专利名称：一种用于油藏深部液流转向的冻胶分散体制备方法
技术领域：
本发明涉及一种冻胶分散体的制备方法，所制备的冻胶分散体用于油藏深部液流 转向，从而提高原油采收率。 技术背景
目前国内外的冻胶型深部液流转向剂主要包括以下几类本体冻胶(BulkGel)、 胶态分散冻胶(Colloidal Dispersion Gel，简称CDG)，水膨体(Preformed Particle Gel) 和微冻胶(Microgel)。本体冻胶和胶态分散冻胶的基本组分包括聚合物、交联剂以及 其他助剂。通常使用的实施工艺为将聚合物和交联剂注入地层，关井候凝，形成堵 塞物封堵地层孔隙空间以降低水相渗透率，最后开井生产(或恢复注水)。本体冻胶 的形成受多种因素影响，例如地面设备和近井地带渗流引起的剪切应力导致聚合物降 解，井筒周围地层的各种物理化学性质(如温度、pH值、矿化度等)，聚合物和交联 剂在近井地带的吸附作用，地层不均质性，以及由扩散引起的稀释作用等。所以注入 聚合物与交联剂地下成冻的工艺中冻胶的成冻时间、冻胶强度、冻胶进入地层的深度 很难预测，从而影响了处理工艺的有效性。
为了解决地下成冻工艺中成冻不可控制的情况，提出了用水膨体(预交联冻胶颗 粒)和微冻胶进行深部液流转向的方法。水膨体类颗粒主要由单体、交联剂、助剂及 强度控制剂(粘土)等，在一定条件下形成具有一定吸水膨胀性能的冻胶粘弹体，再 经干燥、粉碎、造粒、筛分等工序制成不同膨胀倍数、不同强度、不同粒径的系列固 体颗粒。水膨体颗粒的三维立体网络结构含有大量亲水基团，具有很好的吸水膨胀性 能。这种亲水特性使其在不同条件下能显著改变其体积大小，同时通过交联作用产生 的三维骨架结构使其具有一定的强度，能在地层中形成堵塞，使流体流向改变。同时 吸水膨胀后的粘弹体在外力作用下能发生形变，并且这种形变是可逆的，当外力减小 时形变在一定程度上能恢复。可充分利用这种"变形虫"特点使油藏局部压力场得以改 变，从而实现地层流体转向的目的。但受制备条件的限制，水膨体类堵剂的粒径通常 在l 5mm之间，吸水膨胀后粒径增大到10 100mm，并且大多数水膨体以破碎通过孔隙的方式通过地层，这种作用机理不能完全发挥预交联颗粒的作用，水膨体颗粒 的粒径不能适应深部注入的要求。
在90年代末期，Chauveteau等提出了剪切交联理论并通过该方法制备出不同的 微冻胶体系(microgel)，它具有封堵距离长、选择性强、对地层物理化学条件(温度、 压力、地层水矿化度)不敏感、稳定性好的特点，但是制备微冻胶使用的剪切交联设 备为同轴圆筒，该设备缺点是不适宜进行大规模的工业生产，敞口容器加热时液体易 挥发，只能用于实验室研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于油藏深部液流转向的冻胶分散体的制备方法，使 得所制备的冻胶分散体既不受成冻反应地层条件不可控制的影响，又不受生产规模限 制，能进入地层深部，有效改变地层流体的流动方向，进一步提高水驱和/或聚驱采 收率。
本发明实现其目的所采取的技术方案是采用管流剪切交联方法，即在聚合物与交 联剂形成冻胶的过程中对该成冻体系施加一定的剪切力，使成冻体系不形成整体冻胶 而形成冻胶分散体，按如下步骤实现
(1) 选取蠕动泵(BT—100B)作为剪切设备；
(2) 选取相对分子质量为4.0x106、水解度为12%的部分水解聚丙烯酰胺作为成 冻体现聚合物，选醋酸铬Cr(Ac)3为交联剂；
G)取质量比为部分水解聚丙烯酰胺醋酸铬=160 : 1 320 : l，搅拌均匀，配
制成管流交联体系；
(4) 调整蠕动泵的转速10 150rpm，将上述配制好的管流交联体系快速吸入蠕 动泵的硅胶软管中；
