納米聚合物微球調剖劑的性能評價

劉江濤 關小旭 賀桃娥 鐘小紅 易榮軍 李藝 周明

1.中國石化新疆新春石油開發(fā)有限責任公司 2.西南石油大學國家大學科技園 3.重慶市南川區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站 4.西南石油大學新能源與材料學院

隨著常規(guī)調堵措施輪次的增加,近井地帶剩余油飽和度下降,增油效果變差,需要通過深部調堵才能更有效地調整、改善油藏的非均質性,提高注入液體波及系數(shù),從而提高注水采油階段的原油采收率[1-4]。聚合物微球技術是近幾年發(fā)展起來的一種新型深部調堵技術[5-7]。該技術依靠納/微米級遇水膨脹聚合物微球逐級封堵地層孔喉來實現(xiàn)逐級深部調堵效果[8-10]。該體系具有黏度低,可污水配制、在線注入等優(yōu)點[11-13]。將聚合物微球制備成納米級別,可進一步改善低滲油藏的深部調驅效果。長慶油田采用納米聚合物微球進行深部調驅,在胡A長4+5低滲透油藏采用“小粒徑、低濃度、長周期”的注入?yún)?shù),調驅效果明顯提升[14]。聚合物微球與一些具有功能單體的聚合物復配也是一種提高深部調驅效果的有效手段。賴南君[15]將聚丙烯酰胺微球與疏水締合聚合物復配得到非均相復合體系,在高剪切速率下穩(wěn)定性好,黏彈性高,較單獨應用聚合物微球或疏水締合聚合物更能在非均質巖心中建立較強的滲流阻力,從而提高低滲油藏采收率。目前,聚合物微球調驅劑種類較多,在開展低滲透油藏深部調驅現(xiàn)場試驗前需要進行適應性評價。為考查聚合物微球在延長低滲高溫高鹽地層中的調堵性能,對兩性聚合物微球PADC-1的調驅性能進行了系統(tǒng)評價,為現(xiàn)場應用提供依據(jù)。

1 主要實驗材料與儀器

1.1 實驗材料

兩性聚合物微球PADC-1(實驗室自備);KBr、無水CaCl2、NaCl和MgCl2,分析純,成都市科龍化學試劑廠生產(chǎn);模擬地層水,參照新疆油田某作業(yè)區(qū)地層水配制;原油,來自于新疆油田某作業(yè)區(qū)。

兩性聚合物微球PADC-1以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)為單體,采用反相微乳液聚合法制備,分子結構中同時含有正、負電荷基團,具有明顯的反聚電解質效應和等電點現(xiàn)象等[7]。

1.2 實驗儀器

ZEISS EV0 MA15掃描電子顯微鏡,卡爾蔡司顯微圖像有限公司;HAAKE MARS Ⅲ高溫流變儀,賽默飛世爾科技有限公司;Master sizer 2000激光粒度分析儀,英國馬爾文儀器公司;巖心流動驅替實驗裝置,實驗室組裝。

2 測試方法

2.1 微球微觀形貌與基本性能測試

對聚合物微球的微觀形貌、懸浮分散性、黏彈性、流變性進行測試,并以吸水膨脹倍數(shù)為指標,測試了聚合物微球的耐溫耐鹽性。

2.2 剖面改善能力

采用不同滲透率的巖心并聯(lián),以0.2 mL/min的流量進行水驅后,注入0.3 PV質量濃度為2 000 mg/L的聚合物微球調驅劑,再進行水驅至含水率達到98%,測定調驅前后的相對產(chǎn)水量,考查并聯(lián)巖心分流率變化情況。吸水剖面改善率為注入聚合物微球調驅后高、低滲透巖心吸水比之差與調驅前高、低滲透巖心吸水比的比值,其數(shù)值大小可以用來衡量調剖劑改善儲層非均質性效果,按式(1)計算吸水剖面改善率。

(1)

