一种调驱用聚合物微球的制备与性能评价-辽宁化工2022年06期

摘      要： 储层非均质性与注水剖面不均匀性限制了油藏水驱后的采收率，聚合物微球具备尺寸可控、注入性能好、封堵效率高等优点在油田调驱中取得了良好的应用效果。以丙烯酰胺与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为单体制备了PAD聚合物微球，通过红外光谱与扫描电镜表征了微观结构与表观形态，研究了模拟地层环境下的调驱性能。实验结果表明，采用反向乳液法制备的微球形状均匀、尺寸均一、球形度好。模拟地层条件下，PAD聚合物微球在32 h后体积膨胀9倍，表现出良好的水化膨胀性能与耐温耐盐能力。调驱实验证明PAD聚合物微球对高中低三种渗透率岩心均有良好的封堵效果，具备良好的应用潜能。

关  键  词：聚合物微球;调剖驱油;非均质油藏;提高采收率

中图分类号：TE357;TQ317     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）06-0746-04

陆相沉积油藏一般非均质性严重^[1-2]，随着水驱开发不断加深，注水剖面不均匀性大幅增加，中、低渗储层中大量原油难以波及而滞留在地层中，导致油井产量显著降低，生产成本不断提高^[3-5]。聚合物微球调驱技术具备注入性能好、封堵能力强、工艺成熟度高等优点已逐渐成为改善水驱油藏驱油效率的重要方法^[6-8]。在调驱过程中聚合物微球溶液会优先进入底层的高渗层，而聚合物微球溶液具有黏度高的特点，一般在孔隙结构中存在聚合物滞留现象。由于滞留作用使得高渗层的渗流阻力增大，整体注入压力升高，提高了中、低渗层的吸液压差，使中、低渗层的吸液量和波及体积增大，达到提高采收率的目的^[9-18]。

笔者通过反相乳液聚合法制备了丙烯酰胺与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵聚合物微球，通过红外吸收光谱与扫描电子显微镜对其结构与形貌进行表征，并针对吸水膨胀性能与调驱性能展开研究，为调驱用聚合物微球设计提供新思路。

1  实验部分

1.1  试剂与仪器

实验仪器：NEXUS670型傅里叶红外光谱仪（美国Nicolet公司）;SU3800型扫描电子显微镜（日本HITACHI公司）;ZP-54型光学显微镜（德国BRESSER公司）;岩心动态驱替试验装置（江苏华安有限公司）等。

实验试剂：丙烯酰胺（AM），分析纯;甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC），分析纯;N，N-亚甲基双丙烯酰胺，分析纯;氢氧化钠，分析纯;乙二胺四乙酸二钠，分析纯;过硫酸铵，分析纯;亚硫酸氢钠，分析纯;Tween80、Span80，分析纯;白油，实验室自制;人造岩心（尺寸为Φ25 mm×300 mm、渗透率分别为51.6×10^-3μm²、202.4×10^-3μm²、803.1×10^-3μm²）;实验用水为模拟地层水，总矿化度86 351 mg·L^-1。

1.2  PAD聚合物微球反向乳液制备

①聚合物水相制备：称取聚合物功能单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）溶于去离子水中，滴加适量NaOH调节溶液呈中性，加入聚合物结构单体丙烯酰胺（AM）、交联剂氮氮亚甲基双丙烯酰胺和络合剂乙二胺四乙酸二钠，玻璃棒搅拌至完全溶解，得到聚合物水相溶液。

②聚合物油相制备：量取适量白油于烧杯，根据Span80与Tween80的HLB值调节加入配比，适当搅拌后呈均一稳定油相溶液。

③PAD聚合物微球制备：先将油相溶液在低速（3 kr·min^-1）搅拌5 min，缓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，置于四口烧瓶中，搅拌（300 r·min^-1）下通氮气排除瓶内空气，30 min后滴加引发剂过硫酸铵与亚硫酸氢钠，水浴加热（65 ℃）反应至溶液呈白色均一乳液，将产物用大量乙醇溶液冲洗，采用丙酮固化，置于50 ℃真空烘干箱中烘干至恒重，PAD聚合物微球微球制备机理见图1。

1.3  PAD聚合物微球红外表征

取一药匙制备的PAD聚合物微球微球样品在红外灯照射下研磨至细粒状，加入干燥的KBr混合均匀继续研磨成细粉装填至模具中，采用油压机（5～10 MPa）将样品压成透明薄片，置入NEXUS670傅里叶红外光谱仪进行测试。

1.4  PAD聚合物微球微观形貌表征

在样品台上铺置薄层导电胶带，取少量干燥PAD聚合物微球均匀撒到导电胶带上，反转样品台除去未与胶带接触的少量微球样品，并用洗耳球除去胶带表面粘结不牢的微球颗粒，之后在表面进行喷金制样，利用日本HITACHI公司的SU3800型扫描电子显微镜观察PAD聚合物微球微观形貌。

