納米微球粒徑的影響因素研究

孫林濤，王紀(jì)云，趙春旭，束華東，王 熙，劉艷華，楊力生

（河南油田勘探開發(fā)研究院，河南 南陽473132）

進(jìn)入二十世紀(jì)90 年代后，油藏的非均質(zhì)性對(duì)水驅(qū)和化學(xué)驅(qū)驅(qū)替液波及系數(shù)的影響日益嚴(yán)重，研究者開始認(rèn)識(shí)到只有通過深部調(diào)剖，才能更經(jīng)濟(jì)有效地調(diào)整及改善油藏的非均質(zhì)性，提高注入液的體積波及系數(shù)，從而提高原油采收率[1]。

有效的深部調(diào)剖技術(shù)必須做到在油藏中進(jìn)得去、堵得住。而納米微球作為一種新型的逐級(jí)深部調(diào)驅(qū)技術(shù)，近年來成為國內(nèi)外三采技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一，納米微球技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型深部調(diào)剖堵水技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)包括受外界影響小，可以直接用污水配制，耐高溫高鹽，以及注入無粘度、無污染、成本較低等[2]。納米微球在水中非常穩(wěn)定，初始的直徑非常小，可以通過地層近井地帶的孔喉，在地層水的作用下緩慢的發(fā)生膨脹或者由于相互交聯(lián)會(huì)變大，最后形成足夠大的球，封堵滲水通道的孔喉，迫使注入水改向，流進(jìn)高含油的低滲層；材料在封堵一段時(shí)間后，附近含油層都進(jìn)入注入水，變成滲水層后，幾乎所有的孔喉都會(huì)被封堵，注入水的壓力就會(huì)提高，球體就會(huì)在壓力的作用下變形，穿過孔喉，在下一個(gè)孔喉形成封堵，這樣的過程循環(huán)往復(fù)，所注入的微球一次次的封堵滲水通道，一次次的造成液流改向，就可以有效的改善驅(qū)替液的滲流，擴(kuò)大驅(qū)替液波及體積，提高采出速度和采收率，降低油井的含水。因此，研究納米微球粒徑的影響因素，對(duì)該技術(shù)調(diào)剖堵水性能的優(yōu)化及與地層相匹配的微球體系的設(shè)計(jì)其有重要的指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

Zeta 電位納米粒度分析儀、電子天平等；Ⅰ型納米微球，NaCl，CaCl2，MgCl2，Na2CO3。

1.2 納米微球溶液的配制及微球粒徑測(cè)定

用去離子水和NaCl、MgCl2、CaCl2配制所需的模擬水，用模擬水配制所需納米微球溶液，在一定溫度下放置數(shù)天讓微球水化膨脹。取水化好的納米微球溶液，放入樣品池中，設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)后，用Zeta電位納米粒度分析儀測(cè)定微球粒徑，研究影響粒徑變化的因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米微球溶液初始粒徑分析測(cè)定

用去離子水配制所需納米微球溶液，充分?jǐn)嚢韬笤?0℃條件下測(cè)量納米微球粒徑，測(cè)得的初始粒徑為0.06～0.5μm 之間，平均粒徑0.0758μm。其結(jié)果見圖1。

圖1 納米微球初始粒徑Fig.1 Initial nanometer microspheres particle size

2.2 礦化度對(duì)納米球粒徑的影響

NaCl 分別配制礦化度為0、1000、3000、5000、10000mg·L-1的5 個(gè)濃度為2000mg·L-1納米微球溶液，置于53℃烘箱中老化，考察0、5、10、20、30d 時(shí)的粒徑變化。測(cè)量結(jié)果見圖2。

圖2 礦化度對(duì)膨脹性能的影響Fig.2 Effect of Salinity on the properties of expansion

由圖2 可以看出，納米微球在不同礦化度下隨著老化時(shí)間的增加，發(fā)生水化膨脹，粒徑增加，老化20d 后達(dá)到最大值。老化30d 后，礦化度為0mg·L-1時(shí)納米微球膨脹的平均粒徑最大，為5.86μm，礦化度為10000mg·L-1時(shí)納米微球膨脹的平均粒徑最小，為4.98μm。

隨著礦化度的增加，在相同的老化時(shí)間里，納米微球平均粒徑逐漸減小。說明隨著礦化度的增加，對(duì)納米微球的膨脹性能有一定的抑制作用。

總體上礦化度從0 到10000mg·L-1的范圍內(nèi)，納米微球溶液的平均粒徑都在5μm 左右，說明納米微球具有一定的抗鹽性。

2.3 硬度對(duì)納米球粒徑的影響

實(shí)驗(yàn)考察了NaCl 濃度為3000、5000mg·L-1的水溶液里分別加入Ca2+和Mg2+（按1∶1 的比例）0、50、100mg·L-1，然后分別配制成2000mg·L-1的納米微球溶液，置于53℃烘箱中老化，并在老化0、5、10、20、30d 時(shí)測(cè)量其粒徑。測(cè)量結(jié)果見圖3。