式中：δ為剖面改善率,%;Qh1為調驅前高滲透巖心吸水量,mL;Qh2為調驅后高滲透巖心吸水量,mL;Ql1為調驅前低滲透巖心吸水量,mL;Ql2為調驅后低滲透巖心吸水量,mL。

2.3 驅油性測試

在實驗篩選的最佳注入?yún)?shù)基礎上,選用不同滲透率的低滲透非均質巖心進行驅油效果評價實驗,實驗步驟如下：

(1) 選用不同滲透率的巖心,先飽和模擬地層水,測定巖心孔隙度和水測滲透率。

(2) 以0.2 mL/min的流量向巖心中注入模擬原油,直至巖心出口端全部出油為止,記錄過程中的總出水量Vo(即巖心孔隙油含量),根據(jù)式(2)計算巖心原始含油飽和度So。

(2)

式中：So為巖心含油飽和度,%;Vo為巖心孔隙中含油體積,mL;Vp為巖心的孔隙體積,mL。

(3) 用模擬地層水以相同流量驅替巖心,直至出口端不再出油為止,記錄過程中的總出水量、總出油量,根據(jù)式(3)計算水驅采收率Ro。

(3)

式中：Ro為原油采收率,%;V1為累計采出油的體積,mL;Vo為巖心孔隙中含油體積,mL。

(4) 向巖心夾持器中注入一定量的聚合物微球分散液,在120 ℃下候膨48 h,使其達到一定的膨脹封堵效果。

(5) 再次注入模擬地層水進行后續(xù)水驅至含水率達到98%,計算階段采收率和采收率增幅。

3 結果與討論

3.1 SEM分析

圖1 為兩性PADC-1微球的掃描電鏡圖像。從圖1可看出,在放大30 000倍下,PADC-1微球球形度較好,粒徑分布窄,由Nano Measurement軟件分析計算得到微球粉末平均粒徑約為85.8 nm,屬于納米級,這與反相微乳液聚合產(chǎn)物粒徑較小(20～100 mm)一致。由于納米級的聚合物微球表面自由能較高,使得聚合物微球趨于聚集,微球表面光滑。PADC-1微球粒徑小、表面光滑,運移時阻力較小,有利于微球運移至油藏深部,達到深部調驅的目的。

3.2 懸浮分散性

用模擬地層水(TDS為1.8×105mg/L)配制質量濃度為3 000 mg/L的PADC-1微球溶液,攪拌均勻后將其靜置于密閉的透明試劑瓶中觀察溶液懸浮分散狀態(tài),如圖2所示。

當PADC-1微球乳液分散于模擬地層水時,呈淡黃色半透明黏稠液體,溶液穩(wěn)定、均一,試劑瓶中未發(fā)現(xiàn)較大的微球沉淀與聚集。由于微球含有親水單體AM、AMPS、DMDAAC,可以與水分子之間形成結合力較強的氫鍵,使得微球在水中快速水化,分散能力強,有利于現(xiàn)場配制。

3.3 黏彈性

在線性黏彈區(qū)域通過頻率掃描實驗,得到PADC-1微球彈性模量G′和黏性模量G″,測試結果見圖3。

從圖3可看出,在溫度為25 ℃、頻率為0.1～10.0 Hz時,PADC-1微球彈性模量和黏性模量成波動性變化,但彈性模量始終大于黏性模量,說明微球溶液以彈性為主。當振蕩頻率為1.0 Hz時,微球的彈性模量和黏性模量分別為565.40 Pa和92.83 Pa,絕對數(shù)值較高,表明微球具有良好的黏彈性,現(xiàn)場可利用微球尺寸小、在突破壓力下發(fā)生彈性變形的特點,以適應各種形狀和尺寸的孔喉。

