黏彈性納米微球調(diào)驅(qū)劑的制備及其性能評(píng)價(jià)

郭 錕,何 誠(chéng),于新亮,劉 康,王莉婷,楊思玉

(1.西安和泰化工有限公司,陜西 西安 710021;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田第六采油廠,陜西 榆林 718615)

低滲透微裂縫發(fā)育油藏在長(zhǎng)慶油田分布廣泛。該類(lèi)油藏開(kāi)發(fā)與普通低滲透油藏有很大不同,裂縫是主要的滲流通道。在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,由于裂縫的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基質(zhì)滲透率,注入水很容易沿裂縫竄進(jìn),使沿裂縫方向上的油井遭到暴性水淹。同時(shí)參與滲流的主要裂縫全部或大部分被水充滿(mǎn),而次生裂縫和基質(zhì)系統(tǒng)仍為高含油飽和度區(qū),導(dǎo)致注水開(kāi)發(fā)效果差,油藏水驅(qū)采收率低,因此如何實(shí)現(xiàn)低滲透裂縫油藏的控水穩(wěn)油是目前該類(lèi)油藏開(kāi)發(fā)面臨的重點(diǎn)[1-3]。在改善水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果的各類(lèi)工藝措施中,深部調(diào)驅(qū)是一項(xiàng)有效方法,而調(diào)驅(qū)劑是堵水調(diào)剖技術(shù)成功的關(guān)鍵[4-9]。劉宗寶[10]采用反相乳液聚合工藝制備納米級(jí)聚丙烯酰胺微球,發(fā)現(xiàn)初始粒徑0.3～3 μm的微球雖然具備了良好的封堵能力,但對(duì)于高礦化度超低滲儲(chǔ)層余油的開(kāi)采存在受限。鞠野等[11]采用反相乳液聚合工藝合成的納米微球HP-2,平均粒徑407.2 nm。水驅(qū)采收率提高17.3%,但對(duì)于高溫高礦化度油藏條件下非均質(zhì)超低滲儲(chǔ)層的使用也同樣存在一定的局限性。聚合物納米材料具有尺寸小、粒徑大小可控、吸水易膨脹、強(qiáng)度好等特點(diǎn),容易運(yùn)移到地層深處達(dá)到封堵孔喉的目的[11-15],在非均質(zhì)超低滲儲(chǔ)層封堵方面有著重要的研究前景[16-17]。

筆者采用單體丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)及功能性單體,利用反相乳液聚合工藝合成黏彈性納米微球AWM,對(duì)其微觀結(jié)構(gòu),膨脹性能、黏彈性性能、耐剪切性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),并借助巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了該調(diào)驅(qū)劑在非均質(zhì)巖心中的調(diào)驅(qū)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

AM、AMPS,工業(yè)品,天津中信凱泰化工有限公司;MBA,工業(yè)級(jí),鄭州市中原區(qū)源豐化工產(chǎn)品商行;3#白油,工業(yè)品,山東齊勝工貿(mào)股份有限公司;C18疏水單體,實(shí)驗(yàn)室自制;Span-20、Tween-40,工業(yè)品,江蘇省海安石油化工廠;過(guò)硫酸鉀(KPS)、亞硫酸氫鈉、無(wú)水乙醇、丙酮、氯化鎂、氯化鈣、氯化鉀、氯化鈉,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;偶氮二異丁氰(AIBN),分析純,天津市外環(huán)化工試劑有限公司。

地層模擬鹽水(g/L):NaCl,58.5;CaCl2,4.5;MgCl2,5.5;KCl,20。

HAAKE PolyLab QC(Mars)流變儀,廣東晟澤科技有限公司;JSM-IT200 Sem掃描電鏡,AIM-8800傅里葉紅外光譜儀,惠州市華高儀器設(shè)備有限公司;DZ-TGA103熱重分析儀,南京大展檢測(cè)儀器有限公司;惠州市華高儀器設(shè)備有限公司;高壓高溫多功能巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置,海安縣石油科研儀器有限公司;Winner3003干法激光粒度儀,濟(jì)南微納顆粒儀器股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 黏彈性納米微球(AWM)的制備