(5) 将软管的两端对接，置于30 4(TC恒温水浴中，恒速剪切180 300分钟至 完全反应。
(6) 将硅胶软管内的液体取出，加水稀释3 5倍体积，80 9(TC搅拌240 360 分钟，即得到需要的冻胶分散体。
本发明用蠕动泵作为剪切设备，将由部分水解聚丙烯酰胺与醋酸铬组成的成冻体 系吸入蠕动泵软管中，通过调整蠕动泵的转速以获得不同的剪切速率从而制备不同粒 径尺寸的冻胶分散体，能够注入到油藏深部，冻胶分散体微粒在孔道中吸附、滞留，能降低高渗透区域的渗透率，使后续注入液转向低渗透率区域，起到深部调剖的作用。
图1是流体在圆形管道中流动示意图。 图2是蠕动泵的原理示意图。
图3是醋酸铬冻胶成冻时间等值图(3(TC，图中数据点为成冻时间/h)。 图4是蠕动泵的转速和剪切速率的关系图。 图5是剪切速率对平均粒径的影响曲线。
图6是由400011^1/^ 八1^+ 25 mg丄"Cr(Ac)3形成的冻胶分散体的原子力显微镜 照片。
图7是由8000mg'L-1HPAM+ 25 mg'I/1 Cr(Ac)3形成的冻胶分散体的原子力显微镜 照片。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。 l.管流剪切交联的可行性分析
提出用液体在圆管中流动的方式代替在同轴圆筒中相对转动的流动方式，圆管中 的稳定流动也被成为Poiseuille流动。假定流动是稳定的层流，即流体内每个质点的 流动速度不随时间变化。这里采用柱坐标(r， & z)，如图1所示，定义z轴与圆管 的轴线一致，管径为i 。
流体仅沿z轴方向流动，V2是质点离圆管中心轴的径向距离r的函数，没有沿r 的径向和沿e周向的流动。写作
vz=vz(r) (1)
vr=ve=0 (2)
与圆管壁接触流体层是静止的，〃=/ 时有"=0。
可将圆管中的层流视为许多通过同心圆柱层的流动。假设圆管长/，半径为r的 柱体层流体，受到圆管两端的外加压差Ap，作用压力为Ap;rr2。此柱体表面的外层流 体对其粘性阻力，等于剪切应力k乘以柱体表面积27tr/。两者力平衡式为
<formula>formula see original document page 5</formula>可见，在管壁上的剪切应力TR为
<formula>formula see original document page 6</formula> (3)
在管中心轴上Trz二O，剪切应力k是r的线性函数。 对牛顿流体在圆管中层流展开，可获得速度分布方程，用关系式
<formula>formula see original document page 6</formula> (4)
积分，并带入边界条件Fi ， vz=0，有
<formula>formula see original document page 6</formula> (5)
圆管中流动的流速分布为二次曲线函数。而速度梯度即剪切速率是r的线性函数c 在圆管的轴心处vz具有最大值，剪切应力&=0，剪切速率y二0。而在管壁处相反， Vz=0，剪切应力和剪切速率具有最大值。
通过从r到r+dr的圆环柱体的体积流量为
<formula>formula see original document page 6</formula>
整个圆管截面的流量，可积分得
<formula>formula see original document page 6</formula> (6)
此式也称为Hagen-Poiseuille方程' 在r二i 管壁上，
<formula>formula see original document page 6</formula> (7)
<formula>formula see original document page 6</formula> (8)