3.4 流變性

在25 ℃下,測試質量濃度為3 000 mg/L的PADC-1微球溶液的剪切黏度隨剪切速率變化關系,結果見圖4。

從圖4可知,PADC-1微球分散體系的剪切黏度隨著剪切速率增大先逐漸下降而后趨于穩(wěn)定。剪切速率在0～200 s-1時,微球的剪切黏度逐漸降低,表現(xiàn)出假塑性流體的特性。根據(jù)Hoffman分散體系層狀理論,微球分散體系具有有序的層狀。當微球分散液受到剪切作用時,微球在所處的層內(nèi)移動,并在層內(nèi)發(fā)生一定形變。因此,整體表現(xiàn)出剪切變稀特性。繼續(xù)增大剪切速率,微球分散體系的剪切黏度基本恒定,這是由于剪切應力對微球的解離和聚集作用達到動態(tài)平衡,此時流體具有牛頓流體的流動特征,從而表現(xiàn)出較低黏度,保證了其具有良好的注入性。

3.5 耐溫耐鹽性

(1) 耐溫性。將用模擬地層水(TDS為1.8×105mg/L)配制的PADC-1微球溶液分別置于25 ℃、60 ℃和120 ℃的恒溫烘箱中,每隔一段時間取樣測定微球平均粒徑并計算膨脹倍數(shù),結果見圖5。

由圖5可知,在同一溫度下,隨著時間的延長,PADC-1微球快速吸水膨脹后逐漸達到溶脹平衡。聚合物微球結構中含有大量酰胺基、磺酸基和季銨根等強親水基團,使得水分子通過高分子鏈相互纏繞等形成的網(wǎng)絡結構滲透到微球內(nèi)部,從而快速吸水膨脹。

隨著溫度升高,PADC-1微球的溶脹倍數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢。一方面,升高溫度加速了聚合物分子鏈運動,使得分子鏈段間的范德華力締合作用減弱;另一方面,溶劑對聚合物微球分子鏈的溶劑化作用逐漸增大,且微球與水分子的締合作用是吸熱過程,升溫有利于增強微球與水分子相互作用。

(2) 耐鹽性。將用去離子水和不同礦化度的模擬地層水配制的PADC-1微球溶液置于120 ℃恒溫烘箱中,然后定期取樣測定平均粒徑并計算膨脹倍數(shù),結果見圖6。

從圖6可知：在相同礦化度下,隨著時間的延長,PADC-1微球快速吸水膨脹后逐漸達到溶脹平衡;隨著礦化度的升高,聚合物微球的吸水膨脹倍數(shù)和平均粒徑逐漸減小。礦化度增大,水中的陽離子對帶有負電荷的聚合物鏈與鄰近陰離子之間形成的靜電場產(chǎn)生屏蔽作用,削弱靜電斥力,聚合物鏈發(fā)生卷曲,導致微球的彈性自由能和水化膨脹能力下降。同時,實驗結果也表明,該聚合物微球在不同礦化度的模擬地層水中具有一定膨脹能力,表明其具有良好的耐鹽性。由于微球分子結構中磺酸基團的存在,能夠改善聚合物對二價離子的耐受性,同時含有的季銨鹽陽離子基,不易受到溶液中Ca2+、Mg2+等的影響,削弱了溶劑中陽離子對聚合物分子鏈的屏蔽作用。

3.6 剖面改善能力分析

采用不同滲透率并聯(lián)巖心模擬油藏地層非均質性,在120 ℃下,按照流動實驗步驟對各巖心進行飽和模擬地層水,然后將雙巖心并聯(lián)處理。以0.2 mL/min的流量注入0.3 PV、質量濃度為3 000 mg/L的PADC-1微球調剖液,然后進行后續(xù)水驅,直至含水率達98%。實驗采用的并聯(lián)巖心的物理參數(shù)和實驗結果分別見表1和表2。

