新型聚合物復(fù)合納米微球調(diào)剖驅(qū)油劑研究

沙 鵬

（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠，黑龍江大慶163414）

注水開發(fā)是各大油田普遍采用的一種重要開采方式，在油田長期注水過程中極易出現(xiàn)層間層內(nèi)水竄的現(xiàn)象，導(dǎo)致水驅(qū)波及系數(shù)下降，油井見水快，含水率增大，使后期水驅(qū)開發(fā)效果變差[1-3]。大慶油田某區(qū)塊前期采用注水開發(fā)，隨著生產(chǎn)時間的延長，目前已進入高含水階段，部分油井含水率達到95% 以上，因此亟需研究出性能優(yōu)良的調(diào)驅(qū)劑以實現(xiàn)對注水井高滲通道的有效封堵，使后續(xù)注入水進入未波及區(qū)域，從而改善水驅(qū)效果，提高原油的采收率[4-5]。

目前國內(nèi)外常用的調(diào)驅(qū)體系主要包括無機顆粒調(diào)剖劑、泡沫調(diào)驅(qū)劑、弱凝膠調(diào)驅(qū)劑、預(yù)交聯(lián)凝膠調(diào)驅(qū)體系以及聚合物微球調(diào)驅(qū)劑等[6-10]，但由于研究區(qū)塊屬于高溫高礦化度儲層，大多數(shù)調(diào)驅(qū)體系不適用于該區(qū)塊。納米微球調(diào)剖驅(qū)油劑是近年來研究較多的一種新型調(diào)驅(qū)劑，其顆粒粒徑一般處在納米級和微米級，容易在水中分散形成穩(wěn)定的懸浮體系，具有良好的吸水膨脹性能，并且其耐溫抗鹽性能優(yōu)良，能夠適用于高溫高鹽儲層[11-13]。本文將無機納米二氧化硅粒子和有機聚合物相結(jié)合，研制了一種新型聚合物復(fù)合納米微球調(diào)剖驅(qū)油劑NWQ-2，室內(nèi)評價了其粒徑分布、吸水膨脹性能、耐溫抗鹽性能、黏彈性能、調(diào)剖封堵性能以及驅(qū)油性能，以期為目標(biāo)區(qū)塊實現(xiàn)控水增油提供一定的技術(shù)支持和保障。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

納米二氧化硅、硅烷偶聯(lián)劑GWS、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、交聯(lián)劑MBS、催化劑(NH4)2S2O8、分散劑SP，均為分析純，市售；氮氣（純度99.5%），市售；模擬油（煤油與儲層脫氣原油按質(zhì)量比1∶1 混合，50 ℃下黏度為1.52 mPa·s）；模擬地層水（總礦化度為75 200 mg/L）；調(diào)剖性能評價用柱狀巖心（長度為6.5 cm、直徑為2.5 cm）；驅(qū)油性能評價用三層非均質(zhì)巖心（30 cm×4.0 cm×4.0 cm），滲透率分別為30×10-3、150×10-3、500×10-3μm2。

LS-609 型激光粒度分析儀，珠海市歐美克儀器有限公司；MARS 可視流變儀，德國哈克公司；DHG型恒溫干燥箱，上海丙林電子科技有限公司；巖心抽真空飽和裝置、多功能巖心驅(qū)替實驗裝置，海安石油科研儀器有限公司。

1.2 新型聚合物復(fù)合納米微球的制備

用硅烷偶聯(lián)劑GWS 對納米二氧化硅粒子表面進行修飾得到改性納米二氧化硅粒子；在四口燒瓶中加入一定量的AM 和AMPS，加入蒸餾水?dāng)嚢枋怪耆芙?，按一定比例加入改性納米二氧化硅、交聯(lián)劑MBS、催化劑((NH4)2S2O8）和分散劑SP，將混合體系高速攪拌，形成均勻分散溶液，然后通入氮氣以除去體系中氧氣，升高溫度至60～70 ℃，勻速攪拌進行聚合反應(yīng)3～5 h；最后冷卻、分離、洗滌、干燥即得新型聚合物復(fù)合納米微球NWQ-2。

1.3 實驗方法

1.3.1 復(fù)合納米微球基本性能評價

（1）粒徑分析。使用LS-609 型激光粒度分析儀測定新型聚合物復(fù)合納米微球吸水膨脹前的粒度分布情況。

（2）膨脹性能。 使用蒸餾水配制質(zhì)量濃度為2 000 mg/L 的NWQ-2 溶液，在室溫下放置24 h 后，使用激光粒度儀測定微球吸水膨脹后的粒徑，然后計算膨脹倍數(shù)以評價其膨脹性能。

（3）耐溫抗鹽性能。使用模擬地層水配制質(zhì)量濃度為2 000 mg/L 的NWQ-2 溶液，在120 ℃恒溫干燥箱中放置24 h 后，使用激光粒度儀測定微球在高溫高鹽溶液中的粒徑變化，計算膨脹倍數(shù)以評價微球的耐溫抗鹽性能。

