聚合物微球提高油田采收率的研究與應(yīng)用

龍遠(yuǎn)，劉洋，向澳洲，劉玉龍，孔維達(dá)

聚合物微球提高油田采收率的研究與應(yīng)用

龍遠(yuǎn)1，2，劉洋3，向澳洲1，2，劉玉龍1，2，孔維達(dá)1，2

1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢，430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430100；3.中國(guó)石油西南油氣田分公司川東北氣礦，四川 達(dá)州，635000

聚合物微球是提高油田采收率最常用的新型高分子材料之一。本文詳細(xì)介紹了聚合物微球粒徑與地層孔喉的匹配關(guān)系、聚合物微球的運(yùn)移機(jī)制，綜述了聚合物微球的主要合成方法，即反相乳液聚合、反相微乳液聚合、反相懸浮聚合、分散聚合和無皂乳液聚合，著重分析了聚合物微球在油田調(diào)驅(qū)、堵水兩方面的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并總結(jié)了目前的研究和應(yīng)用中存在的不足，對(duì)推動(dòng)和促進(jìn)聚合物微球在提高原油采收率方面的研究與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

原油采收率 聚合物微球 聚合物微球合成方法 調(diào)剖性能 堵水性能 油藏滲透率

聚合物微球作為一種新型材料，近年來針對(duì)其合成方法的研究取得了重大進(jìn)展，在提高油田采收率領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是，隨著油田對(duì)聚合物微球需求的進(jìn)一步提高，實(shí)際工程中出現(xiàn)聚合物微球穩(wěn)定性差［1-2］、粒徑控制困難［1， 3］、工業(yè)化生產(chǎn)工藝不成熟［2］、結(jié)構(gòu)調(diào)控與應(yīng)用需求關(guān)系不明確［2-4］等問題。因此，提高合成產(chǎn)物的穩(wěn)定性和微球粒徑的可調(diào)控性，明確微球結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系是目前亟須解決的問題。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的研究進(jìn)行全面調(diào)研，闡述聚合物微球粒徑與油藏滲透率的匹配機(jī)制、聚合物微球的運(yùn)移機(jī)制，綜述聚合物微球合成方法［5-17］中的反相乳液聚合法、反相微乳液聚合法、反相懸浮聚合法、分散聚合法和無皂乳液聚合法，分析聚合物微球在提高油田采收率方面的研究和應(yīng)用進(jìn)展，為促進(jìn)聚合物微球在提高原油采收率領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供參考。

1　聚合物微球調(diào)驅(qū)與堵水機(jī)制

聚合物微球具有較好的運(yùn)移性能和封堵性能，在提高采收率領(lǐng)域主要應(yīng)用在調(diào)驅(qū)及堵水方面。調(diào)剖、堵水技術(shù)伴隨著油田注水開發(fā)的推廣而誕生。迄今，我國(guó)調(diào)剖、堵水技術(shù)經(jīng)歷了60多年的發(fā)展，大致可以分為3個(gè)階段：從1957年玉門油田首次開展現(xiàn)場(chǎng)堵水實(shí)驗(yàn)到20世紀(jì)70年代末，主要發(fā)展了機(jī)械調(diào)剖、堵水技術(shù)； 20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)末，以聚丙烯酰胺（HPAM）為代表的化學(xué)調(diào)剖劑誕生，化學(xué)調(diào)剖、堵水技術(shù)得到了飛速發(fā)展；進(jìn)入21世紀(jì)以后，地層深部調(diào)驅(qū)技術(shù)成為了新的熱點(diǎn)，各類新型深部調(diào)驅(qū)劑得到了推廣。

聚合物微球調(diào)驅(qū)技術(shù)和堵水技術(shù)從20世紀(jì)90年代開始發(fā)展，主要包括聚合物微球與地層孔喉的匹配性研究和聚合物微球的運(yùn)移機(jī)制研究。