油相的配制:在燒杯中,稱(chēng)取7 g Span-20、2 g Tween-40、0.02 g AIBN溶于51 g 3#白油中。

水相配制:稱(chēng)取12 g AM、0.2 g MBA、3 g AMPS、0.3 g C18溶于28 g蒸餾水中,待AM完全溶解后,用10%NaOH溶液調(diào)節(jié)水相pH值為7.0,加入0.1 g過(guò)硫酸鉀。

將上述所配制的水相、油相轉(zhuǎn)移到250 mL三口燒瓶中,并將三口燒瓶置于25 ℃水浴鍋中,攪拌速率為300 r/min條件下,進(jìn)行乳化,同時(shí)通入氮?dú)獬?0 min。

一次性補(bǔ)加0.05 g亞硫酸氫鈉引發(fā)聚合,同時(shí)升溫至55 ℃,在氮?dú)鈿夥障路磻?yīng)4 h,降溫1 h,制得AWM乳液。下層液用無(wú)水乙醇洗劑3次進(jìn)行破乳,再用丙酮洗劑兩次,抽濾,烘干,研磨得AWM粉末。AWM結(jié)構(gòu)式如下:

1.2.2 紅外結(jié)構(gòu)表征

采用溴化鉀壓片法進(jìn)行紅外結(jié)構(gòu)表征。

1.2.3 掃描電鏡測(cè)試

用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察AMW微觀形貌,將制備的微乳液利用液氮快速冷凍及真空冷凍的制樣方法制取微球試樣。

1.2.4 熱穩(wěn)定性測(cè)試

使用熱重分析儀測(cè)試AMW的耐熱性。實(shí)驗(yàn)條件:氮?dú)猸h(huán)境,升溫速率為10 ℃/min,升溫區(qū)間為20～600 ℃。

1.2.5 激光粒度儀表征

配制質(zhì)量濃度為5%的AWM乳液,以3#白油為溶劑,在機(jī)械攪拌速率為1 000 r/min攪拌10 min后,再超聲30 min,使得納米微球均勻的分散于白油中即制得測(cè)試試樣。采用納米激光粒度儀測(cè)定分布。

1.2.6 性能測(cè)試方法

1)膨脹性能測(cè)試。用蒸餾水配制質(zhì)量濃度為0.3%的溶液,用激光粒度儀進(jìn)行不同時(shí)間膨脹倍率和膨脹速率的測(cè)試。

2)黏彈性能測(cè)試。用地層模擬標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制為0.1%質(zhì)量濃度AWM溶液,待微球溶液膨脹48 h后,經(jīng)抽濾得到吸水膨脹后的微球顆粒。利用流變儀對(duì)AWM乳液進(jìn)行黏彈性測(cè)試。測(cè)試條件:振蕩頻率為0～100 Hz的條件下,得到儲(chǔ)能模量G′和耗能模量G″。

3)耐剪切性能測(cè)試。用地層模擬標(biāo)準(zhǔn)鹽水配制不同粒徑的10%AWM微球溶液,待微球吸水膨脹48 h后,經(jīng)抽濾得到吸水膨脹后的微球顆粒,測(cè)試條件:溫度為80 ℃,剪切速率為170 s-1。利用流變儀測(cè)試不同時(shí)間下溶液的表觀黏度。

4)封堵性能測(cè)試。將巖心烘干后,用夾持器加緊巖心,將蒸餾水注入巖心,調(diào)節(jié)流量為0.1 mL/min,環(huán)壓高于入口壓力2 MPa,待入口壓力與出口壓力穩(wěn)定時(shí)記錄初始滲透率K1;再注入100 mL質(zhì)量濃度為0.5%的AWM微球乳液,待壓力與滲透率穩(wěn)定,再次注入蒸餾水,待壓力穩(wěn)定時(shí)記錄滲透率K2。采用公式(1)計(jì)算封堵率D。

D=(1-K2/K1)×100%

(1)

