一種調(diào)驅(qū)用聚合物微球的制備與性能評價

蔡依娜，彭雪飛，靳亞軍，閆雨晴，肖灑

一種調(diào)驅(qū)用聚合物微球的制備與性能評價

蔡依娜1，2，彭雪飛1，2，靳亞軍1，2，閆雨晴1，2，肖灑1，2

（1. 中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459； 2. 天津市海洋石油難動用儲量開采企業(yè)重點實驗室，天津 300459）

儲層非均質(zhì)性與注水剖面不均勻性限制了油藏水驅(qū)后的采收率，聚合物微球具備尺寸可控、注入性能好、封堵效率高等優(yōu)點在油田調(diào)驅(qū)中取得了良好的應(yīng)用效果。以丙烯酰胺與甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為單體制備了PAD聚合物微球，通過紅外光譜與掃描電鏡表征了微觀結(jié)構(gòu)與表觀形態(tài)，研究了模擬地層環(huán)境下的調(diào)驅(qū)性能。實驗結(jié)果表明，采用反向乳液法制備的微球形狀均勻、尺寸均一、球形度好。模擬地層條件下，PAD聚合物微球在32 h后體積膨脹9倍，表現(xiàn)出良好的水化膨脹性能與耐溫耐鹽能力。調(diào)驅(qū)實驗證明PAD聚合物微球?qū)Ω咧械腿N滲透率巖心均有良好的封堵效果，具備良好的應(yīng)用潛能。

聚合物微球；調(diào)剖驅(qū)油；非均質(zhì)油藏；提高采收率

陸相沉積油藏一般非均質(zhì)性嚴重[1-2]，隨著水驅(qū)開發(fā)不斷加深，注水剖面不均勻性大幅增加，中、低滲儲層中大量原油難以波及而滯留在地層中，導(dǎo)致油井產(chǎn)量顯著降低，生產(chǎn)成本不斷提高[3-5]。聚合物微球調(diào)驅(qū)技術(shù)具備注入性能好、封堵能力強、工藝成熟度高等優(yōu)點已逐漸成為改善水驅(qū)油藏驅(qū)油效率的重要方法[6-8]。在調(diào)驅(qū)過程中聚合物微球溶液會優(yōu)先進入底層的高滲層，而聚合物微球溶液具有黏度高的特點，一般在孔隙結(jié)構(gòu)中存在聚合物滯留現(xiàn)象。由于滯留作用使得高滲層的滲流阻力增大，整體注入壓力升高，提高了中、低滲層的吸液壓差，使中、低滲層的吸液量和波及體積增大，達到提高采收率的目的[9-18]。

筆者通過反相乳液聚合法制備了丙烯酰胺與甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨聚合物微球，通過紅外吸收光譜與掃描電子顯微鏡對其結(jié)構(gòu)與形貌進行表征，并針對吸水膨脹性能與調(diào)驅(qū)性能展開研究，為調(diào)驅(qū)用聚合物微球設(shè)計提供新思路。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗儀器：NEXUS670型傅里葉紅外光譜儀（美國Nicolet公司）；SU3800型掃描電子顯微鏡（日本HITACHI公司）；ZP-54型光學(xué)顯微鏡（德國BRESSER公司）；巖心動態(tài)驅(qū)替試驗裝置（江蘇華安有限公司）等。

實驗試劑：丙烯酰胺（AM），分析純；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC），分析純；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，分析純；氫氧化鈉，分析純；乙二胺四乙酸二鈉，分析純；過硫酸銨，分析純；亞硫酸氫鈉，分析純；Tween80、Span80，分析純；白油，實驗室自制；人造巖心（尺寸為Φ25 mm×300 mm、滲透率分別為51.6×10-3μm2、202.4×10-3μm2、803.1×10-3μm2）；實驗用水為模擬地層水，總礦化度86 351 mg·L-1。

1.2 PAD聚合物微球反向乳液制備

①聚合物水相制備：稱取聚合物功能單體甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）溶于去離子水中，滴加適量NaOH調(diào)節(jié)溶液呈中性，加入聚合物結(jié)構(gòu)單體丙烯酰胺（AM）、交聯(lián)劑氮氮亞甲基雙丙烯酰胺和絡(luò)合劑乙二胺四乙酸二鈉，玻璃棒攪拌至完全溶解，得到聚合物水相溶液。