1.1　聚合物微球與地層孔喉的匹配性

根據(jù)微球的強(qiáng)度和韌性，可將微球分為彈性微球和剛性微球，彈性微球在壓差作用下會(huì)發(fā)生彈性變形，適用于地層深部調(diào)驅(qū)；剛性微球強(qiáng)度較高，適用于地層堵水。聚合物微球和巖心孔喉均存在一個(gè)特征尺寸，即微球平均粒徑和巖心平均孔喉直徑。研究表明，只有當(dāng)微球粒徑與地層孔喉尺寸匹配時(shí)，才能發(fā)揮最佳的封堵效果［2， 4］。王濤等［7］在研究影響聚合物微球粒徑的因素及其封堵特性中發(fā)現(xiàn)微球粒徑大小決定微球的封堵機(jī)制，只有當(dāng)微球粒徑與地層孔隙尺寸匹配時(shí)才能形成有效封堵。石浪浪［8］通過納米級(jí)聚丙烯酰胺微球的制備與應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)納米級(jí)微球?qū)Φ蜐B透層尤其是特低滲透層的封堵效果良好，而對(duì)高滲透層幾乎無封堵效果。

圖1　彈性微球擠壓變形封堵地層孔喉過程

1.2　聚合物微球運(yùn)移機(jī)制

聚合物微球在地層孔喉中的運(yùn)移和封堵特性決定其深度堵水和調(diào)剖能力，目前聚合物微球的運(yùn)移機(jī)制研究以實(shí)驗(yàn)研究為主，包括填砂管實(shí)驗(yàn)和微孔濾膜過濾實(shí)驗(yàn)等［3-4］。李秋言等［3］使用微球注入實(shí)驗(yàn)和巖心掃描電鏡研究了微球注入距離對(duì)微球調(diào)驅(qū)特性的影響，結(jié)果表明封堵是微球調(diào)剖劑的主要作用方式，當(dāng)注入量相同時(shí)，微球運(yùn)移距離越遠(yuǎn)，提高采收率幅度越大。陳海玲等［4］研究疏水交聯(lián)聚合物微球封堵性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著交聯(lián)聚合物微球溶液濃度的增大，微球進(jìn)行膜內(nèi)封堵的時(shí)間迅速縮短，并由膜內(nèi)封堵轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻孢^濾。巖心驅(qū)油結(jié)果顯示，用交聯(lián)聚合微球與驅(qū)油劑AP-P4復(fù)配的復(fù)合驅(qū)油體系比單一AP-P4驅(qū)替液提高采收率12.34%。聚合物微球深部封堵過程如圖2所示。

圖2　聚合物微球深部封堵過程

通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于聚合物微球運(yùn)移機(jī)制的研究方法較為全面，近年來，在傳統(tǒng)的物理模型研究基礎(chǔ)上，可視化研究、數(shù)值模擬等方法正在逐步建立和完善。但從目前的應(yīng)用情況來看，仍存在室內(nèi)研究結(jié)論和實(shí)際應(yīng)用效果差異較大的情況，靜態(tài)巖心實(shí)驗(yàn)下的結(jié)果不能完全解釋實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象。

2　聚合物微球的合成方法

根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)際情況，聚合物微球的主要合成方法有反相乳液聚合法、反相微乳液聚合法、反相懸浮聚合法、分散聚合法和無皂乳液聚合法等。表1為5種合成方法之間的對(duì)比［5-7］。

表 1　不同聚合物微球合成方法的比較

2.1　反相乳液聚合

反相乳液聚合有均相成核和膠束成核兩種成核機(jī)制，主要用于制備粒徑在100～1 000 nm的微球，聚合產(chǎn)物一般為乳液或者粉末，微球粒徑一般要小于1.0 μm［8-9］。聚合產(chǎn)物具有分子量高、粒徑分布窄的優(yōu)點(diǎn)，但其合成過程相對(duì)復(fù)雜，合成產(chǎn)物中雜質(zhì)較多，微球的分散穩(wěn)定性較常規(guī)的乳狀液差［10-11］。

2.2　反相微乳液聚合

反相微乳液聚合是單體水溶液在油溶性表面活性劑作用下，與油性連續(xù)相形成油包水型（W/O）乳狀液，再經(jīng)引發(fā)劑引發(fā)形成油包水型聚合物的方法［10-11］。反相微乳液聚合有液滴連續(xù)成核、均相成核和膠束成核這3種成核機(jī)制，制備得到微球粒徑分布在10～100 nm［10-15］。