5)調(diào)驅(qū)性能測(cè)試。稱(chēng)量烘干的非均質(zhì)巖心質(zhì)量,對(duì)其抽真空后,使用原油進(jìn)行巖心飽和10 h后。再次稱(chēng)量非均質(zhì)巖心質(zhì)量,在80 ℃將非均質(zhì)飽和巖心置于巖心夾持器中,環(huán)壓高于入口壓力2 MPa,使用蒸餾水進(jìn)行一次驅(qū)替,注入速度為0.1 mL/min,至出口含水率達(dá)98%以上,計(jì)算一次驅(qū)油效率;再注入100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%納米微球溶液進(jìn)行巖心封堵,進(jìn)行二次驅(qū)油,至出口含水率達(dá)98%以上,計(jì)算最終驅(qū)油效率。

2 結(jié)論與討論

2.1 紅外表征

圖1 AWM的紅外光譜

2.2 熱重分析

圖2為AWM的熱重曲線(xiàn)。由圖2可以看出,隨著測(cè)試溫度升高,黏彈性納米微球失重主要分為3個(gè)階段,當(dāng)溫度升至210 ℃,為體系失重為第一個(gè)階段,失重率為7.2%,此過(guò)程為體系中游離自由水與高溫條件下酰胺基部分分解導(dǎo)致質(zhì)量損失;當(dāng)溫度升至273.78 ℃,進(jìn)入失重的第二階段,失重率為10.15%,該階段聚合物側(cè)鏈上的交聯(lián)基團(tuán)開(kāi)始斷裂分解,轉(zhuǎn)變?yōu)榘睔馀c水脫離體系;當(dāng)溫度繼續(xù)升高,升至540.34 ℃過(guò)程中,體系有機(jī)質(zhì)開(kāi)始分解,失重速率增加,該階段完全破壞掉納米微球的原始結(jié)構(gòu),微球逐步碳化。可見(jiàn),黏彈性納米微球具有較好的耐熱性。

圖2 AWM的熱重曲線(xiàn)

2.3 粒徑分布

圖3為AWM粒徑分布。由圖3看出,納米微球粒徑在20～110 nm呈正態(tài)分布,平均粒徑為56.69 nm。通過(guò)掃描電鏡觀察微球形狀,形成均一球形結(jié)構(gòu)。由于黏彈性納米微球采用反相微乳液聚合而成,乳化劑將油水均一乳化,形成微液滴“反應(yīng)釜”,由于體系乳化劑的HLB值一定,因此乳化的每一個(gè)微型“反應(yīng)釜”粒徑基本一致,聚合物在微型“反應(yīng)釜”內(nèi)反應(yīng)成球,因此最終產(chǎn)物為粒徑均一的納米級(jí)微球。

圖3 AWM粒徑分布

2.4 AWM性能

2.4.1 膨脹性能

圖4為AWM的膨脹倍數(shù)與時(shí)間關(guān)系。將黏彈性納米微球分別分散到清水與礦化水中,隨著時(shí)間延長(zhǎng),微球的粒徑逐漸增加。因此微球的膨脹倍率逐漸增加,在清水條件下,微球初期吸水速率較快,因此膨脹速率也較快,由于體系水分子與聚合物分子之間可形成氫鍵作用,將水分子固定在微球體系內(nèi),粒徑變大,隨著時(shí)間延長(zhǎng),體系隨之趨于飽和穩(wěn)定,膨脹速率逐漸減小;在鹽水中,AWM膨脹速率低于在清水條件下的膨脹倍率,鹽的離子靜電作用會(huì)抑制水分子向微球內(nèi)部擴(kuò)散,但是由于微球聚合時(shí)引入抗鹽的磺酸基團(tuán),隨著時(shí)間延長(zhǎng),磺酸基團(tuán)會(huì)與離子電荷發(fā)生螯合作用,減弱離子對(duì)微球膨脹的負(fù)面作用,因此,在礦化水條件下,最終微球的膨脹倍數(shù)與清水膨脹倍數(shù)相差不大,具有很好的抗鹽性能。