（4）黏彈性能。使用模擬地層水配制質(zhì)量濃度為2 000 mg/L 的NWQ-2 溶液，在室溫下使用低攪拌速率攪拌24 h，然后使用濾紙過濾掉多余的水分，再使用MARS 可視流變儀測定新型聚合物復(fù)合納米微球吸水膨脹后的黏彈性能。

1.3.2 復(fù)合納米微球調(diào)剖驅(qū)油性能

（1）調(diào)剖封堵性能。使用不同滲透率的柱狀巖心飽和模擬地層水，然后在流速為0.1 mL/min 時用模擬地層水驅(qū)替巖心，記錄驅(qū)替穩(wěn)定時的壓差△P0；再以相同的流速注入質(zhì)量濃度為2 000 mg/L的新型聚合物復(fù)合納米微球溶液，記錄注入壓差△P1；靜置24 h 后繼續(xù)使用模擬地層水驅(qū)替巖心，記錄驅(qū)替穩(wěn)定時的壓差△P2。實驗溫度為90 ℃，根據(jù)以上壓力測定結(jié)果計算巖心驅(qū)替時的阻力系數(shù)FR、殘余阻力系數(shù)FRR和封堵率φ（見式（1）-（3）），以評價聚合物復(fù)合納米微球的調(diào)剖封堵性能。

（2）驅(qū)油性能。將三層非均質(zhì)巖心飽和模擬地層水，并計算其孔隙度大??；模擬地層水驅(qū)替巖心，流速為0.3 mL/min，測定其水測滲透率；然后以相同的流速注入模擬油，直至巖心出口端不出水為止；90 ℃老化24 h 后模擬地層水繼續(xù)驅(qū)替巖心，直至巖心出口端不出油為止，計算水驅(qū)油的采收率；以相同的流速注入質(zhì)量濃度為2 000 mg/L 的新型聚合物復(fù)合納米微球溶液，注入體積為0.5 PV，90 ℃放置24 h 后繼續(xù)使用模擬地層水驅(qū)替巖心，直至出口端不出油為止，并計算最終采收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 粒徑分析

圖1 為新型聚合物復(fù)合納米微球吸水膨脹前的粒徑分析實驗結(jié)果。由圖1 可以看出，復(fù)合納米微球NWQ-2 的粒徑主要分布在400～600 nm，其平均粒徑為512.6 nm。

圖1 復(fù)合納米微球粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of composite nano?microsphere

2.2 膨脹性能

按照1.3.1 中的實驗方法，評價了新型聚合物復(fù)合納米微球在蒸餾水中的膨脹性能，結(jié)果見圖2。

圖2 復(fù)合納米微球吸水膨脹性能Fig.2 Water swelling properties of composite nano?microsphere

由圖2 可知，隨著實驗時間的延長，復(fù)合納米微球NWQ-2 的吸水膨脹倍數(shù)逐漸增大；在開始階段，其膨脹倍數(shù)增長較為緩慢，實驗時間為5～20 h 時膨脹倍數(shù)增長加快，當(dāng)實驗時間為20 h 時，其吸水膨脹倍數(shù)可以達到10 倍以上；20 h 后吸水膨脹倍數(shù)基本不再增長。說明研制的新型聚合物復(fù)合納米微球NWQ-2 具有良好的吸水膨脹性能。

2.3 耐溫抗鹽性能

按照1.3.1 中的實驗方法，在礦化度為75 200 mg/L、溫度為120 ℃的實驗條件下，評價了新型聚合物復(fù)合納米微球的耐溫抗鹽性能，結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，復(fù)合納米微球NWQ-2 的吸水膨脹倍數(shù)變化趨勢與2.2 部分結(jié)果相似，但其膨脹倍數(shù)變小，當(dāng)實驗時間為20 h 時，其吸水膨脹倍數(shù)為8 倍左右。這是由于高礦化度的鹽水會對復(fù)合納米微球的膨脹產(chǎn)生抑制作用，而溫度的升高會對其吸水膨脹產(chǎn)生促進作用，二者共同作用，高礦化度鹽水的抑制作用稍強，因此在高礦化度鹽水中復(fù)合納米微球的膨脹倍數(shù)比蒸餾水中稍有下降，但仍保持良好的吸水膨脹效果，說明研制的新型聚合物復(fù)合納米微球NWQ-2 具有良好的耐溫抗鹽性能。

圖3 高溫高礦化度條件下復(fù)合納米微球的膨脹性能Fig.3 Expansion properties of composite nano?micro?sphere at high temperature and high salinity

2.4 黏彈性能

按照1.3.1 中的實驗方法，對新型聚合物復(fù)合納米微球的黏彈性能進行評價，應(yīng)力設(shè)定為0.5 Pa，掃描頻率為0.01～100 Hz，結(jié)果見圖4。