圖3 硬度對(duì)膨脹性能的影響Fig.3 Effect of Hardness on the properties of expansion

由圖3 可以看出，納米微球在NaCl 濃度為3000、5000mg·L-1的水質(zhì)中加入不同的Ca2+和Mg2+濃度，仍存在老化水化膨脹現(xiàn)象。老化30d 時(shí)，Ca2+/Mg2+濃度從0 增加到100mg·L-1，NaCl 濃度為3000mg·L-1樣品，納米微球平均粒徑從5.451μm 降低至5.382μm；NaCl 濃度為5000mg·L-1，納米微球的平均粒徑從5.226μm 降低至4.871μm。隨著Ca2+和Mg2+濃度的增加，在相同的老化時(shí)間里，納米微球平均粒徑逐漸減小。說明隨著Ca2+和Mg2+濃度的增加，對(duì)納米微球的膨脹性能有一定的抑制作用。

經(jīng)30d 老化后，Ca2+和Mg2+濃度含量在0 到100mg·L-1范圍內(nèi)的納米微球溶液平均粒徑都為5μm 左右，說明納米微球具有一定的抗鈣鎂性。

這是因?yàn)镃a2+和Mg2+二價(jià)陽離子對(duì)聚丙烯酰胺納米微球中酰胺基水解產(chǎn)生的羧酸根陰離子有一定的屏蔽效應(yīng)，使羧酸根陰離子間的靜電排斥有所減弱，進(jìn)而造成納米微球的水化膨脹程度減弱[3]。

2.4 pH 值對(duì)納米球粒徑的影響

用下二門污水配制2000mg·L-1的納米微球溶液，并調(diào)節(jié)（HCl 或Na2CO3溶液）溶液的pH 值至6、7、8、9、10。置于53℃烘箱中老化，在老化0、5、10、20、30d 時(shí)測(cè)量其粒徑。測(cè)量結(jié)果見圖4。

圖4 可以看出，pH 值為6～10 的范圍內(nèi)，納米微球都會(huì)隨著老化時(shí)間的增加，發(fā)生水化膨脹，粒徑增加，老化20d 后達(dá)到最大值。老化30d 時(shí)，pH值為8 時(shí)納米微球膨脹的粒徑最大，為5.641μm，pH 值為6 時(shí)膨脹的粒徑最小，為4.92μm。但pH 值在6～10 的范圍內(nèi)平均粒徑都在5μm 左右，差異較小，說明納米微球具有一定的抗酸堿性。

圖4 pH 值對(duì)膨脹性能的影響Fig.4 Effect of pH value on the performance of expansion

2.5 溫度對(duì)納米球粒徑的影響

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了用下二門污水配制的濃度為2000 mg·L-1的納米微球溶液，在30、50、70、80℃下溫度對(duì)膨脹性影響，老化時(shí)間分別為0、5、10、20、30d，測(cè)量結(jié)果見圖5。

圖5 溫度對(duì)膨脹性能的影響Fig.5 Effect of temperature on the performance of expansion

由圖5 可以看出，納米微球在30～80℃下隨老化時(shí)間的增加，粒徑漸漸增加，發(fā)生水化膨脹，老化20d 后達(dá)到最大值。老化30d 后，溫度為30℃時(shí)納米微球膨脹的平均粒徑最小，為5.012μm，溫度為80℃時(shí)納米微球膨脹的平均粒徑最大，為6.241μm。

在相同的老化時(shí)間下，溫度越高，膨脹性能越好，平均粒徑越大，這是因?yàn)闊釋?duì)聚丙烯酰胺的水解有一定促進(jìn)作用，可以加快納米微球的水化膨脹。

3 結(jié)論

適量的礦化度有助于微球的溶脹，Ca2+和Mg2+的存在會(huì)抑制微球溶脹；適合的pH 值有助于微球的溶脹；溫度越高微球體系的膨脹速度越快。

［1] 殷艷玲，張貴.化學(xué)堵水調(diào)剖劑綜述［J].油氣地質(zhì)與采收率，2003,10（6）：64-66.

［2] 林梅欽,董朝霞,彭勃，等.交聯(lián)聚丙烯酰胺微球的形狀與大小及封堵特性研究［J].高分子學(xué)報(bào),2011,23（1）:48-53.

［3] 王濤，肖建洪，孫煥泉，等.聚合物微球的粒徑影響因素及封堵特性［J].油氣地質(zhì)與采收率，2006,13（4）:80-82.