聚丙烯酰胺在油田生產(chǎn)中的應用

劉 音 ，常 青 ，于富美 ，李洪俊

（1.中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院，天津 300457；2.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司，天津 300457）

聚丙烯酰胺（PAM）是一種水溶性高分子聚合物，由于其特殊的理化性質(zhì)和分子結構特點，被應用到石油開采、污水處理、造紙等行業(yè)中，尤其在鉆井、三次采油、調(diào)剖堵水等領域應用廣泛[1-2]。同時，PAM又稱為“百業(yè)助劑”、“萬能產(chǎn)品”，在國內(nèi)油田三次采油技術中被大范圍推廣[3-4]。

PAM按照離子特性可分為非離子、陽離子、陰離子和兩性離子四種類型，由于其分子鏈中含有一定數(shù)量的極性基團，因此能吸附水中懸浮的固體顆粒，使粒子間吸附架橋或電性中和，形成大的絮凝物質(zhì)而沉淀下來[5]。因此，可用于石油開采、染色、冶金、造紙、水產(chǎn)加工等各種行業(yè)的絮凝沉淀中。

另外，隨著生產(chǎn)工藝的不斷進步，PAM產(chǎn)品的形式也變得多樣化，有干粉、水溶液、乳膠、油包水型乳液等，近年來又開發(fā)出了水包水型乳液[6]，可應用于施工工藝中。

1 應用

目前，PAM在油田生產(chǎn)中可以用作驅(qū)油劑、壓裂液添加劑、堵水劑、鉆井液調(diào)節(jié)劑等。

1.1 作驅(qū)油劑

驅(qū)油劑是一種在石油鉆采時，用以提高原油采收率的助劑，較高相對分子質(zhì)量（＞10×106）的聚丙烯酰胺是最常見的聚合物型驅(qū)油劑，其主要機理是通過減少水油的流度比，減少水的指進，調(diào)節(jié)水的流變性，以提高驅(qū)油劑的波及指數(shù)，從而提高油層的采收率[7]。

為了增強PAM驅(qū)油劑的耐熱、耐溫、耐剪切性能，譚俊領[8]等以丙烯酰胺（AM）為基礎，通過引入特殊的結構單元（如疏水單體、剛性環(huán)側(cè)基等），通過自由基共聚法得到酸性的疏水締合的PAM。研究發(fā)現(xiàn)，帶有陽離子磺酸基疏水締合的PAM有良好的抗鹽性，在60℃下能保持較好的表觀黏度。付美龍[9]等針對魯克沁深層稠油規(guī)模開發(fā)的難題，優(yōu)化了以PAM為驅(qū)油劑的配方，通過水礦化度的優(yōu)化和恒聚聚合物（HJPAM）最佳注入濃度的調(diào)節(jié)，提高稠油的采收率達10.98%。

大慶油田將PAM用于油田三元復合驅(qū)采出水的研究中，穩(wěn)定性良好。利用三元（堿、表面活性劑、PAM）的復合驅(qū)可使采收率提高10%~20%[10]，目前該技術在大慶油田已進入大規(guī)模的工業(yè)應用階段。Zhu[11]等報道了在大慶油田的原油開采中，利用堿-表面活性劑-PAM的三元復合驅(qū)的驅(qū)油產(chǎn)品，使采收率平均提高18.5%~26.5%，說明PAM作為驅(qū)油劑已經(jīng)在油田開采中得到了廣泛應用。

1.2 作壓裂液添加劑

壓裂是指采油過程中，利用水力作用，使油層形成裂縫的一種方法。壓裂工藝是把高壓大排量且有一定黏度的液體擠出油層，當油層壓出許多裂縫后，加入支撐劑，填充裂縫，以提高油層的滲透能力[12]。壓裂液作為壓裂技術的重要組成部分，分為水基、油基、乳狀、泡沫和酸基壓裂液五種基本類型，其目的是為了減輕對油層的傷害，降低成本并提高壓裂效果[13]。

孟祖超[14]等利用PAM和魔芋葡甘聚糖（KGM）的協(xié)同作用，研制出PAM/KGM稠化劑有較好的增粘性能，用其作為壓裂液，對油層傷害低，且具有較好的耐剪切性、降濾失性、殘渣少等優(yōu)點。B.Grassl[15]等用亞硫酸氫鈉和過硫酸鉀做引發(fā)劑，將丙烯酰胺與N-18烷基丙烯酰胺共聚合成的壓裂液，它含有較高的單體濃度（19 wt%）、良好的疏水特性。將其應用于油田生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)其對油層傷害小，且具有較好的抗溫、耐鹽、耐剪切特性。

與油藏儲層不同，煤層儲層具有松軟、表面積大、吸附性強、壓力低等特征。針對煤層這些特點，趙輝[16]等優(yōu)選出適用于煤層氣井壓裂的非離子型PAM鋯凍膠壓裂液，它具有耐剪切、易吸收、攜砂性良好、對煤層傷害低、易反排等優(yōu)點，是一種適用于煤層氣的壓裂液。程秋菊[17]等利用PAM為主劑，研制出了氮氣泡沫壓裂液體系，其粘度穩(wěn)定、濾失性小，對煤層的損害率僅為20.8%（對瓜膠為79.4%），其吸附量對煤基質(zhì)的孔隙基本不會產(chǎn)生堵塞，非常適合煤層氣井壓裂施工。