圖4 復(fù)合納米微球黏彈性能Fig.4 Viscoelasticity of composite nano?microsphere

由圖4 可知，在實驗頻率范圍內(nèi)，復(fù)合納米微球NWQ-2 溶液的彈性模量G'一直大于黏性模量G"，說明其具有良好的黏彈性能，這是由于復(fù)合納米微球吸水膨脹后能夠形成具有一定彈性形變的結(jié)構(gòu)，在外力作用下能夠表現(xiàn)出彈性流體的特征，從而使復(fù)合納米微球在地層中吸水膨脹后可以變形運移，對地層產(chǎn)生一定的調(diào)剖封堵作用。

2.5 調(diào)剖封堵性能

按照1.3.2 中的實驗方法，評價新型聚合物復(fù)合納米微球?qū)Σ煌瑵B透率巖心的調(diào)剖封堵效果，結(jié)果見表1。

由表1 可知，不同滲透率巖心注入復(fù)合納米微球NWQ-2 后，驅(qū)替壓力均出現(xiàn)不同程度的升高，且?guī)r心滲透率越低，驅(qū)替壓力升高的幅度越大，阻力系數(shù)、殘余阻力系數(shù)和封堵率就越高。對于滲透率為（30～500）×10-3μm2的巖心，阻力系數(shù)在6～20，說明復(fù)合納米微球具有良好的注入能力；而殘余阻力系數(shù)在10～30，封堵率均大于88%，說明復(fù)合納米微球?qū)r心中的大孔隙起到了良好的封堵效果。由于新型聚合物復(fù)合納米微球NWQ-2 注入巖心孔隙中后發(fā)生了吸水膨脹，體積逐漸變大；同時由于其具有一定的黏彈性能，在外力作用下能發(fā)生變形，首先進入巖心孔隙中比較大的孔道內(nèi)，產(chǎn)生封堵作用，使注入壓力升高，后續(xù)流體逐漸進入小孔隙中，起到良好的調(diào)剖封堵作用。

表1 復(fù)合納米微球調(diào)剖封堵性能評價結(jié)果Table 1 Evaluation results of profile control and plugging performance of composite nano?microsphere

2.6 驅(qū)油性能

按照1.3.2 中的實驗方法，評價了新型聚合物復(fù)合納米微球的驅(qū)油效果，實驗結(jié)果見圖5。

圖5 復(fù)合納米微球驅(qū)油性能Fig.5 Oil displacement performance of composite nano?microsphere

由圖5 可知，在初期水驅(qū)過程中，隨著注入量的增大，驅(qū)替壓力比較平穩(wěn)，水驅(qū)采收率和含水率均逐漸增大，驅(qū)替至2 PV 時，水驅(qū)采收率達到44.3%，含水率達到98% 以上，驅(qū)替壓力穩(wěn)定在0.075 MPa；然后注入0.5 PV 新型聚合物復(fù)合納米微球NWQ-2，此過程中驅(qū)替壓力迅速增大，含水率略有下降，采收率略有增大。這是由于復(fù)合納米微球進入非均質(zhì)巖心中后，待吸水膨脹體積變大后，首先進入到高滲通道中，迅速形成封堵層，致使驅(qū)替壓力增大；最后在后續(xù)水驅(qū)過程中，驅(qū)替壓力稍有增大，含水率逐漸升高，采收率繼續(xù)增大。由于復(fù)合納米微球在充分吸水膨脹后，對中、高滲通道均能產(chǎn)生一定的封堵作用，使后續(xù)注入水更多的進入到細微孔隙中，起到液流轉(zhuǎn)向的作用，增大了波及體積，充分提高非均質(zhì)巖心的動用程度，達到提高整體采收率的目的。巖心最終采收率達到了65.6%，相比較于水驅(qū)時提高了21.3%，增油效果顯著，說明研制的新型聚合物復(fù)合納米微球NWQ-2 具有良好的驅(qū)油效果。

3 結(jié) 論

（1）采用分散聚合法研制了一種新型聚合物復(fù)合納米微球調(diào)剖驅(qū)油劑NWQ -2，其平均粒徑為512.6 nm，具有良好的吸水膨脹性能，并且在高溫高礦化度條件下仍能保持較高的膨脹倍數(shù)，具有良好的耐溫抗鹽性能。

（2）復(fù)合納米微球NWQ-2 吸水膨脹后彈性模量大于黏性模量，具有良好的黏彈性能，能夠在巖心中的大孔隙中產(chǎn)生有效封堵，使液流轉(zhuǎn)向，起到良好的調(diào)剖封堵效果。

（3）驅(qū)油性能實驗結(jié)果表明，非均質(zhì)巖心中注入0.5 PV 復(fù)合納米微球NWQ-2 溶液，能使巖心水驅(qū)后的采收率繼續(xù)增大，采收率增幅可以達到21.3%，具有良好的驅(qū)油效果。