对于幂律流体来说，若本构方程同式(2-22)，则速度分布方程为
<formula>formula see original document page 6</formula> (9)
体积流量方程为
<formula>formula see original document page 6</formula> (10)
平均剪切速率为通过以上分析可以知道，流体在圆管中流动时，管中心处的剪切速率为零，流体 流速最大，管壁处的剪切速率最大，流体流速为零。流体在圆管中流动时也存在剪切 应力和剪切速率，平均剪切速率可以通过式(11)求得。若用圆管流动的方式制备冻 胶分散体，则存在一个主要问题是圆管中心处剪切速率为零，这样会导致成冻体系中 的一部分产生整体冻胶，此种情况对实际应用会产生不利的影响。为了消除圆管流动 中管中心处剪切速率为零的不利影响，必须采取一定的措施，将圆管缠绕在直径为 2.5cm的圆柱体上，这样流动方式就发生了改变，流动方式由沿轴向的流动改为存在 一定角度的沿轴向的流动，这种流动方式会降低圆管流动中管中心处剪切速率为零的 影响。
本发明使用蠕动泵(BT-100B)作为剪切设备，使流体在蠕动泵软管(直径为3 mm) 中流动，借助此管流所产生的剪切作用制备微冻胶分散体。图2为蠕动泵的结构示意 图，通过泵轴102带动滚轮101转动，由此产生了对软管103的旋转啮合作用，挤压 软管产生一定的压差，带动管中流体的流动。 2.冻胶分散体成冻体系确定
首先通过对成冻体系的静态成冻评价得到了适宜制备冻胶分散体系的成冻体系， 成冻体系主要由聚合物和交联剂组成。油田常用的水溶性聚合物是部分水解聚丙烯酰 胺(HPAM)，交联剂是铬离子交联剂。
管流剪切交联方法制备冻胶分散体的工艺中对配方体系有以下两点基本要求
(1) 成冻时间在0.5 4小时之间，成冻时间太短或太长对剪切交联工艺都是不 利的，成冻时间太短的话，成冻体系在没有全部进入剪切设备之前就成冻形成整体冻 胶；成冻时间太长的话，可能导致聚合物降解，且耗能耗时。
(2) 交联反应温度低，低交联反应温度有利于大规模制备，且节省能源。 经过筛选，管流剪切交联方法制备冻胶分散体的成冻体系聚合物为相对分子质量
为4.0xl06，水解度为12。/。的HPAM，交联剂为Cr(Ac)3，成冻体系静态成冻等值图如 图3所示。随着聚合物和交联剂质量浓度的增加，体系交联时间逐渐减小，成冻体系 的成冻时间为0.5 2小时。
实施例1:在100mL烧杯中配制质量浓度为8000mg丄"的HPAM和25 mg丄—1的Cr(Ac)3的管流剪切交联体系，根据剪切速率的要求，调整蠕动泵的转速为10rpm，将 配制好的管流剪切交联体系快速吸入硅胶软管中，将软管两端对接，置于3(TC恒温水 浴中，恒速剪切4小时至结束。将硅胶软管内的液体取出，稀释3倍，9(TC搅拌4小 时，得到需要的冻胶分散体。
同理，由低到高调整蠕动泵的转速为30、 50、 80、 100、 150rpm，按照实施例1 的方法依次得到相应的冻胶分散体。用Malvern Zetasizer 3000 HSa动态光散射仪测定 冻胶分散体的流体力学直径A测定结果如图4所示，冻胶分散体的平均粒径随剪切 速率的-0.1126次方变化。
图5是剪切速率对平均粒径的影响曲线，从图5中可以看出，对同一交联体系， 随着剪切速率的增加，平均粒径变小。剪切速率越大，硅胶管中管流剪切成东体系在 轴向所受应力越大，交联的颗粒越容易受力破碎。