②聚合物油相制備：量取適量白油于燒杯，根據(jù)Span80與Tween80的HLB值調(diào)節(jié)加入配比，適當攪拌后呈均一穩(wěn)定油相溶液。

③PAD聚合物微球制備：先將油相溶液在低速（3 kr·min-1）攪拌5 min，緩慢加入配好的水相聚合物溶液，再高速（12 kr·min-1）剪切乳化5 min，置于四口燒瓶中，攪拌（300 r·min-1）下通氮氣排除瓶內(nèi)空氣，30 min后滴加引發(fā)劑過硫酸銨與亞硫酸氫鈉，水浴加熱（65 ℃）反應(yīng)至溶液呈白色均一乳液，將產(chǎn)物用大量乙醇溶液沖洗，采用丙酮固化，置于50 ℃真空烘干箱中烘干至恒重，PAD聚合物微球微球制備機理見圖1。

圖1 PAD聚合物微球微球的反應(yīng)機理示意圖

1.3 PAD聚合物微球紅外表征

取一藥匙制備的PAD聚合物微球微球樣品在紅外燈照射下研磨至細粒狀，加入干燥的KBr混合均勻繼續(xù)研磨成細粉裝填至模具中，采用油壓機（5～10 MPa）將樣品壓成透明薄片，置入NEXUS670傅里葉紅外光譜儀進行測試。

1.4 PAD聚合物微球微觀形貌表征

在樣品臺上鋪置薄層導(dǎo)電膠帶，取少量干燥PAD聚合物微球均勻撒到導(dǎo)電膠帶上，反轉(zhuǎn)樣品臺除去未與膠帶接觸的少量微球樣品，并用洗耳球除去膠帶表面粘結(jié)不牢的微球顆粒，之后在表面進行噴金制樣，利用日本HITACHI公司的SU3800型掃描電子顯微鏡觀察PAD聚合物微球微觀形貌。

1.5 PAD聚合物微球吸水膨脹性能研究

采用量體積法[9]對PAD聚合物吸水膨脹性能展開研究，取少量微球放入具塞量筒壓實，加入模擬地層水并蓋好瓶塞置于恒溫烘箱（65 ℃）中，觀察并記錄一段時間后微球體積變化，微球體積膨脹倍數(shù)公式如式（1）所示：

S=V/0。 （1）

式中：S—微球體積膨脹倍數(shù)；

V—單位時間后微球體積，mL；

0—微球初始體積，mL。

1.6 PAD聚合物微球調(diào)驅(qū)性能研究

實驗步驟：①將高中低滲巖心放置于恒溫烘箱（90 ℃）烘干；②取出巖心冷卻、抽真空、飽和模擬地層水；③設(shè)置流速為0.25 mL·min-1，采用模擬地層水驅(qū)巖心，記錄壓力平穩(wěn)時巖心兩段的壓力差1；④設(shè)置流速為0.15 mL·min-1，將PAD聚合物微球分別注入到三塊巖心中，再用模擬地層水驅(qū)至巖心中部，靜置48 h；⑤重復(fù)步驟③，記錄驅(qū)后壓力平穩(wěn)時巖心兩端壓力差為2，微球封堵率計算公式如下：

?=(2-1)/2。 （2）

式中：?—微球封堵率；

1—模擬地層水驅(qū)壓力，MPa；

2—注入微球后水驅(qū)壓力，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 PAD聚合物微球的紅外吸收光譜表征

PAD聚合物微球與反應(yīng)單體丙烯酰胺的紅外光譜如圖2所示，丙烯酰胺在1 684 cm-1處出現(xiàn)明顯的C=C雙鍵伸縮振動吸收峰，而經(jīng)過反相乳液聚合后得到的PAD聚合物微球卻未出現(xiàn)C=C雙鍵特征峰，表明兩種聚合物單體發(fā)生了很好的共聚反應(yīng)。而3 462 cm-1處出現(xiàn)酰胺基的N-H伸縮振動吸收峰，1 126 cm-1處出現(xiàn)季銨鹽中C-N的伸縮振動吸收峰，則證明制備的聚合物微球與預(yù)期分子結(jié)構(gòu)設(shè)計一致。

