改性聚丙烯酰胺纳米微球的合成及其在调剖堵水上的现状研究-辽宁化工2022年06期

摘      要：油藏特征在长期水驱开发进程中不断发生变化，使得现有的调剖剂难以满足油田开发的现场施工要求，给调剖堵水技术带来了巨大的挑战。对改性聚丙烯酰胺纳米微球的合成工艺进行了探讨，并在此基础上探究该种纳米微球进行调剖堵水的原理，总结出几种能够提升现场施工水平的调剖堵水方法，为相关研究学者提供科学的参考与借鉴。

关  键  词：聚丙烯酰胺;纳米微球;调剖堵水;合成工艺

中图分类号：TE358.3     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）06-0740-03

注水开采方式广泛应用于油田开发中，使得老油井储层孔渗性进一步变差，地层非均质性更高，进而造成开采压力无法满足实际需求^[1-3]。基于人们对油藏地层结构的充分研究认识，采用现代高分子材料合成方法制得的相应聚合物微球也逐渐成为了一种新型的调剖堵水剂^[4]。改性聚丙烯酰胺纳米微球是一类用途广泛的吸水性树脂，能够有效解决相关问题，实现低渗油田采收率的提升。它主要被应用在非均质性强、高含水、大孔道发育的油田深部调剖堵水^[5-9]。它综合了聚合物微球和表面活性剂的双重优势，聚合物微球在地层水或者注入流体中吸水膨胀，可封堵裂缝等大孔道，调整吸水剖面，改变液体流动方向，提高波及效率，且后续表面活性剂能够降低残余油饱和度，达到提高原油采收率的目的^[10-11]。因此，对改性聚丙烯酰胺纳米微球的合成工艺与应用方法进行深入探究，对促进原油开采事业的发展具有十分重要的现实意义。

1  改性聚丙烯酰胺纳米微球的合成

1.1  实验试剂与仪器

试剂包括丙烯酰胺（分析纯）、丙烯酸、单油酸酯、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、山梨醇单油酸酯、白油、过硫酸铵、对苯二酚（分析纯）、亚硫酸氢钠    等^[12]。仪器包括激光衍射分析仪、傅里叶红外光谱仪、动态流变仪、电子天平、恒温水浴锅等。

1.2  制备过程

1.2.1  实验步骤

油相的配制：在白油中融入一定比例的山梨醇单油酸酯与单油酸酯，以此制成改性聚丙烯酰胺纳米微球的油相。

水相的配制：在水中溶解一定量的丙烯酰胺，并加入N，N-亚甲基双丙烯酰胺交联剂与EDTA螯合剂，在使用NaOH调节水溶液pH值后加入过硫酸铵。

将水相加入到装有油相的三口烧瓶中，在使用仪器搅拌过程中缓缓通入氮气，以此实现驱除油水混合相中氧气的目的。在通氮30 min后将亚硫酸氢钠加入到微乳液中，并持续进行通氮操作，直到聚合反应完成后停止通入氮气，最终得到制备聚合物纳米微球的乳液。该乳液呈现透明的黄色，后经过反相处理便可得到改性聚丙烯酰胺纳米微球^[13]。反相乳液聚合法能够在一定程度上提升聚合反应的速率，并得到相对分子质量高、粒径均匀的微球产品，且与其他方法相比，具有较高的转化率，副反应的发生几率也相对较低，极大地满足制备调剖堵水剂的需求。

1.2.2  测定乳液转化率

首先，使用无水乙醇分3次洗涤聚转相乳液，以此除去无用的乳化剂;其次，使用配套仪器对乳液进行抽滤处理，为下一步实验奠定良好的基础;最后，将经过以上两步的乳液置于60 ℃的烘干箱中，以此将乳液烘干成粉末，制成所需的聚丙烯酰胺纳米微球粉末产品。将转化后乳液质量记为M₁，烘干处理后的粉末质量记为M₂，则转化率Q为：

Q=M₂/M₁x100% （1）

通过公式（1）可以计算出聚合物乳液转化率，为后续分析改性聚丙烯酰胺纳米微球的合成结果做好铺垫^[14]。

1.2.3  测定乳液的中值粒径

一般情况下，在激光粒度分析仪下能够观察到经过反相乳液法制得的聚丙烯酰胺纳米微球。首先，将烧杯作为容器，称取0.5 g的乳液;其次，将    100 mL的白油加入到装有微球乳液的烧杯;最后，使用配套仪器搅拌乳液与白油的混合液体，通常在搅拌15 min后进行10 min的超声处理，此时要保证进行测试的速度，避免乳液发生膨胀，影响测试   结果。

1.3  测试结果与表征

1.3.1  红外光谱表征

红外光谱表征是测试微球结构的主要方法之一，首先，在研钵中研磨选取的改性聚丙烯酰胺纳米微球粉末与溴化钾固体;其次，将研细的混合粉末进行压片处理;最后，测试得到的混合粉末压片，使用红外光谱仪对其薄片进行扫描，最终得到的扫描范围为4 000～600 cm^-1，为进一步分析微球调剖堵水性能做好铺垫。