实施例2:分别在100mL烧杯中配制质量浓度为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的两种管流剪切交联体系， 根据剪切速率的要求，调整蠕动泵的转速为40rpm (即176s—1)，将配制好的管流交联 体系分别快速吸入硅胶软管中。将软管两端对接，置于3(TC恒温水浴中，恒速剪切4 小时至结束。将硅胶软管内的液体取出，加水稀释3倍，9(TC搅拌4小时，得到两种 需要的冻胶分散体。用原子力显微镜测定两种冻胶分散体的微观形貌，如图6、图7 所示。从图6中可以看出，冻胶分散体在溶液中的形状主要以柱状或条状形式存在， 根据统计结果，冻胶分散体的长轴约1.3pm，短轴约0.6pm，长短轴比为2 : 1左右。 在管流剪切交联过程中，聚合物溶液沿一定的方向流动，垂直于流向上存在剪切作用， 在这个过程中只要形成冻胶的变形性不足以克服剪切力，就会被剪切成小冻胶，并且 聚合物沿流向的交联能力大于垂直于流向的交联能力，因此会交联生成条柱状的冻 胶。从图7中可以看到，照片中存在孤立的微冻胶颗粒和微冻胶颗粒的聚集体，根据 统计结果，微冻胶的长轴约2.3nm，短轴约0.8nm，长短轴比为3 : 1左右。颗粒粒径 明显增大。聚合物质量浓度增大导致体系中可交联的聚合物增多，交联更强烈，因此 相同的剪切力条件下的粒径更大。
依照本发明所提供的制备方法，可以通过调整剪切速率大小来控制冻胶分散体粒 径的大小。该冻胶分散体能够注入到油藏深部，冻胶分散体微粒在孔道中的吸附、滞 留，能降低高渗透区域的渗透率，使后续注入液转向低渗透率区域，起到深部调剖的作用。具有粘度低、流动性好、稳定性好，有效期长等特点，且对剪切和储层物理化 学条件不敏感，尺寸可控，可以针对不同地层设计冻胶分散体直径，防止堵塞地层渗 滤面。直径较小时可以保证地层深部处理的需要，较大时可以大大降低水相渗透率， 而对油相渗透率影响较小；在油相流动时足够"软"，可以被油水界面挤压到孔壁上， 对油相流动阻力小，粘附能力强，稳定性好，无毒，环境友好。
权利要求
1. 一种用于油藏深部液流转向的冻胶分散体制备方法，采用管流剪切交联方法，即在聚合物与交联剂形成冻胶的过程中对该成冻体系施加剪切力，使成冻体系不形成整体冻胶而形成冻胶分散体，其特征是按如下步骤实现①选取蠕动泵作为剪切设备；②选取相对分子质量为4.0×106、水解度为12％的部分水解聚丙烯酰胺作为成冻体聚合物，选醋酸铬Cr(Ac)3为交联剂；③取质量比为部分水解聚丙烯酰胺∶醋酸铬＝160∶1～320∶1，搅拌均匀，配制成管流交联体系；④调整蠕动泵的转速10～150rpm，将上述配制好的管流交联体系快速吸入蠕动泵的硅胶软管中；⑤将软管的两端对接，置于30～40℃恒温水浴中，恒速剪切180～300分钟至完全反应；⑥将硅胶软管内的液体取出，加水稀释3～5倍体积，80～90℃搅拌240～360分钟，即得到需要的冻胶分散体。
全文摘要
本发明提出一种冻胶分散体深部液流转向剂的制备方法，具体是在部分水解聚丙烯酰胺与醋酸铬混合形成冻胶的过程中用蠕动泵对该成冻体系施加一定的剪切力，使成冻体系不形成整体冻胶而形成冻胶分散体。采用该方法制备的冻胶分散体是由冻胶微粒和水组成，可以通过调整剪切速率大小控制冻胶分散体粒径的大小。该冻胶分散体能够注入到油藏深部，冻胶分散体微粒在孔道中的吸附、滞留，能降低高渗透区域的渗透率，使后续注入液转向低渗透率区域，起到深部调剖的作用。具有粘度低、流动性好、稳定性好，有效期长等特点，且对剪切和储层物理化学条件不敏感，尺寸可控，可以针对不同地层设计冻胶分散体直径，防止堵塞地层渗滤面。
文档编号C09K8/60GK101434835SQ20081023768
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月3日 优先权日2008年12月3日
发明者于海洋, 龙 何, 向问陶, 薇 周, 亚 崔, 光 杨, 王业飞, 庆 由, 赵福麟, 凯 陈 申请人:中国石油大学(华东)