反相微乳液聚合的反應(yīng)體系較穩(wěn)定，反應(yīng)速度較快，合成的微球具有分子量高、粒徑較小等特點(diǎn)，但反應(yīng)中乳化劑和油相溶劑用量過大，成本較高，且容易造成環(huán)境污染?，F(xiàn)有的反相微乳液聚合方法大多適用于低單體濃度下的聚合，產(chǎn)物固相含量較低，不利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

2.3　反相懸浮聚合

反相懸浮聚合的反應(yīng)體系一般由水溶性單體、油相、水相、乳化劑及水溶性引發(fā)劑構(gòu)成，懸浮液滴的粒徑較大，粒徑在幾到幾十微米之間，此方法主要用于制備粒徑為幾到幾百微米的大微球［16］。

反相懸浮聚合反應(yīng)方法相對(duì)較簡(jiǎn)單，并且能通過改變反應(yīng)條件控制微球的粒徑分布，合成方法優(yōu)化后能夠在微球內(nèi)包埋各種功能性物質(zhì)，但其缺點(diǎn)是產(chǎn)物穩(wěn)定性較差，且粒徑分布不集中。

2.4　分散聚合

分散聚合法是指將單體、引發(fā)劑和分散劑溶于油性（或水性）介質(zhì)中，形成均相體系，通過聚合反應(yīng)生成膠態(tài)穩(wěn)定的分散體系的一種聚合方法，此方法制備的微球粒徑分布在0.1～10 μm。

分散聚合的合成工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度較快，產(chǎn)物的分子量較大，粒徑分布較均勻［5-8］，且分散劑選擇方便，不需要有機(jī)溶劑，具有較好的環(huán)境相容性，生產(chǎn)成本相比于其他幾種合成方法也較低。但由于對(duì)其的研究起步較晚，對(duì)分散聚合的反應(yīng)機(jī)制認(rèn)識(shí)尚不成熟，在乳液的穩(wěn)定性及乳液粒子粒徑控制等方面還需進(jìn)一步探討。

2.5　無皂乳液聚合

無皂乳液聚合是一種基于乳液聚合發(fā)展起來的微球合成方法，聚合過程不添加或只摻入微量乳化劑，制備的微球粒徑分布在0.5～1.0 μm［17］。

無皂乳液聚合幾乎不使用乳化劑，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)物也較為純凈、雜質(zhì)較少［13-14］。據(jù)調(diào)研，無皂乳液聚合的合成產(chǎn)物單分散性能好，易于表面改性制得具有其他表面活性的功能型顆粒。但未使用乳化劑導(dǎo)致反應(yīng)體系的穩(wěn)定性不高，產(chǎn)物固相含量也有待提高。

總的來說，聚合物微球的合成機(jī)制研究已日趨成熟，但目前的聚合方法存在單體濃度低、反應(yīng)產(chǎn)物穩(wěn)定性差、粒徑分布不可控以及易產(chǎn)生環(huán)境污染等問題，這些問題限制了聚合物微球的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

3　聚合物微球在提高采收率領(lǐng)域的應(yīng)用

傳統(tǒng)的聚丙烯酰胺微球不具備表面活性，在原油驅(qū)替過程中降低油水界面張力作用不明顯。最新的文獻(xiàn)報(bào)道顯示，乳液聚合體系中殘存的乳化劑可以降低原油驅(qū)替過程中的油水界面張力，結(jié)合聚合物微球吸水膨脹后的增黏效果，還能提高聚合物微球體系的洗油能力，從而提高采收率［15-17］。

對(duì)聚合物微球進(jìn)行性能調(diào)控后，使其在很多領(lǐng)域都具有了較好的應(yīng)用前景，在提高采收率領(lǐng)域的應(yīng)用主要有調(diào)驅(qū)和堵水兩種。

3.1　微球調(diào)驅(qū)

彈性聚合物微球的膨脹性能良好，其初始粒徑小，注入地層后緩慢膨脹，在壓力差的作用下能夠向地層深部運(yùn)移，形成逐級(jí)封堵，迫使注入水改向，改善油藏注入水剖面，波及低滲透層，從而提高剩余油的采收率［16-18］。聚合物微球深部調(diào)驅(qū)過程如圖3所示。有關(guān)聚合物微球深部調(diào)驅(qū)的研究多種多樣，但對(duì)微球性能的總體要求仍然是“注得進(jìn)—堵得住—能移動(dòng)”［17-20］。

