新型在线复合调驱体系及其聚集特性研究.pdf
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1、新型在线复合调驱体系及其聚集特性研究铁磊磊,王浩颐,李 翔,常 振,冀文雄(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部,天津3 0 0 4 5 9)摘要:针对水窜速度大于5m/d,渗透率超过50 0 01 0-3m2的地层,以丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵等为单体,采用反相乳液聚合法制备了双层聚合物微球和乳液聚合物,并将其复配的制得一种新型在线复合调驱体系。实验结果表明:在6 5下老化5d后,高浓度新型在线复合调驱体系聚集形成网状体型聚集体;双层聚合物微球与乳液聚合物之间的非共价键作用是体系增黏的主要原因;采用先注入乳液聚合物后注入双层聚合物微球的方式,其封堵效率可达8 6.6%。
2、关键词:新型在线复合调驱体系 双层聚合物微球 乳液聚合物 聚集特性 封堵运移特性中图分类号:T E 3 5 7.4 6 文献标识码:A D O I:1 0.2 0 0 7 5/j.c n k i.i s s n.1 0 0 3-9 3 8 4.2 0 2 3.0 4.0 0 2 乳液聚合物因其特殊的乳液性质,可以实现在注入水中迅速分散,不需要特殊的溶解熟化设备,施工便捷,但在实际应用中受地层高温、吸附滞留和剪切降解等条件影响较大,使其调堵效果大幅度下降1-3。聚合物微球由于其可以真正进入地层深部发挥作用而成为近年来发展起来的一项新型深部调驱技术,它对弱水窜突进程度、中等渗透率条件的地层具有较好
3、的适应性4-8。双层聚合物微球,其核心层带有阳离子电荷,外壳层带有阴离子电荷,在油藏地层水温度和矿化度作用下,核心层的阳离子基团逐渐暴露出,使其发生自结合,从而实现粒径增大和封堵能力的提高9-1 2。然而,对 于 水 窜 速 度 超 过5 m/d,渗 透 率 超 过50 0 01 0-3m2的地层,双层聚合物微球封堵效率仅为6 9.5 7%,作用效果较聚合物微球提升相对有限1 3。为了使得乳液聚合物能够进入到地层深部,同时提升双层聚合物微球的作用效果,笔者选择乳液聚合物与双层聚合物微球复合使用。在油藏地层水温度和矿化度作用下,双层聚合物微球核心层的阳离子基团逐渐暴露出来,与乳液聚合物的阴离子基
4、团产生非共价键的相互作用,形成一种网状体型聚集体,具有较好的封堵效果,达到协同增效的目的,作用原理如图1所示。本工作通过制备具有不同电荷量的双层聚合物微球、不同水解度的乳液聚合物以及改变双层聚合物微球的浓度,研究了新型在线复合调驱体系的聚集特性,并对最佳配制浓度下的体系进行了封堵运移特性研究,以期为现场应用提供数据支撑。图1 新型在线自聚集调驱体系作用原理1 实 验1.1 主要试剂与仪器白油、无水乙醇,工业级;丙烯酰胺,工业聚合级;丙烯酸、丙烯酸醋三甲基氯化铵,工业高纯聚合级;氢氧化钠、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、亚硫酸氢钠、氯化钠、氯化钙、氯化镁、硫酸钠、碳酸氢钠,分析纯。模拟地层水
5、:由目标油藏采出水分析结果配制(总矿化度58 6 3.2 7m g/L,C a2+、M g2+离子总含量:7 0.9 8m g/L)。B r o o k f i e l d D V-U l t r a型 旋 转 黏 度 仪;HT 7 7 0 0生物透射电子显微镜;单砂管人工填砂驱替实验装置:L P 1 0 C平流泵,J Y B-C压力传感器,Z 9 1-B C活塞搅拌罐,砂管(管长1 0 0c m,管直径2.6c m)。1.2 实验方法1.2.1 乳液聚合物的制备根据实验要求的不同水解度条件,调节丙烯 收稿日期:2 0 2 2 0 6 1 3;修改稿收到日期:2 0 2 3 0 1 0 6作者
