新型溫度自適應(yīng)性驅(qū)油劑的合成及性能評(píng)價(jià)

李 勇, 樊紅旗, 向 榮, 東野升富, 彭國勛, 李靜瑞, 蔣筑陽, 于小榮

(1. 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院壓裂酸化研究所，陜西 西安 710018；2. 中國石油天然氣股份有限公司 長慶油田分公司第二采油廠工藝研究所，甘肅 慶陽 745100；3. 中國石油天然氣股份有限公司 長慶油田分公司第二采油廠產(chǎn)能建設(shè)項(xiàng)目組，甘肅 慶陽 745100；4. 長江大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434100)

近年來，我國能源進(jìn)口量逐年增長[1]。截至2019年底，原油進(jìn)口達(dá)5.1億噸，對(duì)外依存度高達(dá)74.25%，國家能源安全受到嚴(yán)重威脅[2-4]。我國低滲透油氣資源豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已探明的儲(chǔ)量中，低滲透、特低滲油藏約占2/3以上，開發(fā)潛力巨大[5-8]。然而，低滲透油藏孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、均質(zhì)性強(qiáng)等特點(diǎn)導(dǎo)致開采難度大[9]。針對(duì)這一現(xiàn)狀，諸多調(diào)驅(qū)技術(shù)相繼出現(xiàn)，其中聚合物驅(qū)占主要地位[10-16]。

聚合物驅(qū)油中使用的聚合物主要為均聚聚丙烯酰胺，劉存輝[17]等以C—C 為主鏈，引入具有親油疏水基團(tuán)的功能單體，并在表面活性劑的增溶作用下，將疏水功能單體有序嵌入主鏈上，制備出活性乳化聚丙烯酰胺驅(qū)油劑。該驅(qū)油劑具有一定的增粘能力、粘度穩(wěn)定性與乳化能力。劉笑春等[18]通過陰離子/非離子/兩性表面活性劑復(fù)配，制備了低界面張力驅(qū)油用 HW-2表活劑體系，該體系具有較好的乳化性能，能夠降低巖層對(duì)原油的吸附力。然而，目前研究的聚合物體系不僅耐高礦化度和剪切性能欠佳，且溫敏性能較差。

溫度自適應(yīng)性驅(qū)油劑是一種以丙烯酰胺為主鏈的智能聚合物，其微觀結(jié)構(gòu)會(huì)隨溫度變化而變化，從而導(dǎo)致粘彈性變化。溫度自適應(yīng)性驅(qū)油劑可滿足不同溫度油藏的需要，實(shí)現(xiàn)深部調(diào)驅(qū)，提高面積和垂向波及效率與波及系數(shù)，提高驅(qū)油效率。

本文以丙烯酰胺(AM)、 2-甲基-2-丙烯酰胺基-丙磺酸(AMPS)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)、甲基丙烯醇聚氧乙烯醚(HEPG)為單體，過硫酸鉀(K2S2O8)為引發(fā)劑，制備溫度自適應(yīng)性驅(qū)油劑PMHA，其結(jié)構(gòu)和微觀形貌經(jīng)IR和SEM等表征。采用巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了PMHA的驅(qū)油性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

JSM-IT 300型掃描電子顯微鏡；Brookfield DV-3T型流變儀；TGA-4000型熱重分析儀；Nicoleti-S5型傅里葉變換紅外光譜儀；HKY-2型巖心驅(qū)替裝置。

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

將 AM、 AMPS、 DMC、 HPEG(摩爾比5/5/2/1)和水按投料比溶解于三頸燒瓶中;用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)體系 pH至7.5，通氮?dú)?0 min，于65 ℃加入適量引發(fā)劑，保溫反應(yīng)5 h。用無水乙醇沉淀聚合物，再用丙酮洗滌多次，于50 ℃真空干燥24 h，粉碎得聚合物PMHA。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

(1) IR

圖1為PMHA的IR譜圖。由圖1可知，3145.38 cm-1處特征峰為O—H的伸縮振動(dòng)吸收峰；2856.24 cm-1和2921.67 cm-1處特征峰為甲基和亞甲基的伸縮振動(dòng)吸收峰；1652.72 cm-1處特征峰為C=O的伸縮振動(dòng)吸收峰；1396.23 cm-1處特征峰為亞甲基的變形振動(dòng)吸收峰；1112.73 cm-1處特征峰為醚鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰[19]。

ν/cm-1

(2) TGA

圖2為PMHA的TGA曲線。由圖2可知，PMHA的熱失重分為3個(gè)部分，第一部分在0～180 ℃，熱失重為8.93%，該階段主要是結(jié)合水和易揮發(fā)組分等揮發(fā)所致。第二部分在180～350 ℃，熱失重為28.19%，該階段主要是酰胺基團(tuán)分解所致；第三部分在350～450 ℃，熱失重為33.97%，為分子主鏈裂解所致，且該階段熱失重最多。當(dāng)溫度超過450 ℃以后，PMHA質(zhì)量基本不變，表明PMHA有較好的熱穩(wěn)定性。

Temperature/℃

圖3 PMHA的SEM圖片

(3) SEM

圖3為PMHA的SEM照片。由左圖可知，PMHA在水溶液中形成絲網(wǎng)狀的交聯(lián)結(jié)構(gòu)；由右圖可知，PMHA具有均勻規(guī)整的空間結(jié)構(gòu)，分子鏈鏈彼此交錯(cuò)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且分子鏈粗細(xì)均勻，網(wǎng)孔大小基本一致。