1.3.2  扫描电镜表征

扫描电镜主要是用来观察改性聚丙烯酰胺纳米微球的形貌。首先，将得到的粉末作为扫描电镜的样品，将其置于导电胶上;其次，对导电胶上的样品进行喷金处理，为下一步扫描做好表面处理工作;最后，将进行喷金处理后的样品送入进样系统中，并使用扫描电镜观察改性聚丙烯酰胺纳米微球^[15]。

1.3.3  测试结果分析

改性聚丙烯酰胺纳米微球经过一系列的表征后，能够得到分析所用的结果。根据相关研究可知，微球的水化时间、水化温度、矿化度以及电解质是影响调剖堵水剂的主要因素。因此，在制备改性聚丙烯酰胺纳米微球时，要综合分析各种可能影响调剖堵水剂性能的因素，从而为油藏开发提供有力的技术支持^[16]。

2  调剖堵水中改性聚丙烯酰胺纳米微球的应用

2.1  微球调剖堵水原理

改性聚丙烯酰胺纳米微球调剖堵水剂的原理是：因其粒径比地层孔隙小得多，达到的地层深度也相对较深，微球在吸水后会发生膨胀，当体积达到一定程度后就会堵塞住地层孔隙，并在压力作用下能够发生移动，从而实现堵塞地层更深处孔喉的目的，实现油藏开采渗透压的提升^[17]。

2.2  微球调剖堵水方法

2.2.1  分散聚合

分散聚合属于沉淀聚合，是制备改性聚丙烯酰胺纳米微球调剖堵水剂的重要方法之一。当生成的聚合物链到达一定长度后，就会出现难溶于分散介质的现象，生成的粒子在吸附作用下，聚集在稳定剂表面，在分散剂中分散开来，直到分散聚合反应停止，最终能够得到制备调剖剂所用的体系。因此，应选择与聚合物溶解度相近的溶剂才不会对产物的粒径造成较大程度的影响。

2.2.2  反相乳液聚合

反相乳液聚合最终得到的乳液处于一种油包水的状态，极大地满足了现阶段制备聚合物微球的需求。一般情况下，反相乳液聚合体系中的一部分乳化剂分子会在一定条件下聚集成胶束，另一部分会聚集在乳液的表面，其形成的带电保护层能够有效避免传统乳液聚合体系黏连的问题，为提升油藏开发调剖堵水剂性能奠定了坚实基础^[18]tUmPG6ml+Yw/OwLYuYxvjA==。

2.2.3  反相悬浮聚合

反相悬浮聚合法制备出的微球粒径一般在0.1～1 000 μm之间，有效扩大了实验可控的微球粒径范围。将丙烯酰胺、N， N-亚甲基双丙烯酰胺、失水山梨醇单油酸酯按照一定比例加入到环己烷中，能够制出纳米级的聚丙烯酰胺微球，且得到的反应单体一般不溶于水，需要借助外力防止乳液      滴聚^[19]。

2.2.4  反相微乳液聚合

反相微乳液聚合指的是，油相微粒在乳化剂的作用下均匀地分散在介质中，最终得到纳米级产物的聚合反应。油相分散介质、水相反应单体、表面活性剂等是进行反相微乳液聚合最主要的成分。相关研究表明要想得到10纳米级的产物，就要保证油相成核粒子在一定条件下能够为反相乳液聚合反应提供动力，确保调剖堵水剂的高效性^[20]。

3  结束语

综上所述，现阶段油田开发已经进入到了高含水开发时期，不断变化的油藏特征对调剖堵水技术提出了更高的要求。因此，相关研究人员要牢牢掌握改性聚丙烯酰胺纳米微球的应用原理，对其制备过程以及测试结果的表征方法进行深入探究，以此满足油藏开发对调剖堵水技术的需求，保障采收率的提升。

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Synthesis of Modified Polycrylamide Nanospheres and

Its Application in Profile Control and Water Shutoff

LUO Wei YANG Hong-li

ec53e9f9965615a9f9a720edceb7815de1e2cfe3a534f0bb731d52415eb77aa9（1. Xi'an Vocational and Technical College， Xi’an Shaanxi 710077， China;

2.Yan’an Vocational & Technical College， Yan’an Shaanxi 716000， China）

Abstract：  Reservoir characteristics are constantly changing in the process of long-term water bc6af889689460cf930eef1239fba12832248cc758e2923f071b88b2447beee4drive development， which makes the existing profile control agents difficult to meet the field operation requirements of oilfield development， to bring great challenges to the profile control and water shutoff technology. In this paper， the synthesis process of modified polyacrylamide nanospheres was discussed， and on this basis， the principle of profile control and water plugging of this kind of nano microspheres was explored， and several profile control and water plugging methods that can improve the field construction level were summarized. The paper can provide scientific reference for related researchers.

Key words： Polyacrylamide; Nanospheres; Profile control and water shutoff; Synthesis technology