6、简介:铁磊磊(1 9 8 2),工程师硕士,研究方向为油田化学与提高采收率。E-m a i l:t i e l l c n o o c.c o m.c n基金项目:中海油集团公司科技项目(E-2 3 2 1 7 0 0 4)5第4 0卷 第4期2 0 2 3年7月精 细 石 油 化 工S P E C I A L I T YP E T R O C HEM I C A L S 酸占单体总量的百分比,采用油包水型反相乳液共聚 合 工 艺,低 温 控 制 聚 合 技 术,制 备1 0%、2 0%、3 0%及4 0%水解度的乳液聚合物试样。1.2.2 双层聚合物微球的制备根据实验要求的不同电荷量条件,调
7、节核层与壳层电荷量比,采用油包水型反相乳液共聚合工艺,低温控制聚合技术,制备的双层聚合物微球如下表1所示。表1 双层聚合物微球试样编号及类型试样编号试样类型1双层聚合物微球,核层与壳层电荷量比为132双层聚合物微球,核层与壳层电荷量比为113双层聚合物微球,核层与壳层电荷量比为314纯阳离子微球1.2.3 透射电子显微镜观测乳液聚合物和双层聚合物微球单独配制质量浓度1.0 0 0g/L,新型在线复合调驱体系根据实验需要先进行混合搅拌,然后在6 5 下老化5d后取出,铜网点样,染色剂染色,待自然风干后观察。1.2.4 黏度测定在6 5、6r/m i n转速下,使用0#转子测定表观黏度。1.2.5
8、 封堵运移特性测定按实验要求配制调驱体系。1)乳液聚合物:乳液聚合物(3 0%水解度)3.0 0 0g/L;2)双层聚合物微球:双层聚合物微球(核层与壳层电荷量比为13)8.0 0 0g/L;3)新型在线复合调驱体系:乳液聚合物3.0 0 0g/L与双层聚合物微球3.0 0 0g/L(低浓度)、8.0 0 0g/L(高浓度)复配。砂管在6 5条件下,以0.5m L/m i n流量注入模拟地层水,注入压力稳定后按变形的D a r c y定律计算其渗透率(K),见式(1);当水驱压力稳定后,按0.5 m L/m i n流 量 注 入 调 驱 体 系0.5P V,在恒温箱中的放置一定时间后再次水驱,
9、按式(2)计算其封堵率()。K=1 06QLAP(1)=K1-K2K1(2)式中:Q是液体流量,m L/m i n;是水 的黏度,m P as;L是砂管长度,c m;A是砂管横截面积,c m2;P是砂管两端压力差,k P a。K1、K2分别是调驱前、调驱后的砂管渗透率,1 0-3m2。2 结果与讨论2.1 不同体系聚集形态图2为4种调驱体系的微观结构。由图2可见,水解度3 0%的乳液聚合物为线型或线团状高分子形态,其地层模拟水分散液微观形态则呈线珠状,线型表面不光滑,间隔出现线团状聚集体,主要是因为在地层模拟盐水的作用下,高分子链条中丙烯酸钠电离出的羧酸根受高价钙镁离子的影响,使得高分子链呈现
10、卷曲状态;在合成过程中加入的表面活性剂存在羟基,具有一定的链转移作用,在自由基聚合过程中,部分表面活性剂会链转移到高分子链条中,使得高分子链条部分出现疏水特性,在水溶液中呈现团聚状态。双层聚合物微球水分散液核心层颜色较深,为未水化层,周边存在一定颜色较浅的水化层,整体呈明显的类球形聚集体,这是由于双层聚合物微球带有阴阳两种离子,微球之间可以产生非共价键作用,从而实现聚集粘连。对于新型在线复合调驱体系,双层聚合物微球浓度较低时,只有部分微球在乳液聚合物链条的边缘进行吸附,导致形成的聚集体相对较小;双层聚合物微球浓度较高时,双层聚合物微球核心层的阳离子基团逐渐暴露出来,与乳液聚合物的阴离子基团产生
11、非共价键的相互作用,形成一种网状体型聚集体。同时,双层聚合物微球间也通过相互作用也会形成较大的团集体,团聚体与乳液聚合物作用后会形成体型更大的网状体型聚集体。图2 不同体系聚集形态地层模拟水分散液电镜照片2.2 单因素对新型在线复合调驱体系聚集特性的影响2.2.1 双层聚合物微球质量浓度水解度3 0%的乳液聚合物与双层聚合物微6 精 细 石 油 化 工2 0 2 3年7月球(核层与壳层电荷量比13)混合后在6 5下老化5d,体系黏度变化如图3所示。由图3可见,新型在线复合调驱体系的黏度随双层聚合物微球加入量的增加而增加,且在双层聚合物微球质量浓度大于4g/L时出现黏度突变,这是由于乳液聚合物存
