乳液型聚丙烯酰胺调堵剂研究

论文摘要

在油田注水开发过程中,油井出水的危害很多:如消耗驱替能量,减少油层最终采收率,造成管线和设备的腐蚀与结垢,增加脱水站的负荷等等,严重时还会使油井变为无工业价值的报废井,造成极大的资源浪费,因此降低采出液的出水率有其重要的意义。长期以来,国内外堵水、调剖剂的研究与应用受到了广泛的关注。早在20世纪30年代国外就开始探索应用不同的调剖堵水剂,我国化学堵水调剖技术始于20世纪50年代,经过长期的研究试验和发展,已经形成了一系列油田注水开发过程中的治水技术。国内外油田广泛应用的化学调剖堵水剂品种繁多,以阴离子型聚丙烯酰胺类为主的水基凝胶是其中发展最快的一个大类。然而目前采用的聚丙烯酰胺可动凝胶调堵技术仍然存在许多局限性,影响了其应用规模。主要存在以下几方面问题:一是聚丙烯酰胺多为粉剂,分散溶解困难,现场施工不方便;二是成胶时间和成胶强度不易控制,往往近井地带堵调效果好,而难于到达地层深部发挥作用;三是由于地层对聚合物和交联剂的吸附能力不同,加上地层水的稀释,使得交联体系在地层中易发生色谱分离,堵剂利用率低。针对以上问题,本文开展了乳液型聚丙烯酰胺调堵剂研究,旨在开发一种新型的调堵剂,更好地满足油田开发过程中治理“水害”的需要。本文利用乳液型聚丙烯酰胺在水中易分散溶解、有效浓度高的特点,进行了乳液型聚丙烯酰胺调堵剂的研究。通过系统地开展调堵机理、乳液聚合机理、交联机理和堵剂结构设计研究,成功研制了乳液型聚丙烯酰胺-酚醛树脂凝胶调堵剂,首次将反相乳液聚合技术用于注水油田开发过程,解决了聚丙烯酰胺凝胶调剖堵水时交联时间和交联强度难以控制,现场配制不便的难题。该调堵技术是在地面将该调堵剂分散于水中,注入到地层指定位置,在地层温度和转向剂的作用下,聚丙烯酰胺反相乳液转相破乳,聚丙烯酰胺和交联剂发生交联反应形成凝胶。由于在到达指定位置前未转相破乳,聚丙烯酰胺与交联剂的比例不发生改变,交联反应得到有效控制。为了确保堵剂的应用效果,本文在以往注聚开发数学模拟分析模型的基础上,修订建立了乳液型聚丙烯酰胺调堵剂应用效果预测模型,并对现场注入方案进行了优化,较好地指导了现场应用。本文的主要研究内容包括以下三部分:第一,开展了聚丙烯酰胺反相乳液制备工艺技术研究,通过对聚丙烯酰胺反相乳液聚合体系组分及聚合条件进行研究,合成了有效含量高、稳定性好、分子量在6401050万的聚丙烯酰胺反相乳液。研究结果表明,较低乳化剂量时体系不稳定,乳化剂量太高会造成产物分子量下降,而且造成生产成本上升,乳化剂量宜选用8wt%;随着水相单体浓度的增加,聚合物分子量增大,但是,乳液聚合的温度升高,乳液稳定性变差,因此,水相单体浓度选用45wt%,油水比选择为1:1,适宜的聚合起始温度为1025℃。第二,开展了交联剂的合成工艺及交联机理研究,利用合成的聚丙烯酰胺反相乳液和交联剂,配制成均相的乳液型调剖堵水剂,并进行了理化性能评价、物模封堵性能实验评价。研究结果表明,聚丙烯酰胺-酚醛树脂交联符合两步交联机理,随着聚合物浓度和交联剂用量的增加,交联强度相应增加;温度在50℃以下时,聚合物交联体系不发生交联或交联程度很低;在体系处于酸性条件下时,酚醛树脂与聚丙烯酰胺的交联程度很低;pH值在中性和弱碱性条件下容易形成性能优良的凝胶;岩芯模拟实验表明乳液型调堵剂成胶性能可控,封堵效果良好。第三,通过数模研究优化了现场试验方案,并在孤岛油田油水井上进行了堵水调剖试验,见到了明显了降水增油效果。经现场应用证明,该调堵剂具有分散溶解方便、成本低、成胶时间和强度易于控制等优点,能够达到地层深部封堵出水通道,实现液流改向、控水增油的目的,在经济上可收到较好的效果,预计投入产出比可达1:3以上,推广应用前景良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 调剖堵水技术的发展历史
• 1.1.1 调剖堵水工艺的发展历程
• 1.1.2 调剖堵水剂的研究与发展
• 1.2 聚丙烯酰胺交联凝胶调堵剂
• 1.2.1 聚丙烯酰胺交联凝胶的分类
• 1.2.2 聚丙烯酰胺交联凝胶的研究进展
• 1.2.3 聚丙烯酰胺交联凝胶调堵剂的局限性
• 1.3 乳液聚合理论与方法
• 1.3.1 传统乳液聚合技术
• 1.3.2 无皂乳液聚合技术