1.5  PAD聚合物微球吸水膨胀性能研究

采用量体积法^[9]对PAD聚合物吸水膨胀性能展开研究，取少量微球放入具塞量筒压实，加入模拟地层水并盖好瓶塞置于恒温烘箱（65 ℃）中，观察并记录一段时间后微球体积变化，微球体积膨胀倍数公式如式（1）所示：

S_w =V_t /V₀ 。 （1）

式中：S_w—微球体积膨胀倍数;

V_t—单位时间后微球体积，mL;

V₀—微球初始体积，mL。

1.6  PAD聚合物微球调驱性能研究

实验步骤：①将高中低渗岩心放置于恒温烘箱（90 ℃）烘干;②取出岩心冷却、抽真空、饱和模拟地层水;③设置流速为0.25 mL·min^-1，采用模拟地层水驱岩心，记录压力平稳时岩心两段的压力差P₁;④设置流速为0.15 mL·min^-1，将PAD聚合物微球分别注入到三块岩心中，再用模拟地层水驱至岩心中部，静置48 h;⑤重复步骤③，记录驱后压力平稳时岩心两端压力差为P₂，微球封堵率计算公式如下：

Ø=（P₂-P₁）/P₂ 。         （2）

式中：Ø—微球封堵率;

P₁—模拟地层水驱压力，MPa;

P₂—注入微球后水驱压力，MPa。

2  结果与讨论

2.1  PAD聚合物微球的红外吸收光谱表征

PAD聚合物微球与反应单体丙烯酰胺的红外光谱ENRB1jGzVS4+4HXa8iwfJUkuUtE/B6BghYZDhcqobzk=如图2所示，丙烯酰胺在1 684 cm^-1处出现明显的C=C双键伸缩振动吸收峰，而经过反相乳液聚合后得到的PAD聚合物微球却未出现C=C双键特征峰，表明两种聚合物单体发生了很好的共聚反应。而3 462 cm^-1处出现酰胺基的N-H伸缩振动吸收峰，1 126 cm^-1处出现季铵盐中C-N的伸缩振动吸收峰，则证明制备的聚合物微球与预期分子结构设计一致。

2.2  PAD聚合物微球的扫描电子显微镜表征

扫描电镜下的PAD聚合物微球形状均一，球形度良好，这是由于反相乳液聚合方法制备微球为表面光滑、圆整性好的单交联结构^[10]。此外，微观状态下PAD聚合物微球粒径在10～15μm左右，粒径较小导致比表面积较大，多数微球易团簇式聚集。

2.3  PAD聚合物微球的吸水膨胀性能研究

聚合物微球初始粒径较小，在地层中表现出良好的注入能力与运移能力，而在水中达到一定时间后，微球会吸水体积膨胀具备良好的封堵性能与调驱能力^[11]。在65 ℃下，采用量体积法测定不同时间PAD聚合物微球吸水膨胀性能，实验结果如图4所示。微球体积膨胀倍数随浸入水中时间延长而变大，在32 h后微球吸水体积膨胀达到峰值，体积膨胀倍数最高可达9，在模拟地层环境中表现出良好的调驱应用潜能。这是因为引入的功能单体DMC中的季铵盐基团一方面具备良好的水溶性，另一方面可增强分子刚性提升微球耐温抗盐性能。

2.4  PAD聚合物微球调驱性能研究

选用高、中、低渗三种岩心对PAD聚合物微球调驱性能展开研究，实验结果如图5所示。PAD聚合物微球对三种岩心的封堵率均大于80%，当注入量为0.4 PV时对低渗岩心的封堵率达到了90%以上，随着微球注入体积的增加封堵率呈上升趋势，表明微球的注入有效封堵优势渗流孔道，有利于提升后续注入流体的波及体积，达到提高采收率等目的。

3  结 论

1）以丙烯酰胺与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为聚合物单体，通过反向乳液聚合法制备了PAD聚合物微球，该微球形状均匀、尺寸均一、球形度好。

2）模拟地层条件下，PAD聚合物微球在32 h后体积膨胀9倍，表现出良好的水化膨胀性能与耐温耐盐能力。

3）微球调驱性能实验中，PAD聚合物微球对三种岩心封堵率均大于80%，有效提升了波及体积，体现出良好的封堵性能，具备较好的调驱能力。

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Preparation and Performance evaluation of Polymer

Microsphere for Profile Control and Flooding

CAI Yi-na PENG Xue-fei JIN Ya-junD+TxE7asNaWiWXvFr2tX1g== YAN Yu-qing XIAO Sa

（1. China Oilfield Services Limited， Tianjin 300459， China;

2. Tianjin Key Laboratory of Offshore Oil Exploration Enterprises， Tianjin 300459， China）

Abstract：  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 32 h， 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.

Key words： Polymer microsphere; Profile control and oil displacement; Heterogeneous reservoir; EOR