改性聚丙烯酰胺納米微球的合成及其在調(diào)剖堵水上的現(xiàn)狀研究

駱薇，楊紅麗

改性聚丙烯酰胺納米微球的合成及其在調(diào)剖堵水上的現(xiàn)狀研究

駱薇1，楊紅麗2

（1. 西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710077； 2. 延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 延安 716000）

油藏特征在長期水驅(qū)開發(fā)進程中不斷發(fā)生變化，使得現(xiàn)有的調(diào)剖劑難以滿足油田開發(fā)的現(xiàn)場施工要求，給調(diào)剖堵水技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。對改性聚丙烯酰胺納米微球的合成工藝進行了探討，并在此基礎(chǔ)上探究該種納米微球進行調(diào)剖堵水的原理，總結(jié)出幾種能夠提升現(xiàn)場施工水平的調(diào)剖堵水方法，為相關(guān)研究學(xué)者提供科學(xué)的參考與借鑒。

聚丙烯酰胺；納米微球；調(diào)剖堵水；合成工藝

注水開采方式廣泛應(yīng)用于油田開發(fā)中，使得老油井儲層孔滲性進一步變差，地層非均質(zhì)性更高，進而造成開采壓力無法滿足實際需求[1-3]。基于人們對油藏地層結(jié)構(gòu)的充分研究認識，采用現(xiàn)代高分子材料合成方法制得的相應(yīng)聚合物微球也逐漸成為了一種新型的調(diào)剖堵水劑[4]。改性聚丙烯酰胺納米微球是一類用途廣泛的吸水性樹脂，能夠有效解決相關(guān)問題，實現(xiàn)低滲油田采收率的提升。它主要被應(yīng)用在非均質(zhì)性強、高含水、大孔道發(fā)育的油田深部調(diào)剖堵水[5-9]。它綜合了聚合物微球和表面活性劑的雙重優(yōu)勢，聚合物微球在地層水或者注入流體中吸水膨脹，可封堵裂縫等大孔道，調(diào)整吸水剖面，改變液體流動方向，提高波及效率，且后續(xù)表面活性劑能夠降低殘余油飽和度，達到提高原油采收率的目的[10-11]。因此，對改性聚丙烯酰胺納米微球的合成工藝與應(yīng)用方法進行深入探究，對促進原油開采事業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 改性聚丙烯酰胺納米微球的合成

1.1 實驗試劑與儀器

試劑包括丙烯酰胺（分析純）、丙烯酸、單油酸酯、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺、山梨醇單油酸酯、白油、過硫酸銨、對苯二酚（分析純）、亞硫酸氫鈉 等[12]。儀器包括激光衍射分析儀、傅里葉紅外光譜儀、動態(tài)流變儀、電子天平、恒溫水浴鍋等。

1.2 制備過程

1.2.1 實驗步驟

油相的配制：在白油中融入一定比例的山梨醇單油酸酯與單油酸酯，以此制成改性聚丙烯酰胺納米微球的油相。

水相的配制：在水中溶解一定量的丙烯酰胺，并加入N,N-亞甲基雙丙烯酰胺交聯(lián)劑與EDTA螯合劑，在使用NaOH調(diào)節(jié)水溶液pH值后加入過硫酸銨。

將水相加入到裝有油相的三口燒瓶中，在使用儀器攪拌過程中緩緩?fù)ㄈ氲獨猓源藢崿F(xiàn)驅(qū)除油水混合相中氧氣的目的。在通氮30 min后將亞硫酸氫鈉加入到微乳液中，并持續(xù)進行通氮操作，直到聚合反應(yīng)完成后停止通入氮氣，最終得到制備聚合物納米微球的乳液。該乳液呈現(xiàn)透明的黃色，后經(jīng)過反相處理便可得到改性聚丙烯酰胺納米微球[13]。反相乳液聚合法能夠在一定程度上提升聚合反應(yīng)的速率，并得到相對分子質(zhì)量高、粒徑均勻的微球產(chǎn)品，且與其他方法相比，具有較高的轉(zhuǎn)化率，副反應(yīng)的發(fā)生幾率也相對較低，極大地滿足制備調(diào)剖堵水劑的需求。

1.2.2 測定乳液轉(zhuǎn)化率

首先，使用無水乙醇分3次洗滌聚轉(zhuǎn)相乳液，以此除去無用的乳化劑；其次，使用配套儀器對乳液進行抽濾處理，為下一步實驗奠定良好的基礎(chǔ)；最后，將經(jīng)過以上兩步的乳液置于60 ℃的烘干箱中，以此將乳液烘干成粉末，制成所需的聚丙烯酰胺納米微球粉末產(chǎn)品。將轉(zhuǎn)化后乳液質(zhì)量記為1，烘干處理后的粉末質(zhì)量記為2，則轉(zhuǎn)化率為：