2.2 性能測試

(1) 增粘性能

圖4為PMHA的濃度-粘度曲線。由圖4可見，在25 ℃下，PMHA的濃度增大，其粘度不斷增大，粘度與濃度表現(xiàn)出較好的正線性相關(guān)性。濃度為2000 mg/L時(shí)，粘度為100.8 mPa·s，具有較好的增粘性能。

濃度/mg·L-1

Temperature/℃

(2) 抗溫性能

圖5為PMHA的溫度-粘度曲線。由圖5可見，PMHA溶液的粘度隨溫度的增加呈現(xiàn)先下降再升高，最后下降的特征。溫度為20 ℃時(shí)，PMHA的粘度為80.2 mPa·s，溫度在20～40 ℃時(shí)，粘度略有下降，當(dāng)溫度升高至50 ℃時(shí)，粘度升高至72.5 mPa·s。溫度對(duì)聚合物粘度的影響是由多個(gè)因素共同作用的。在溫度不斷升高的過程中，疏水基團(tuán)和水分子的熱運(yùn)動(dòng)均加劇，使疏水作用減弱，粘度下降；疏水締合是一個(gè)吸熱的熵驅(qū)動(dòng)過程，溫度進(jìn)一步升高導(dǎo)致締合作用增強(qiáng)，該作用比分子熱運(yùn)動(dòng)影響更大，聚合物溶液的粘度會(huì)略有增加；溫度繼續(xù)升高，離子基團(tuán)的熱運(yùn)動(dòng)加劇，靜電斥力作用減弱，分子鏈?zhǔn)湛s，共同表現(xiàn)為粘度降低[20]。當(dāng)溫度為100 ℃時(shí)，粘度為43.1 mPa·s，可見PMHA的總體粘度保留率在50%以上，耐溫性能較好。

表1 PMHA的抗剪切性能

礦化度/mg·L-1

PV

(3) 抗鹽性能

圖6為PMHA礦化度-粘度曲線。由圖6可知，PMHA的粘度呈現(xiàn)隨礦化度升高而減小的趨勢。PMHA的初始粘度為100.8 mPa·s，當(dāng)?shù)V化度為5000 mg/L時(shí)，粘度迅速降到66.6 mPa·s，可見礦化度升高后，粘度會(huì)急劇降低。礦化度達(dá)到10000 mg/L以上，粘度降低至30 mPa·s以下，礦化度由10000 mg/L變?yōu)?0000 mg/L時(shí)，粘度保留率為71.8%。其原因在于，礦化度升高，溶液極性增強(qiáng)，促使水溶液中疏水基團(tuán)分子間疏水締合程度加劇，與水分子的接觸體積減小，分子間締合能力減弱，流體力學(xué)體積變小，宏觀表現(xiàn)為溶液粘度降低，因此PMHA具有較好抗鹽性能。

(4) 抗剪切性能

表1為PMHA的抗剪切性能評(píng)價(jià)結(jié)果。由表1可知，剪切后PMHA的粘度呈下降趨勢，但在不同礦化度條件下，降低程度有所差異。PMHA在去離子水中粘度為100.8 mPa·s，經(jīng)過剪切后，粘度下降為52.9 mPa·s，粘度保留率為52.48%，在6000 mg/L礦化水中，粘度保留率更低，為39.21%。由此可知，剪切作用弱化了聚合物分子間的作用力，甚至分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，宏觀表現(xiàn)為剪切作用后，聚合物粘度降低。礦化度升高，分子間作用力進(jìn)一步弱化，剪切作用對(duì)聚合物分子間作用力的弱化程度加劇，因此礦化度升高，粘度保留率更低。。

(5) 注入性能

圖7為PMHA的PV-P曲線。由圖7可以看出，滲透率為30.4×10-3μm2的巖心，注入2000 mg/L的PMHA后，注入壓力有一定的上升，二次水驅(qū)壓力下降，全過程驅(qū)替壓力小于0.05 MPa。由此可知，PMHA注入壓力偏低，對(duì)于滲透率為30.4×10-3μm2的巖心，注入性良好。

(6) 驅(qū)油性能

表2為PMHA的驅(qū)油效果,圖8為PMHA的驅(qū)油性能評(píng)價(jià)曲線。由表2和圖8可知，一次水驅(qū)穩(wěn)定壓力為0.05 MPa,注入PMHA后驅(qū)替壓力突增，達(dá)到1.1 MPa，后續(xù)水驅(qū)壓力逐漸降低，穩(wěn)定值為0.21 MPa。由表2可知，注入PMHA后，采收率增幅為25.51%。分析可知，注入PMHA能夠進(jìn)入巖心，對(duì)巖心進(jìn)行封堵，提高驅(qū)替壓力。此外，PMHA粘度較大，注入巖心后，具有提拉攜帶作用，兩者協(xié)同作用，顯著提高原油采收率[21-22]。

表2 PMHA驅(qū)油效果

孔隙體積倍數(shù)

3 結(jié)論

合成了溫度自適應(yīng)性驅(qū)油劑PMHA。 PMHA具有較好的熱穩(wěn)定性，在水溶液中呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：2000 mg/LPMHA具有良好的抗溫抗鹽抗剪切性能。溫度為100 ℃時(shí)，粘度保留率達(dá)到50%以上。礦化度由10000 mg/L增大到80000 mg/L時(shí)，粘度保留率達(dá)到71.8%；巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)表明，PMHA具有良好的注入性和提高采收率效果。注入0.5 PV 2000 mg/L的PMHA后，采收率增幅達(dá)25.51%。