸圓筒中相對轉動的流動方式，圓管中 的穩(wěn)定流動也被成為Poiseuille流動。假定流動是穩(wěn)定的層流，即流體內每個質點的 流動速度不隨時間變化。這里采用柱坐標(r， & z)，如圖1所示，定義z軸與圓管 的軸線一致，管徑為i 。
流體僅沿z軸方向流動，V2是質點離圓管中心軸的徑向距離r的函數(shù)，沒有沿r 的徑向和沿e周向的流動。寫作
vz=vz(r) (1)
vr=ve=0 (2)
與圓管壁接觸流體層是靜止的，〃=/ 時有"=0。
可將圓管中的層流視為許多通過同心圓柱層的流動。假設圓管長/，半徑為r的 柱體層流體，受到圓管兩端的外加壓差Ap，作用壓力為Ap;rr2。此柱體表面的外層流 體對其粘性阻力，等于剪切應力k乘以柱體表面積27tr/。兩者力平衡式為
<formula>formula see original document page 5</formula>可見，在管壁上的剪切應力TR為
<formula>formula see original document page 6</formula> (3)
在管中心軸上Trz二O，剪切應力k是r的線性函數(shù)。 對牛頓流體在圓管中層流展開，可獲得速度分布方程，用關系式
<formula>formula see original document page 6</formula> (4)
積分，并帶入邊界條件Fi ， vz=0，有
<formula>formula see original document page 6</formula> (5)
圓管中流動的流速分布為二次曲線函數(shù)。而速度梯度即剪切速率是r的線性函數(shù)c 在圓管的軸心處vz具有最大值，剪切應力&=0，剪切速率y二0。而在管壁處相反， Vz=0，剪切應力和剪切速率具有最大值。
通過從r到r+dr的圓環(huán)柱體的體積流量為
<formula>formula see original document page 6</formula>
整個圓管截面的流量，可積分得
<formula>formula see original document page 6</formula> (6)
此式也稱為Hagen-Poiseuille方程' 在r二i 管壁上，
<formula>formula see original document page 6</formula> (7)
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對于冪律流體來說，若本構方程同式(2-22)，則速度分布方程為
<formula>formula see original document page 6</formula> (9)
體積流量方程為
<formula>formula see original document page 6</formula> (10)
平均剪切速率為通過以上分析可以知道，流體在圓管中流動時，管中心處的剪切速率為零，流體 流速最大，管壁處的剪切速率最大，流體流速為零。流體在圓管中流動時也存在剪切 應力和剪切速率，平均剪切速率可以通過式(11)求得。若用圓管流動的方式制備凍 膠分散體，則存在一個主要問題是圓管中心處剪切速率為零，這樣會導致成凍體系中 的一部分產生整體凍膠，此種情況對實際應用會產生不利的影響。為了消除圓管流動 中管中心處剪切速率為零的不利影響，必須采取一定的措施，將圓管纏繞在直徑為 2.5cm的圓柱體上，這樣流動方式就發(fā)生了改變，流動方式由沿軸向的流動改為存在 一定角度的沿軸向的流動，這種流動方式會降低圓管流動中管中心處剪切速率為零的 影響。
本發(fā)明使用蠕動泵(BT-100B)作為剪切設備，使流體在蠕動泵軟管(直徑為3 mm) 中流動，借助此管流所產生的剪切作用制備微凍膠分散體。圖2為蠕動泵的結構示意 圖，通過泵軸102帶動滾輪101轉動，由此產生了對軟管103的旋轉嚙合作用，擠壓 軟管產生一定的壓差，帶動管中流體的流動。 2.凍膠分散體成凍體系確定
首先通過對成凍體系的靜態(tài)成凍評價得到了適宜制備凍膠分散體系的成凍體系， 成凍體系主要由聚合物和交聯(lián)劑組成。油田常用的水溶性聚合物是部分水解聚丙烯酰 胺(HPAM)，交聯(lián)劑是鉻離子交聯(lián)劑。
管流剪切交聯(lián)方法制備凍膠分散體的工藝中對配方體系有以下兩點基本要求
(1) 成凍時間在0.5 4小時之間，成凍時間太短或太長對剪切交聯(lián)工藝都是不 利的，成凍時間太短的話，成凍體系在沒有全部進入剪切設備之前就成凍形成整體凍 膠；成凍時間太長的話，可能導致聚合物降解，且耗能耗時。
(2) 交聯(lián)反應溫度低，低交聯(lián)反應溫度有利于大規(guī)模制備，且節(jié)省能源。 經過篩選，管流剪切交聯(lián)方法制備凍膠分散體的成凍體系聚合物為相對分子質量
為4.0xl06，水解度為12。/。的HPAM，交聯(lián)劑為Cr(Ac)3，成凍體系靜態(tài)成凍等值圖如 圖3所示。隨著聚合物和交聯(lián)劑質量濃度的增加，體系交聯(lián)時間逐漸減小，成凍體系 的成凍時間為0.5 2小時。