12、在一定的水解度,其高分子链条上带有阴离子基团,而双层聚合物微球核心带有阳离子,双层聚合物微球与乳液聚合物可以形成非共价键作用的超分子体系。此外,在乳液聚合物的制备工艺中,部分表面活性剂上的羟基基团在自由基聚合的过程中会转移到高分子链条上,使得乳液聚合物带有部分疏水基团,疏水基团相互之间还可以产生类缔合的相互作用,增加复配体系的黏度。图3 新型在线复合调驱体系黏度与微球加入量的关系2.2.2 双层聚合物微球电荷量水解度3 0%的乳液聚合物与不同阳离子电荷含量的双层聚合物微球复配体系在6 5 下老化5d后黏度变化如图4所示。图4 不同阳离子电荷量下复配体系黏度与微球加入量的关系由图4可见,纯阳离子
13、微球由于没有壳层阴离子的阻挡,阳离子直接与乳液聚合物的阴离子链发生相互作用,在低浓度时复配体系黏度上升幅度相对较大,但随着微球浓度的增加,黏度增加趋势放缓,相对阳离子含量较低的其他3种微球,复配体系黏度则出现突然变大趋势,上升幅度明显。这主要是由于在微球加入量增大时,除了微球与乳液聚合物之间的非共价键作用外,微球与微球之间也会因非共价键作用而形成团聚体,这种大的团聚体再与乳液聚合物相互作用形成更大的网状体型聚集体,从而使复配溶液黏度快速上升。在实验条件下,加入相同的双层聚合物微球,当微球内外层电荷量比为13时,其复配溶液黏度增幅最大,上升明显。2.2.3 乳液聚合物水解度不同水解度乳液聚合物与
14、双层聚合物微球复配体系在6 5 下老化5d后黏度变化如图5所示。从图5可以看出,乳液聚合物水解度为2 0%时,复配后体系黏度随双层聚合物微球浓度增加没有出现明显的“平台期”,黏度上升很快;而随着乳液聚合物水解度的增加,复配后的体系黏度变化则存在明显的“平台期”,这是由于随着双层聚合物微球浓度的增加,复配体系中的疏水基团及表面活性剂浓度也随之增加,使乳液聚合物高分子链条上的部分离子基团被屏蔽,削弱了两者之间的阴阳离子相互作用,表现出曲线上的“平台期”,乳液聚合物水解度越高,“平台期”持续时间越长。图5 不同水解度乳液聚合物复配体系黏度与微球加入量的关系综上所述,乳液聚合物与双层聚合物微球两者之间
15、的非共价键作用是新型在线复合调驱体系增黏的主要原因;双层聚合物微球自身的非共价键作用形成大的团聚体是次要原因;乳液聚合物高分子链中少量疏水基团和双层聚合物微球表面少量的疏水基团以及表面活性剂之间的相互作用是辅助原因。2.3 新型在线复合调驱体系的封堵运移特性2.3.1 注入乳液聚合物溶液为模拟乳液聚合物在强水窜油藏中的作用效7第4 0卷 第4期铁磊磊,等.新型在线复合调驱体系及其聚集特性研究 果,以0.5m L/m i n的注入速度将其注入到渗透率为49 2 81 0-3m2的填砂管中,在6 5下老化5d后再次水驱,各测压点的压力与注入体积的关系如图6所示。由图6可见,单独注入乳液聚合物时,封
16、堵效率为9 1.3%,平均残余阻力系数为1 1.5,体系压力值上升明显,转注水后,压力值并没有出现明显的下降,说明主要是聚合物在砂岩孔隙中吸附滞留相对较多。由于乳液聚合物在制备过程中添加的表面活性剂带有羟基,在聚合的过程中带有羟基的表面活性剂会通过链转移作用接到乳液聚合物的高分子链上,使得乳液聚合物具有一定的疏水作用,在注入到砂管多孔介质中后,带有部分疏水基团的乳液聚合物更容易被砂岩所吸附,产生滞留,从而降低了砂管的平均渗透率,表现为压力上升十分明显。图6 注入乳液聚合物砂管压力与注入体积的关系2.3.2 注入双层聚合物微球溶液以0.5m L/m i n的注入速度将双层聚合物微球注入渗透率为4
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