從表2可知：高、低滲透率巖心的吸水能力變化比較明顯,高滲透率巖心分流率有所下降,而低滲透率巖心分流率明顯上升;PADC-1微球調剖劑對滲透率極差為5.15的并聯(lián)巖心的剖面改善率達82.1%。這可能是由于聚合物微球首先進入吸水能力較強的高滲透巖心中,微球不斷吸水膨脹并滯留在巖心中,高滲透巖心的滲流阻力逐漸增大,后續(xù)流體逐漸轉入低滲透巖心中,從而大幅度啟動低滲透率巖心的模擬油,而且聚合物微球具有一定的黏度,能夠改善水流流度比,具有較好的調剖作用。

表1 并聯(lián)巖心基本參數(shù)長度/cm直徑/cm孔隙度/%含油飽和度/%水測滲透率/10-3 μm27.132.5220.164.2195.37.132.5222.265.937.9

表2 微球調剖劑雙巖心調驅實驗結果質量濃度/(mg·L-1)滲透率/10-3 μm2滲透率極差調驅前產(chǎn)液比/%調驅后產(chǎn)液比/%剖面改善率/%1 200 195.337.95.1587.512.556.244.882.1

3.7 驅油實驗分析

選取不同滲透率的低滲透巖心按照實驗步驟分別進行飽和水+飽和油+初次水驅,以0.2 mL/min的流量,注入0.3 PV、質量濃度為3 000 mg/L的PADC-1微球分散液,靜置一段時間后,再次進行水驅,計算水驅采收率、總采收率以及注入微球后采收率增幅。為模擬高溫高礦化度油藏環(huán)境,實驗溫度為120 ℃,地層水礦化度為1.8×105mg/L,巖心基本參數(shù)和驅油效果分別見表3和表4。

表3 巖心基本參數(shù)編號長度/cm直徑/cm巖心干重/g孔隙度/%1#7.132.5163.1924.12#7.122.5262.8721.73#7.132.5263.0122.9

表4 驅油實驗結果編號滲透率/10-3 μm2含油飽和度/%水驅采收率/%總采收率/%提高采收率/%平均提高采收率/%1#32.672.237.7353.4515.722#40.568.543.8058.1714.373#47.965.345.1755.4610.2913.46

從表4可知,在實驗條件下,注入 PADC-1微球分散液后,不同滲透率巖心的采收率平均提高13.46%,說明微球具有較好的提高采收率效果。PADC-1微球溶液注入巖心后,在孔道內(nèi)發(fā)生滯留、堆積、架橋以及膨脹作用,對巖心孔喉實現(xiàn)封堵,注入壓力逐漸增大,孔道內(nèi)的殘余油被驅動。當注入壓力大于微球變形突破壓力時,微球發(fā)生彈性變形,繼續(xù)運移到下一孔喉產(chǎn)生封堵,使微球實現(xiàn)對地層深部逐級調剖,擴大了波及體積。同時,在相同的注入條件下,巖心滲透率越低,提高原油采收率效果越好,可能是由于巖心滲透率較低,其平均孔喉尺寸較小,微球吸水膨脹后的封堵效果更佳,使得流體波及體積增加。

4 結論

(1) 以AM、AMPS和DMDAAC為單體,采用反相微乳液聚合法制備的PADC-1微球,球形度較好,粒徑分布窄,平均粒徑為85.8 nm,微球表面光滑,具有良好的分散性。

(2) PADC-1微球的彈性模量始終大于黏性模量,且絕對數(shù)值較高,具有良好的黏彈性;其分散體系的剪切黏度隨剪切速率增大先逐漸減小,而后趨于穩(wěn)定。

(3) PADC-1微球吸水后快速膨脹,且隨著溫度的升高,溶脹倍數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢,耐溫能力在120 ℃以上;高礦化度雖對聚合物微球吸水膨脹性有一定影響,但在總礦化度為1.8×105mg/L下仍表現(xiàn)出較好的膨脹能力,具有良好耐鹽性。

(4) PADC-1微球調剖劑對滲透率極差為5.15的并聯(lián)巖心的剖面改善率達82.1%,對不同滲透率巖心的采收率平均提高13.46%,說明微球均具有較好的提高采收率效果。