1.3 作堵水劑

油田堵水技術是注水開發(fā)非均質(zhì)油田的一項重要工藝技術，它可以有效降低油井產(chǎn)水量、提高油井產(chǎn)油量、改善注入井吸水的不均勻性，從而提高注水井縱向波及系數(shù)，增加油田的可采儲量，并最終提高油田注水開發(fā)的采收率[18]。PAM是目前應用的一種交聯(lián)聚合物，它對油的滲透性最低、最高可超過10%，而對水的滲透性減少可超過90%[3]。

陳雷[19]等用PAM和聚丙烯腈（PAN）復合，形成一種新型的耐溫抗鹽復合聚合物凝膠堵水劑，通過對交聯(lián)劑濃度、溫度、礦化度等因素的考察發(fā)現(xiàn)，該交聯(lián)PAM/PAN聚合物對礦化度在2 000~160 000 mg/L，溫度60~140℃的砂巖油藏調(diào)剖堵水效果較好。Li[20]等用PAM作為堵水劑，能夠使土壤表面的粗糙度大大增加，從而對油的滲透率有效降低，堵水效果較好。

李蒙[21]等用合成的三聚氰胺甲醛樹脂（MF）與水解PAM交聯(lián)，制備一種調(diào)剖堵水劑，它具有良好的耐剪切性，且能形成性能良好的凍膠，在130℃的高溫下老化5天，粘度仍達到86.7%。這種新型的調(diào)剖堵水劑以其良好的堵水性、耐溫性、耐剪切性能等，應用前景廣闊。

利用丙烯酰胺-丙烯酸叔丁酯共聚物經(jīng)聚乙烯亞胺交聯(lián)形成的凍膠，進行堵水施工，L.Eoff[22]等對該交聯(lián)體系的性能進行分析，并介紹了應用該交聯(lián)體系作為環(huán)空封堵劑、水平井完井暫堵劑等不同工藝中的應用實例。另外，研究的新緩速劑可使體系的最高溫度提高到176.7℃。R.Hernandez[23]等根據(jù)丙烯酰胺-丙烯酸叔丁酯共聚物經(jīng)聚乙烯亞胺交聯(lián)的產(chǎn)品被成功施工的多個實例，介紹了該體系的良好性能。

1.4 作鉆井液流型調(diào)節(jié)劑

部分PAM常作為鉆井液流型調(diào)節(jié)劑，它的作用是：調(diào)節(jié)鉆井液的流變性，攜帶巖屑，潤滑鉆頭，減少卡鉆，提高機械鉆速，并能防止發(fā)生井漏和坍塌。針對河南油田使用的鉆井液存在著抑制泥頁巖分散能力不足的問題，王學良[24]等通過現(xiàn)場試驗，推廣應用了以聚丙烯酰胺鉀鹽TL-A02為主劑的抑制性-鉀銨聚合物鉆井液。該聚合物依靠超長分子鏈多點吸附鉆屑，提高了鉆井液的抑制包被能力和控制濾失能力；另外，與同區(qū)塊其他鉆井液體系相比，鉆井周期縮短了38.9%，提高機械鉆速24.7%（達11.29 m/h）。

Ribeiro[25]等利用PAM為原料，合成的鉆井液流型調(diào)節(jié)劑用在巴西Campos盆地附近的深井中，在高溫、高鹽的環(huán)境下，鉆井液流體表現(xiàn)出良好的潤滑性能和抑制頁巖膨脹性，從而提高了鉆采效率。

張洪偉[26]等針對大位移鉆井遇到的泥頁巖地層存在著水化膨脹縮徑和嚴重造漿的問題，研制出聚胺抑制劑JAI、陽離子聚丙烯酰胺強包被劑PV等主要處理劑。以主要處理劑為基礎，合成的新型強抑制胺基鉆井液具有很強的抑制性和攜巖能力，抗鹽、抗鉆屑污染能力強，潤滑性良好，且具有一定的防塌作用，可以應用于易水化的泥頁巖復雜地層的鉆進，并且環(huán)境保護性能較好。

Guo[27]等合成了聚丙烯酰胺接枝共聚物，通過調(diào)整支鏈結構及數(shù)量得到了性能優(yōu)良的水基壓裂液降濾失劑，該產(chǎn)品在147℃、鹽度飽和的水基鉆井液中，其API濾失量仍可保持在10 mL以下。

2 結語

（1）聚丙烯酰胺在石油生產(chǎn)中作為驅(qū)油劑、壓裂液添加劑、堵水劑、鉆井液流型調(diào)節(jié)劑等已得到廣泛的應用，它促進了油田工業(yè)的快速發(fā)展。

（2）目前，國內(nèi)聚丙烯酰胺產(chǎn)品存在種類較少、產(chǎn)品檔次低、產(chǎn)品中殘余單體含量較大、實際應用效果較差等特點[28]。另外，聚丙烯酰胺在使用時存在高溫水解、耐鹽性及耐剪切性差等問題[29]。但伴隨油田工業(yè)的發(fā)展，可以通過先進的生產(chǎn)技術，提高聚丙烯酰胺的相對分子質(zhì)量，并通過引入其他官能團或共聚的方法提高它的耐溫抗鹽性、溶解性、攜帶巖屑能力、抗鉆屑污染能力，從而提高其在壓裂酸化、鉆井、固井、三次采油等油田開發(fā)中的應用效果。

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