實施例1:在100mL燒杯中配制質量濃度為8000mg丄"的HPAM和25 mg丄—1的Cr(Ac)3的管流剪切交聯(lián)體系，根據(jù)剪切速率的要求，調整蠕動泵的轉速為10rpm，將 配制好的管流剪切交聯(lián)體系快速吸入硅膠軟管中，將軟管兩端對接，置于3(TC恒溫水 浴中，恒速剪切4小時至結束。將硅膠軟管內的液體取出，稀釋3倍，9(TC攪拌4小 時，得到需要的凍膠分散體。
同理，由低到高調整蠕動泵的轉速為30、 50、 80、 100、 150rpm，按照實施例1 的方法依次得到相應的凍膠分散體。用Malvern Zetasizer 3000 HSa動態(tài)光散射儀測定 凍膠分散體的流體力學直徑A測定結果如圖4所示，凍膠分散體的平均粒徑隨剪切 速率的-0.1126次方變化。
圖5是剪切速率對平均粒徑的影響曲線，從圖5中可以看出，對同一交聯(lián)體系， 隨著剪切速率的增加，平均粒徑變小。剪切速率越大，硅膠管中管流剪切成東體系在 軸向所受應力越大，交聯(lián)的顆粒越容易受力破碎。
實施例2:分別在100mL燒杯中配制質量濃度為4000mg，L"的HPAM和25 mg-L—1 的Cr(Ac)3及SOOOmg.I/1的HPAM和25 mg'U1的Cr(Ac)3的兩種管流剪切交聯(lián)體系， 根據(jù)剪切速率的要求，調整蠕動泵的轉速為40rpm (即176s—1)，將配制好的管流交聯(lián) 體系分別快速吸入硅膠軟管中。將軟管兩端對接，置于3(TC恒溫水浴中，恒速剪切4 小時至結束。將硅膠軟管內的液體取出，加水稀釋3倍，9(TC攪拌4小時，得到兩種 需要的凍膠分散體。用原子力顯微鏡測定兩種凍膠分散體的微觀形貌，如圖6、圖7 所示。從圖6中可以看出，凍膠分散體在溶液中的形狀主要以柱狀或條狀形式存在， 根據(jù)統(tǒng)計結果，凍膠分散體的長軸約1.3pm，短軸約0.6pm，長短軸比為2 : 1左右。 在管流剪切交聯(lián)過程中，聚合物溶液沿一定的方向流動，垂直于流向上存在剪切作用， 在這個過程中只要形成凍膠的變形性不足以克服剪切力，就會被剪切成小凍膠，并且 聚合物沿流向的交聯(lián)能力大于垂直于流向的交聯(lián)能力，因此會交聯(lián)生成條柱狀的凍 膠。從圖7中可以看到，照片中存在孤立的微凍膠顆粒和微凍膠顆粒的聚集體，根據(jù) 統(tǒng)計結果，微凍膠的長軸約2.3nm，短軸約0.8nm，長短軸比為3 : 1左右。顆粒粒徑 明顯增大。聚合物質量濃度增大導致體系中可交聯(lián)的聚合物增多，交聯(lián)更強烈，因此 相同的剪切力條件下的粒徑更大。
依照本發(fā)明所提供的制備方法，可以通過調整剪切速率大小來控制凍膠分散體粒 徑的大小。該凍膠分散體能夠注入到油藏深部，凍膠分散體微粒在孔道中的吸附、滯 留，能降低高滲透區(qū)域的滲透率，使后續(xù)注入液轉向低滲透率區(qū)域，起到深部調剖的作用。具有粘度低、流動性好、穩(wěn)定性好，有效期長等特點，且對剪切和儲層物理化 學條件不敏感，尺寸可控，可以針對不同地層設計凍膠分散體直徑，防止堵塞地層滲 濾面。直徑較小時可以保證地層深部處理的需要，較大時可以大大降低水相滲透率， 而對油相滲透率影響較小；在油相流動時足夠"軟"，可以被油水界面擠壓到孔壁上， 對油相流動阻力小，粘附能力強，穩(wěn)定性好，無毒，環(huán)境友好。
權利要求
1. 一種用于油藏深部液流轉向的凍膠分散體制備方法，采用管流剪切交聯(lián)方法，即在聚合物與交聯(lián)劑形成凍膠的過程中對該成凍體系施加剪切力，使成凍體系不形成整體凍膠而形成凍膠分散體，其特征是按如下步驟實現(xiàn)①選取蠕動泵作為剪切設備；②選取相對分子質量為4.0×106、水解度為12％的部分水解聚丙烯酰胺作為成凍體聚合物，選醋酸鉻Cr(Ac)3為交聯(lián)劑；③取質量比為部分水解聚丙烯酰胺∶醋酸鉻＝160∶1～320∶1，攪拌均勻，配制成管流交聯(lián)體系；④調整蠕動泵的轉速10～150rpm，將上述配制好的管流交聯(lián)體系快速吸入蠕動泵的硅膠軟管中；⑤將軟管的兩端對接，置于30～40℃恒溫水浴中，恒速剪切180～300分鐘至完全反應；⑥將硅膠軟管內的液體取出，加水稀釋3～5倍體積，80～90℃攪拌240～360分鐘，即得到需要的凍膠分散體。
全文摘要
本發(fā)明提出一種凍膠分散體深部液流轉向劑的制備方法，具體是在部分水解聚丙烯酰胺與醋酸鉻混合形成凍膠的過程中用蠕動泵對該成凍體系施加一定的剪切力，使成凍體系不形成整體凍膠而形成凍膠分散體。采用該方法制備的凍膠分散體是由凍膠微粒和水組成，可以通過調整剪切速率大小控制凍膠分散體粒徑的大小。該凍膠分散體能夠注入到油藏深部，凍膠分散體微粒在孔道中的吸附、滯留，能降低高滲透區(qū)域的滲透率，使后續(xù)注入液轉向低滲透率區(qū)域，起到深部調剖的作用。具有粘度低、流動性好、穩(wěn)定性好，有效期長等特點，且對剪切和儲層物理化學條件不敏感，尺寸可控，可以針對不同地層設計凍膠分散體直徑，防止堵塞地層滲濾面。
文檔編號C09K8/60GK101434835SQ20081023768
公開日2009年5月20日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權日2008年12月3日
發(fā)明者于海洋, 龍 何, 向問陶, 薇 周, 亞 崔, 光 楊, 王業(yè)飛, 慶 由, 趙福麟, 凱 陳 申請人:中國石油大學(華東)