圖3　聚合物微球深部調(diào)驅(qū)過程

研究和應(yīng)用表明：①微球運(yùn)移有效作用距離對(duì)油藏調(diào)剖效果影響顯著，深部調(diào)剖能夠大幅度提高采收率。李秋言等［3］通過掃描電鏡（SEM）觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，巖心注入端微球運(yùn)移5 cm時(shí)，采收率提高14.17%；運(yùn)移15 cm時(shí)，采收率提高18.82%。②微球尺寸與地層孔徑的匹配性會(huì)影響調(diào)剖效果。賈玉琴等［21］在長(zhǎng)慶油田低滲透油藏深部調(diào)驅(qū)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，中低含水階段選用小粒徑微球、高含水階段選用大粒徑微球的堵水效果好。孫千等［22］在吉格森油田淖爾區(qū)塊的柔性微凝膠顆粒（微球）深部調(diào)剖的研究與應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，微球尺寸為孔徑的1/8～1/3時(shí)才能實(shí)現(xiàn)有效封堵。

為提高聚合物微球可用性，使其滿足特種應(yīng)用需求，研究者常通過向微球骨架中嵌入功能單體的結(jié)構(gòu)改性方法來實(shí)現(xiàn)。Tang等［23］制備硅增強(qiáng)聚合物微球，相比于傳統(tǒng)微球，硅增強(qiáng)聚合物微球具有很好的分散性、熱穩(wěn)定性和變形能力。Ji等［24］將O-MMT引入三元共聚物微球中，改善了微球的流動(dòng)特性、力學(xué)性能和黏彈性，使得微球更容易進(jìn)入地層孔隙并在高壓梯度下遷移至堵塞巖心深部。

近年來，聚合物微球驅(qū)油性能也得到了廣泛研究。張艷輝等［25］制備微球型驅(qū)油劑，在冀東南堡陸地油田試驗(yàn)中，4 000 mg/L微球溶液在65 ℃時(shí)的油水界面張力降至10-1mN/m級(jí)別，且驅(qū)油效果不隨微球水化時(shí)間而變化。巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)顯示，先注膠、后注微球的方式能夠提高采收率15.5%。譚雄輝等［26］合成核殼聚合物微球溶液，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)作用40 min就可使油水界面張力由6.2 mN/m降至0.028 mN/m，巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)顯示，微球二次水驅(qū)采收率可達(dá)93.86%。李欣儒等［27］采用反相微乳液法/乳液法合成一種新型聚合物微球PCA，模擬巖心中PCA乳狀液驅(qū)替前后最大壓差為0.231 psi，最終采收率達(dá)68%。

雖然實(shí)驗(yàn)研究均顯示聚合物微球具有良好的應(yīng)用前景，但現(xiàn)場(chǎng)聚合物微球的調(diào)驅(qū)效果參差不齊，且部分區(qū)塊增產(chǎn)效果不明顯［21-22］；單一聚合物微球調(diào)驅(qū)體系的驅(qū)油效果有限，必須依靠加效體系來提高微球調(diào)驅(qū)體系的洗油能力，由此會(huì)提高生產(chǎn)成本。

目前，有關(guān)聚合物微球驅(qū)油機(jī)制的研究還缺乏廣泛的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，對(duì)于微球加效的復(fù)合驅(qū)油體研究還有待進(jìn)一步發(fā)展，傳統(tǒng)的微球材料也難以滿足苛刻地層條件下的油氣藏開發(fā)應(yīng)用。