圖2 PAD聚合物微球與丙烯酰胺紅外吸收光譜對比

2.2 PAD聚合物微球的掃描電子顯微鏡表征

掃描電鏡下的PAD聚合物微球形狀均一，球形度良好，這是由于反相乳液聚合方法制備微球為表面光滑、圓整性好的單交聯(lián)結(jié)構(gòu)[10]。此外，微觀狀態(tài)下PAD聚合物微球粒徑在10～15μm左右，粒徑較小導(dǎo)致比表面積較大，多數(shù)微球易團簇式聚集。

圖3 PAD聚合物微球掃描電鏡圖

2.3 PAD聚合物微球的吸水膨脹性能研究

聚合物微球初始粒徑較小，在地層中表現(xiàn)出良好的注入能力與運移能力，而在水中達到一定時間后，微球會吸水體積膨脹具備良好的封堵性能與調(diào)驅(qū)能力[11]。在65 ℃下，采用量體積法測定不同時間PAD聚合物微球吸水膨脹性能，實驗結(jié)果如圖4所示。微球體積膨脹倍數(shù)隨浸入水中時間延長而變大，在32 h后微球吸水體積膨脹達到峰值，體積膨脹倍數(shù)最高可達9，在模擬地層環(huán)境中表現(xiàn)出良好的調(diào)驅(qū)應(yīng)用潛能。這是因為引入的功能單體DMC中的季銨鹽基團一方面具備良好的水溶性，另一方面可增強分子剛性提升微球耐溫抗鹽性能。

圖4 模擬地層情況下PAD聚合物微球吸水膨脹性能研究

2.4 PAD聚合物微球調(diào)驅(qū)性能研究

選用高、中、低滲三種巖心對PAD聚合物微球調(diào)驅(qū)性能展開研究，實驗結(jié)果如圖5所示。PAD聚合物微球?qū)θN巖心的封堵率均大于80%，當注入量為0.4 PV時對低滲巖心的封堵率達到了90%以上，隨著微球注入體積的增加封堵率呈上升趨勢，表明微球的注入有效封堵優(yōu)勢滲流孔道，有利于提升后續(xù)注入流體的波及體積，達到提高采收率等目的。

圖5 PAD聚合物微球調(diào)驅(qū)性能研究

3 結(jié) 論

1）以丙烯酰胺與甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為聚合物單體，通過反向乳液聚合法制備了PAD聚合物微球，該微球形狀均勻、尺寸均一、球形度好。

2）模擬地層條件下，PAD聚合物微球在32 h后體積膨脹9倍，表現(xiàn)出良好的水化膨脹性能與耐溫耐鹽能力。

3）微球調(diào)驅(qū)性能實驗中，PAD聚合物微球?qū)θN巖心封堵率均大于80%，有效提升了波及體積，體現(xiàn)出良好的封堵性能，具備較好的調(diào)驅(qū)能力。

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Preparation and Performance Evaluation of Polymer Microsphere for Profile Control and Flooding

1,2,1,2,1,2,1,2,1,2

（1. China Oilfield Services Limited, Tianjin 300459, China;2. Tianjin Key Laboratory of Offshore Oil Exploration Enterprises, Tianjin 300459, China）

Reservoir heterogeneity and non-uniformity of water injection profile limit the oil recovery after water flooding. Polymer microspheres have the advantages of controllable size, good injection performance and high plugging efficiency, and have achieved good application results in oil field profile control and flooding. PAD polymer microspheres were prepared using AM and DMC chloride as monomers, the microstructure and apparent morphology were characterized by infrared spectroscopy and scanning electron microscopy, and the modulation and driving performance in the simulated formation environment was studied. Experimental results showed that the microspheres prepared by reverse emulsion method had uniform shape, uniform size and good spherical shape. Under simulated formation conditions, PAD polymer microspheres expanded by 9 times after 32h, showing good hydration expansion performance,and temperature and salt resistance. Profile control and flooding experiments have proved that PAD polymer microspheres have good sealing effect on the cores of high, medium and low permeability, and have good application potential.

Polymer microsphere; Profile control and oil displacement; Heterogeneous reservoir; EOR

2021-12-28

蔡依娜（1987-），女，工程師，天津市人，2010年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：采油技術(shù)。

肖灑（1988-），男，工程師，碩士，研究方向：采油技術(shù)

TE357；TQ317

A

1004-0935（2022）06-0746-04