一種聚丙烯酰胺類堵水劑的合成與評(píng)價(jià)

鮑彥鋒(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司，天津 300450)

0 引言

我國(guó)大部分油田利用注水驅(qū)油法來(lái)提高采收率和采油速度。油田注水開發(fā)后期，所采出的油藏越來(lái)越少，致使采油成本逐年增加[1]。需選取高效堵水劑對(duì)高含水層進(jìn)行有效封堵，以提高原油采出率[2]。

聚丙烯酰胺具有遇油體積收縮，遇水體積膨脹幾十倍的特點(diǎn)，在采油過(guò)程中能起到良好的堵水效果。聚丙烯酰胺類堵水劑可以通過(guò)反相乳液聚合制備，合成工藝簡(jiǎn)單，殘余單體含量少，分子量分布窄，分子量高，且成本較低，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)、Span-80、Tween-80、過(guò)硫酸銨、亞硫酸氫鈉、氫氧化鈉、無(wú)水乙醇。

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1.2 堵水劑制備

將Span-80加入3#白油中，攪拌溶解，作為反應(yīng)油相；將NaOH溶于水，慢慢加入配方量的單體AA、AM, 攪拌溶解后，加入交聯(lián)劑MBA、Tween-80，攪拌均勻作為水相。將配制好的水相緩緩加入油相，通氮?dú)鈹嚢杓s20min, 并用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至8左右。然后加入引發(fā)劑過(guò)硫酸銨和亞硫酸氫鈉溶液，保溫聚合一段時(shí)間，可得乳液產(chǎn)物[5]。

1.3 性能測(cè)定

1.3.1 轉(zhuǎn)化率測(cè)定

反應(yīng)產(chǎn)物用甲醇破乳，無(wú)水乙醇反復(fù)洗滌后，經(jīng)過(guò)沉淀，減壓抽濾，烘干后即可得固體的聚丙烯酰胺微粒，更有利于運(yùn)輸和施工，降低使用成本[6]。產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率計(jì)算公式如式1所示：

式中：w為產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率(%)；m1為聚丙烯酰胺乳液質(zhì)量(g)；m2為聚丙烯酰胺粉末質(zhì)量(g)；x為聚丙烯酰胺乳液理論固含量(%)。

1.3.2 中值粒徑測(cè)定

產(chǎn)品的粒徑大小會(huì)直接影響注入后的封堵率，如果粒徑太大，容易出現(xiàn)無(wú)法注入，在近井地帶堵塞的情況；如果粒徑太小，聚合物微粒容易直接通過(guò)高滲通道，無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)剖堵水的作用。使用激光粒度分析儀測(cè)量產(chǎn)品的粒徑大小與分布。

1.3.3 溶脹倍率測(cè)定

在油藏深部堵水過(guò)程中，堵水劑在合適的時(shí)間內(nèi)溶脹倍率適當(dāng)時(shí)，才可以有效的封堵不同滲透率的孔隙吼道，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)調(diào)驅(qū)的作用。溶脹倍率有主要運(yùn)用稱重法計(jì)算[7]：將乳液破乳干燥成微粒，稱取質(zhì)量n1的微粒，加入水溶液浸泡隔一定時(shí)間后，吸干微粒表面的水，稱量其質(zhì)量n2。溶脹倍率計(jì)算公式如式2所示：

式中：q為產(chǎn)品的溶脹倍率；n1為聚丙烯酰胺微粒吸水前質(zhì)量(g)；n2為聚丙烯酰胺微粒吸水后質(zhì)量(g)。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備條件

通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，固定復(fù)合乳化劑總加量為15%油相體積質(zhì)量，Span80/Tween80質(zhì)量比=3:1，單體摩爾配比AM:AA=2:1，交聯(lián)劑MBA為總單體質(zhì)量的0.5%，pH為8[4-5]。優(yōu)化乳化劑配比、油水比單體濃度、引發(fā)劑加量、反應(yīng)溫度等實(shí)驗(yàn)條件。

2.1.1 油水比

單體占油水總體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，反應(yīng)溫度30℃，引發(fā)劑為單體質(zhì)量0.3%，調(diào)節(jié)pH為8，不同油水比，反應(yīng)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。當(dāng)油水比為6:4時(shí)，產(chǎn)品的中值粒徑為132nm,乳液清澈?jiǎn)误w液滴在油相中的分散效果好，合成的聚丙烯酰胺粒徑較小，體系更穩(wěn)定。減少油相占比，反應(yīng)速率繼續(xù)加快，但產(chǎn)品透明度下降，中值粒徑變大。提高油相占比，引發(fā)劑引發(fā)效率較慢，反應(yīng)速率慢。