3.2　堵水

傳統(tǒng)的堵水劑按照油水選擇性可以分為選擇性堵劑和非選擇性堵劑，通過乳液聚合方法合成的聚合物微球是一種高效的選擇性堵劑［1-3］。

與調(diào)驅(qū)不同，堵水將堵劑從生產(chǎn)井注入，在井口附近形成封堵。因此，堵水對(duì)微球的強(qiáng)度要求更高，用作堵劑的聚合物微球的“剛性”備受關(guān)注。從目前的研究與應(yīng)用情況來看，微球堵水技術(shù)的發(fā)展已較為成熟，且在各大油田均有廣泛的應(yīng)用。馬永宇等［28］研究了一種新型耐溫聚合物微球堵劑，該微球在礦化度為10 000 mg/L的140 ℃模擬地層水中溶脹30 d后，對(duì)3 μm孔徑的濾膜仍具有較好的封堵效果，且溫度越高、溶脹時(shí)間越長(zhǎng)，微球?qū)V膜的封堵效果越好。何星等［29］在塔河油田高溫高鹽碎屑巖油藏水平井中的現(xiàn)場(chǎng)堵水試驗(yàn)表明，兩次注顆粒堵劑均無效，注微米級(jí)聚合物微球后，日產(chǎn)量由1.66 t增至6.78 t，含水率降至85.6%，累計(jì)增產(chǎn)原油375 t，說明聚合物微球的堵水效果明顯。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，微球堵劑對(duì)滲透率極差造成的出水油井堵水效果較好。張紅梅［30］為解決油水黏度比大、儲(chǔ)層非均質(zhì)性嚴(yán)重而造成的注水開發(fā)效率低的問題，對(duì)遼河海外河油田現(xiàn)場(chǎng)5口試驗(yàn)井使用一種聚合物微球堵劑，增產(chǎn)效果良好，堵水作業(yè)后日產(chǎn)油量由3.7 t增至5.6 t，含水率由95.8%降至95.2%，累計(jì)增產(chǎn)原油912 t，累計(jì)降水8 188 m3。

對(duì)比傳統(tǒng)的堵水劑，微球堵劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：①聚合物微球是一種選擇性堵劑，不僅具有注入選擇性，還具有封堵選擇性；②聚合物微球注入地層后能夠發(fā)生并聚、架橋作用，封堵強(qiáng)度高；③聚合物微球的耐溫、耐鹽、耐沖刷性能優(yōu)于其他的化學(xué)堵劑。

4　結(jié)論與展望

目前針對(duì)聚合物微球的研究，需要加強(qiáng)理論研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)合。若要解決油田實(shí)際生產(chǎn)中的復(fù)雜難題，還需要深入研究。

1）微球與地層的匹配關(guān)系以及微球的運(yùn)移性能決定其調(diào)堵性能，因此，粒徑是提高微球可用性的主控因素，微球的粒徑控制必然是一個(gè)需要長(zhǎng)期關(guān)注的問題。

2）現(xiàn)有的乳液聚合方法成本高，環(huán)境污染大，且反應(yīng)產(chǎn)物穩(wěn)定性差、粒徑分布不均勻，而分散聚合法和無皂乳液聚合法生產(chǎn)成本低，產(chǎn)物純凈，但反應(yīng)體系不穩(wěn)定，產(chǎn)物固相含量低。因此，加強(qiáng)微球的合成機(jī)制研究，對(duì)于實(shí)現(xiàn)微球的工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。

3）彈性微球適用于地層調(diào)驅(qū)，剛性微球適用于地層堵水，微球粒徑?jīng)Q定注入程度。微球的注入性和驅(qū)油能力決定調(diào)驅(qū)能力，因此在進(jìn)行微球結(jié)構(gòu)調(diào)控時(shí)，也要同步研究加效體系對(duì)微球驅(qū)油性能的影響。

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Research and application progress of polymer microspheres in the field of enhanced oil recovery

Long Yuan1，2，Liu Yang3，Xiang Aozhou1，2，Liu Yulong1，2，Kong Weida1，2

1，，430100，；2，430100，；3，，635000，

Polymer microsphere is a new type of polymer material， which has been widely used in the field of oilfield development. In this paper， the matching relationship between the particle size of polymer microspheres and pore throat of formation and the migration mechanism of polymer microspheres were introduced in detail. Five main synthesis methods of polymer microspheres were reviewed： inverse emulsion polymerization， inverse microemulsion polymerization， inverse suspension polymerization， dispersion polymerization and soap-free emulsion polymerization. The research progress and application status of polymer microspheres in oil field regulation and flooding and water shutoff were analyzed emphatically， and the deficiencies in current research and application were summarized. It had certain guiding significance to promote the research and application of microsphere polymer in enhancing oil recovery.

crude oil recovery； polymer microspheres； synthetic method of polymer microspheres； profile control performance； water shutoff performance； reservoir permeability

2021-11-07

龍遠(yuǎn)，碩士研究生；研究方向：石油與天然氣工程；劉洋（聯(lián)系人），助理工程師；E-mail：1411027045@qq.com

［責(zé)任編輯 周麗娟］