通過公式（1）可以計算出聚合物乳液轉(zhuǎn)化率，為后續(xù)分析改性聚丙烯酰胺納米微球的合成結(jié)果做好鋪墊[14]。

1.2.3 測定乳液的中值粒徑

一般情況下，在激光粒度分析儀下能夠觀察到經(jīng)過反相乳液法制得的聚丙烯酰胺納米微球。首先，將燒杯作為容器，稱取0.5 g的乳液；其次，將 100 mL的白油加入到裝有微球乳液的燒杯；最后，使用配套儀器攪拌乳液與白油的混合液體，通常在攪拌15 min后進行10 min的超聲處理，此時要保證進行測試的速度，避免乳液發(fā)生膨脹，影響測試 結(jié)果。

1.3 測試結(jié)果與表征

1.3.1 紅外光譜表征

甲狀腺全切術(shù)是甲狀腺癌手術(shù)治療的常見術(shù)式，而永久性甲狀旁腺功能減退是其最常見且最嚴重的并發(fā)癥[4]，其后果嚴重影響病人的生活質(zhì)量。因此如何更好的原位保護甲狀旁腺成了一個熱點問題，據(jù)報道，甲狀腺全切術(shù)后永久性甲狀旁腺功能減退的發(fā)生率約為1.8%～35%[5-7]。甲狀旁腺功能減退的原因主要是甲狀旁腺誤切及其血供的損傷，因此術(shù)中應(yīng)用精細被膜解剖法，辨認及原位保護甲狀旁腺血供是防止甲狀旁腺功能減退最關(guān)鍵、也是最經(jīng)濟有效的方法[8]。

紅外光譜表征是測試微球結(jié)構(gòu)的主要方法之一，首先，在研缽中研磨選取的改性聚丙烯酰胺納米微球粉末與溴化鉀固體；其次，將研細的混合粉末進行壓片處理；最后，測試得到的混合粉末壓片，使用紅外光譜儀對其薄片進行掃描，最終得到的掃描范圍為4 000～600 cm-1，為進一步分析微球調(diào)剖堵水性能做好鋪墊。

1.3.2 掃描電鏡表征

掃描電鏡主要是用來觀察改性聚丙烯酰胺納米微球的形貌。首先，將得到的粉末作為掃描電鏡的樣品，將其置于導(dǎo)電膠上；其次，對導(dǎo)電膠上的樣品進行噴金處理，為下一步掃描做好表面處理工作；最后，將進行噴金處理后的樣品送入進樣系統(tǒng)中，并使用掃描電鏡觀察改性聚丙烯酰胺納米微球[15]。

1.3.3 測試結(jié)果分析

改性聚丙烯酰胺納米微球經(jīng)過一系列的表征后，能夠得到分析所用的結(jié)果。根據(jù)相關(guān)研究可知，微球的水化時間、水化溫度、礦化度以及電解質(zhì)是影響調(diào)剖堵水劑的主要因素。因此，在制備改性聚丙烯酰胺納米微球時，要綜合分析各種可能影響調(diào)剖堵水劑性能的因素，從而為油藏開發(fā)提供有力的技術(shù)支持[16]。

2 調(diào)剖堵水中改性聚丙烯酰胺納米微球的應(yīng)用

2.1 微球調(diào)剖堵水原理

改性聚丙烯酰胺納米微球調(diào)剖堵水劑的原理是：因其粒徑比地層孔隙小得多，達到的地層深度也相對較深，微球在吸水后會發(fā)生膨脹，當體積達到一定程度后就會堵塞住地層孔隙，并在壓力作用下能夠發(fā)生移動，從而實現(xiàn)堵塞地層更深處孔喉的目的,實現(xiàn)油藏開采滲透壓的提升[17]。

2.2 微球調(diào)剖堵水方法

2.2.1 分散聚合

2.2.2 反相乳液聚合

反相乳液聚合最終得到的乳液處于一種油包水的狀態(tài)，極大地滿足了現(xiàn)階段制備聚合物微球的需求。一般情況下，反相乳液聚合體系中的一部分乳化劑分子會在一定條件下聚集成膠束，另一部分會聚集在乳液的表面，其形成的帶電保護層能夠有效避免傳統(tǒng)乳液聚合體系黏連的問題，為提升油藏開發(fā)調(diào)剖堵水劑性能奠定了堅實基礎(chǔ)[18]。

2.2.3 反相懸浮聚合

反相懸浮聚合法制備出的微球粒徑一般在0.1～1 000 μm之間，有效擴大了實驗可控的微球粒徑范圍。將丙烯酰胺、N, N-亞甲基雙丙烯酰胺、失水山梨醇單油酸酯按照一定比例加入到環(huán)己烷中，能夠制出納米級的聚丙烯酰胺微球，且得到的反應(yīng)單體一般不溶于水，需要借助外力防止乳液 滴聚[19]。

2.2.4 反相微乳液聚合

反相微乳液聚合指的是，油相微粒在乳化劑的作用下均勻地分散在介質(zhì)中，最終得到納米級產(chǎn)物的聚合反應(yīng)。油相分散介質(zhì)、水相反應(yīng)單體、表面活性劑等是進行反相微乳液聚合最主要的成分。相關(guān)研究表明要想得到10納米級的產(chǎn)物，就要保證油相成核粒子在一定條件下能夠為反相乳液聚合反應(yīng)提供動力，確保調(diào)剖堵水劑的高效性[20]。