• 1.3.3 细乳液聚合技术
• 1.3.4 超浓乳液聚合技术
• 1.3.5 水包水乳液聚合技术
• 1.3.6 反相乳液聚合技术
• 1.4 论文研究思路、结构安排、预期目标和意义
• 1.4.1 论文研究思路
• 1.4.2 论文结构安排
• 1.4.3 预期目标和意义
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验原料及仪器
• 2.1.1 实验药品试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 乳液型聚合物的制备
• 2.2.1 油相的制备
• 2.2.2 水相的制备
• 2.2.3 乳液聚合物的合成
• 2.3 乳液聚合物理化性能的测试
• 2.3.1 乳液稳定性的研究
• 2.3.2 乳液颗粒大小的测定
• 2.3.3 单体转化率的测定
• 2.3.4 表观粘度的测定
• 2.3.5 特性粘度的测定
• 2.3.6 水解度的测定
• 2.4 聚丙烯酰胺反相乳液调堵剂的制备
• 2.4.1 酚醛树脂的制备
• 2.4.2 调堵剂的制备
• 2.5 乳液型聚丙烯酰胺调堵剂理化性能测试
• 2.5.1 调驱剂溶液表观粘度的测定
• 2.5.2 透过率和吸光度的测定
• 2.5.3 调驱剂驱替性能的测试
• 2.5.4 调驱剂在采出液的检测方法
• 第三章 乳液型聚丙烯酰胺的合成
• 3.1 反相乳液聚合机理
• 3.2 反相乳液聚合体系的组分确定
• 3.2.1 水相的制备
• 3.2.2 乳化剂及分散介质的筛选
• 3.2.3 引发剂种类的选择
• 3.3 聚合配方的研究
• 3.3.1 引发剂用量的影响
• 3.3.2 复合乳化剂用量的影响
• 3.3.3 油水比的影响
• 3.4 聚合工艺参数的研究
• 3.4.1 聚合组分正交实验
• 3.4.2 引发温度
• 3.4.3 pH 值的影响
• 3.5 乳液聚合物的性能分析
• 3.5.1 溶解时间
• 3.5.2 离子度
• 3.5.3 表观粘度
• 3.5.4 稳定性
• 3.5.5 交联性能
• 3.6 小结
• 第四章 调堵剂的制备和性能评价
• 4.1 调堵剂作用机理与制备技术路线
• 4.1.1 反相乳液调剖堵水作用机理
• 4.1.2 反相乳液调堵剂制备技术路线
• 4.2 乳液型聚丙烯酰胺调堵剂的制备
• 4.2.1 交联剂的合成
• 4.2.2 弱凝胶反应机理
• 4.2.3 调驱剂的制备
• 4.3 反相乳液调堵剂的性能评价
• 4.3.1 转相时间控制
• 4.3.2 浓度对粘度的影响
• 4.3.3 稳定性评价
• 4.3.4 适应性评价
• 4.4 调堵剂封堵性能实验研究
• 4.4.1 单管驱替模型封堵实验
• 4.4.2 双管驱替模型封堵实验
• 4.4.3 三管模型实验研究
• 4.4.4 参数优化实验
• 4.5 小结
• 第五章 反相乳液调堵剂现场应用
• 5.1 现场试验井区的选择
• 5.1.1 中二南N93-4 地质概况
• 5.1.2 试验区确定及层系重组
• 5.2 水驱数值模拟研究
• 5.2.1 数模软件的选取
• 5.2.2 模拟网络的划分
• 5.2.3 数值模型的建立
• 5.2.4 历史拟合
• 5.2.5 注水开发状况分析
• 5.3 聚合物驱及后续水驱阶段数值模拟研究
• 5.3.1 聚合物驱数值模型的建立
• 5.3.2 聚合物驱及后续水驱历史拟合
• 5.3.3 后水驱采收率预测及开发效果分析
• 5.4 调堵油藏适应性分析
• 5.4.1 油层渗透率非均质性
• 5.4.2 地层原油粘度
• 5.4.3 油层温度
• 5.4.4 地层水矿化度
• 5.4.5 地层pH 值
• 5.5 深部调堵方案优化设计及效果预测
• 5.5.1 注入参数优化设计及参数敏感性分析
• 5.5.2 效果分析及采收率预测
• 5.5.3 矿场实施方案
• 5.6 现场试验与效果
• 5.6.1 现场实施方案
• 5.6.2 水井注入特点
• 5.6.3 本井组油井见效特点
• 5.6.4 调堵剂油井堵水情况
• 5.7 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介