圖4 AWM微球膨脹倍數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

2.4.2 黏彈性能

圖5為AWM的黏彈性曲線(xiàn)。由圖5可以看出,隨著掃描頻率的增加,納米微球的黏彈性隨之增加,剪切應(yīng)力增加,微球抵抗剪切外力的能力增加,因此微球表現(xiàn)出較好的黏彈性,在實(shí)際工程應(yīng)用中,納米微球需要具有較好黏彈性,來(lái)抵抗地層孔喉剪切,微球才能更好地運(yùn)移至地層深部,進(jìn)行深部注水調(diào)驅(qū)。

圖5 AWM的黏彈性

2.4.3 耐剪切性能

圖6為黏彈性納米微球耐剪切性能。

圖6 AWM溶液在不同溶液下黏度與隨剪切時(shí)間的關(guān)系

由圖6可見(jiàn),在清水條件下,黏彈性微球體系初始黏度為71.351 08 mPa·s,經(jīng)過(guò)1 h剪切后,最終黏度為60.517 69 mPa·s,黏度保留率為84.8%,在礦化水條件下,初始黏度為71.296 8 mPa·s,剪切1 h后最終黏度為37.588 07 mPa·s,黏度保留率為52.72%,在清水條件下,黏彈性納米微球具有較好的抗剪切能力,但在礦化水條件下,黏度損失率大于清水,由于鹽的離子電荷作用使得微球的脆性增加,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間剪切后,納米微球的球形結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致黏度降低,在一定條件下,黏彈性納米微球具有較好的耐剪切能力。

2.4.4 封堵性能

圖7為使用黏彈性納米微球?qū)r心柱進(jìn)行封堵性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。初次注入蒸餾水測(cè)試巖心柱的初始滲透率為0.953 49 mD,再注5%黏彈性微球,滲透率逐步下降,最終滲透率為0.034 81 mD,再次使用蒸餾水測(cè)試巖心柱的滲透率為0.020 66 mD,封堵率為96.3%。黏彈性納米微球可對(duì)較短的巖心柱的較大孔隙實(shí)現(xiàn)有效的全封堵,實(shí)現(xiàn)有效調(diào)驅(qū)。

圖7 注入AWM巖心封堵曲線(xiàn)

2.4.5 封堵驅(qū)油性能測(cè)試

圖8為AWM封堵驅(qū)油性能由圖8可見(jiàn),一次水驅(qū)的驅(qū)油效率為18.2%,注入黏彈性納米微球后進(jìn)行二次水驅(qū),驅(qū)油效率為43.3%,提高了25.1%,黏彈性納米微球進(jìn)入巖心孔隙,在大孔隙形成滯留帶,使后期水驅(qū)阻力增大,驅(qū)動(dòng)壓力迫使流體發(fā)生轉(zhuǎn)向,進(jìn)入巖心微孔隙,擴(kuò)大波及面積,提高剩余油的采收效率。

圖8 AWM乳液封堵驅(qū)油性能

3 結(jié) 論

a.以AM、AMPS、MBA、C18為單體,采用反相乳液聚合制備了粒徑在20～110 nm呈正態(tài)分布、平均粒徑為56.69 nm的AWM乳液,該黏彈性納米微球具有較好的耐熱性。

b.微球的膨脹倍數(shù)與清水膨脹倍數(shù)相差不大,具有很好的抗鹽性能;耗出G″大于G′,AWM微球表現(xiàn)出了較好的黏彈性;AWM在清水中黏度保持率達(dá)到了84.4%,鹽水中黏度保持率達(dá)到了52.72%,在一定條件下,黏彈性納米微球具有較好的耐剪切能力。主要是由于疏水單體C18的引入使得聚合物從分子鏈的纏繞變成了締合增黏,以便于來(lái)抵抗地層孔喉剪切,使得微球才能更好地運(yùn)移至地層深部,進(jìn)行深部封堵。

c.調(diào)驅(qū)實(shí)驗(yàn)表明:5%的AWM封堵率為96.3%,驅(qū)油采收率從18.2%變?yōu)?3.4%,提高了25.1%。采收效果明顯,因此AWM乳液具有更大的應(yīng)用前景。