3 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段油田開發(fā)已經(jīng)進入到了高含水開發(fā)時期，不斷變化的油藏特征對調(diào)剖堵水技術(shù)提出了更高的要求。因此，相關(guān)研究人員要牢牢掌握改性聚丙烯酰胺納米微球的應(yīng)用原理，對其制備過程以及測試結(jié)果的表征方法進行深入探究，以此滿足油藏開發(fā)對調(diào)剖堵水技術(shù)的需求，保障采收率的提升。

［1］GIDLEY J L.New development of hydraulic fracturing technology[M]. Beijing : Petroleum Industry Press,1995.

［2］馬宗晉.地應(yīng)力與油氣勘探開發(fā)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2004.

［3］張士誠.水力壓裂數(shù)值計算方法[M].北京:石油工業(yè)出版社，2000.

［4］宋燕高，牛靜，賀海，等．油田化學(xué)堵水調(diào)剖劑研究進展[J]．精細石油化工進展，2008，9（5）：5-11．

［5］FRAMPTON H, MORGAN J C, CHEUNG S K, et al . Development of a novelwaterflood conformance control system[C]. SPE 89391,2004.

［6］JAMS P , FRAMPYON H , BRINKMAN J , et al . Field application of a new in - depth waterflood conformance improvement tool[C]. SPE 84897, 2003.

［7］CHOI S K, ERMEL Y M, BRYANT S L, et al. Transport of a Ph sensitive polymer in po Г ous media for novel mobilily-control applieation [C]. SPE 99656,2006.

［8］楊茂潔.蛭石改性聚丙烯酰胺核殼乳液的制備及其提高采收率的應(yīng)用評價[D] 西安: 陜西科技大學(xué)，2015.

［9］喻琴，蔣鑫浩.聚丙烯酰胺微球在油田調(diào)剖堵水中的應(yīng)用研究進展[J].精細石油化工進展，2011，12）（7）：13-16.

［10］趙國璽.表面活性劑物理化學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1991.

［11］徐桂英，蘇紅梅，李干佐，等. 聚丙烯酰胺與混合表面活性劑的相互作用[J]. 物理化學(xué)學(xué)報，1994，10（10）：909-914.

［12］張方，李善建，葉相元，等.納米聚合物微球的制備及其應(yīng)用性能評價[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2019，48（1）：13-18.

［13］武哲，李小瑞，王磊，等. 改性聚丙烯酰胺納米微球的合成及其在調(diào)剖堵水上的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，19（16）：208-210.

［14］張翠婷，李長福.我國油田化學(xué)堵水調(diào)剖劑研究進展[J].佳木斯職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2019（11）：219-220.

［15］宋曉芳，夏燕敏，蘇智青，等.交聯(lián)聚丙烯酰胺微球的合成及性能評價[J].現(xiàn)代化工，2015，35（8）：129-132.

［16］王桂珠，吳家全，張朋旗，等.新型復(fù)合凝膠堵水調(diào)剖劑制備與評價[J].精細石油化工，2019，36（6）：44-47.

［17］石浪浪. 調(diào)剖堵水用聚丙烯酰胺納米微球的制備及應(yīng)用[D].西安：陜西科技大學(xué)，2019.

［18］郭超. 聚丙烯酰胺凝膠微球調(diào)剖劑的制備與性能評價[D].北京：北京化工大學(xué)，2018.

［19］樊文慧，劉漢洲，文萬信.輻射一步法制備聚丙烯酰胺/聚苯乙烯納米微球復(fù)合水凝膠[J].核技術(shù)，2017，40（1）：42-47.

［20］王丹. 水分散型抗鹽聚合物調(diào)剖劑的研究[D]. 西安：陜西科技大學(xué)，2017.

Synthesis of Modified Polycrylamide Nanospheres and Its Application in Profile Control and Water Shutoff

1,2

（1. Xi'an Vocational and Technical College, Xi’an Shaanxi 710077, China; 2.Yan’an Vocational ＆ Technical College, Yan’an Shaanxi 716000, China）

Reservoir characteristics are constantly changing in the process of long-term water drive development, which makes the existing profile control agents difficult to meet the field operation requirements of oilfield development, to bring great challenges to the profile control and water shutoff technology. In this paper, the synthesis process of modified polyacrylamide nanospheres was discussed, and on this basis, the principle of profile control and water plugging of this kind of nano microspheres was explored, and several profile control and water plugging methods that can improve the field construction level were summarized.The paper can provide scientific reference for related researchers.

Polyacrylamide; Nanospheres; Profile control and water shutoff; Synthesis technology

2021-11-01

駱薇（1984-），女，陜西省西安市人，講師，碩士，2011年畢業(yè)于西安理工大學(xué)，研究方向：油田化學(xué)品合成。

TE358.3

A

1004-0935（2022）06-0740-03