2.1.2 單體濃度

反應(yīng)溫度30℃，引發(fā)劑為單體質(zhì)量0.3%，不同單體濃度結(jié)果見表1。單體含量小于25%時(shí)，反應(yīng)速率較慢，聚合時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)品中值粒徑偏大；單體含量大于25%時(shí)，反應(yīng)程度較為劇烈，反應(yīng)時(shí)間較短，部分聚合物分子鏈發(fā)生纏接，使產(chǎn)品中值粒徑有所增大。單體油水總體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，反應(yīng)速率較快，產(chǎn)品中值粒徑較小。

2.1.3 引發(fā)劑加量

單體濃度25%，反應(yīng)溫度30℃，不同引發(fā)劑結(jié)果如表2所示，產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率隨引發(fā)劑加量先增大，后保持穩(wěn)定；產(chǎn)品的溶脹倍率隨引發(fā)劑加量先增大后降低。所以，最佳的引發(fā)劑加量為0.4%。

表1 油水比、單體含量影響

表2 引發(fā)劑、反應(yīng)溫度影響

2.1.4 反應(yīng)溫度

單體濃度25%，引發(fā)劑為單體質(zhì)量0.4%，不同反應(yīng)溫度結(jié)果見表2。反應(yīng)溫度在35℃時(shí)，產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率較高，而且中值粒徑較小。反應(yīng)溫度較低時(shí)，引發(fā)劑的效率較低，聚合速率和產(chǎn)物分子量也較低，單體轉(zhuǎn)化率也相對(duì)較低，聚合物單體的中值粒徑較大；反應(yīng)溫度增加，引發(fā)劑分解自由基增多，反應(yīng)速率加快，聚合物的分子量增大，中值粒徑減小；繼續(xù)增大反應(yīng)溫度，引發(fā)劑快速分解，短時(shí)間反應(yīng)劇烈，聚合物與液滴間相互粘連，乳狀液穩(wěn)定性變差，產(chǎn)物中值粒徑有所增大。

2.2 性能評(píng)價(jià)

最佳的反應(yīng)條件是：油水比為6:4，單體占油水總體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，單體單體摩爾配比AM:AA=2:1，交聯(lián)劑MBA為總單體質(zhì)量的0.5%，乳化劑總加量為油相體積質(zhì)量的15%，Span80/Tween80質(zhì)量比=3:1，油水比為6:4，起始溫度為35℃，引發(fā)劑為單體質(zhì)量0.4%，調(diào)節(jié)pH為8。

評(píng)價(jià)1%聚合物乳液不同時(shí)間下的中值粒徑，以及聚合物固體微粒不同時(shí)間的溶脹倍率，結(jié)果如圖1所示。

1%聚合物乳液中值粒徑隨時(shí)間逐漸變大，5天約擴(kuò)大了3倍，說(shuō)明聚合物乳液的體積可以自發(fā)進(jìn)行膨脹。聚合物固體微粒的膨脹倍率逐漸增大，5天約增漲了100倍。該聚合物乳液粒徑具有能自發(fā)膨脹和聚合物微粒溶脹倍率能緩慢增長(zhǎng)的特點(diǎn)，進(jìn)入地層的深度會(huì)更深，微粒和溶液能夠逐級(jí)膨脹，逐級(jí)封堵起，對(duì)堵水的注入壓力要求降低。

圖1 浸泡時(shí)間粒徑變化

3 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，優(yōu)選出聚丙烯酰胺堵水劑最佳的反應(yīng)條件：油水比為6:4，單體占油水總體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，單體單體摩爾配比AM:AA=2:1，交聯(lián)劑MBA為總單體質(zhì)量的0.5%，乳化劑總加量為油相體積質(zhì)量的15%，Span80/Tween80質(zhì)量比=3:1，油水比為6:4，起始溫度為35℃，引發(fā)劑加量0.4%，調(diào)節(jié)pH為8左右。

從聚丙烯酰胺乳液在1%加量下，在不同浸泡時(shí)間后中值粒徑的變化以及固體微粒在不同浸泡時(shí)間的溶脹倍率評(píng)價(jià)可以看出，制備的聚丙烯酰胺堵水劑能夠自發(fā)緩慢膨脹，溶脹倍率較大，有望在深處油藏地層實(shí)現(xiàn)逐級(jí)封堵。