緩釋型膠囊破膠劑的制備及性能研究
2023-12-29 00:00:00黃曉磊丁偉
山東科學 2023年4期
摘要：在油田修井作業中，需要控制暫堵劑的破膠速度，修井過程中不破膠確保作業完成，修井結束后快速破膠恢復生產。傳統破膠劑很難達到“前慢后快”的釋放效果，為此設計了纖維素基雙層衣膜結構的緩釋型膠囊破膠劑。將破膠劑與熔融的巴西棕櫚蠟混合均勻，利用擠出-滾圓法制成固體分散體式載藥丸芯，再將丸芯在Wurster流化床中包覆組份不同的雙層衣膜，制得緩釋膠囊破膠劑。正交試驗結果表明：此制備方法可靠，丸芯收率為93.2%；電子掃描電鏡結果表明，微丸表面衣膜光滑均勻，衣膜孔隙的封堵和疏通是藥物緩釋的關鍵；緩釋效果測試實驗和模擬儲層破膠實驗結果表明，緩釋膠囊具有良好的緩釋效果和儲層滲透率恢復效果。藥物的緩釋主要由雙層膜結構控制，此制備方法簡便高效，能達到實驗預期效果。
關鍵詞：雙層緩釋衣膜;固體分散體;擠出-滾圓法;Wurster流化床
中圖分類號：TE357.12 文獻標志碼：A 文章編號：1002-4026（2023）04-0097-07
開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：
Preparation and performance of sustained-release encapsulated gel breaker
HUANG Xiaolei， DING Wei*
（College of Chemistry and Chemical Engineering， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China）
Abstract∶During oilfield workover， it is necessary to control the gel breaking speed of the temporary plugging agent， so that the gel is not broken during the workover to ensure the completion of the operation and is broken quickly after the workover to resume production. For traditional gel breakers， it is difficult to achieve a slow release at the initial stage and a fast release at the late of the workover. This paper describes a cellulose-based sustained-release encapsulated gel breaker with a double-layer film. This gel breaker is evenly mixed with molted Carnauba wax and the solid dispersion pellet is made using the extrusion-speronization method. In the Wurster fluidized bed， a double-layer film with different components is put on the pellet to prepare the sustained-release encapsulated gel breaker. The result of the orthogonal test shows that this method is reliable， the yield of the pellet is 93.2%. SEM result shows that the film on the surface of the pellet is smooth and uniform， and the sealing and unblocking of the film pores are crucial to sustained-release. The results of sustained-release test and simulation test of reservoir gel breaking exhibit that the sustained-release encapsulated gel breaker has an excellent controlled-release effect and reservoir permeability recovery effect. Herein， the preparation method is simple and efficient. The sustained-release of drugs is mainly controlled by the double-layer film.
Key words∶double-layer sustained-release film; solid dispersion; extrusion-spheronization; Wurster fluidized bed
膜控緩釋技術是將天然或合成聚合物作為囊衣材料，包覆在活性物質表面形成核-殼結構，通過膜通透性控制內部物質釋放［1］，其優點是延遲活性物質作用時間進而提高作用效果。該技術的關鍵是囊衣材料的選擇，既要在應用溫度范圍內具有釋放性能，又要易于降解避免對人體和環境造成傷害［2］。目前常用的囊衣材料有聚丙烯酸樹脂系和纖維素系［3］。聚丙烯酸樹脂類囊衣材料需要提前合成，且其緩釋效果很大程度上受環境pH限制。乙基纖維素（ethyl cellulose，EC）通透性強、熔點高、化學性質穩定，被廣泛地應用于制備緩釋片劑、顆粒等［4］。
膜控緩釋技術最初應用在農業領域生產可持續高效施用的緩釋肥［5］，后逐漸應用于醫藥和油田壓裂領域。Nair等［6］按比例縮放阿司匹林緩釋膠囊表面緩釋涂層百分比控制藥物釋放時間，更好地發揮藥物治療效果。吳金花等［7］對壓裂液膠囊破膠劑的制備方法、緩釋機理做了詳細論述，為緩釋技術的發展提供理論依據。李繼勇等［8］模擬地層溫度、壓力因素對膠囊破膠劑釋放性能進行研究，加快了緩釋技術的推廣。
目前修井作業常規破膠方式是作業完成后再泵入破膠劑溶液進行破膠解堵，這樣儲層流道深處的暫堵劑很難與后泵入的破膠劑有效接觸，導致破膠效率低，生產恢復周期長。因此，本文將膜控緩釋技術應用于修井作業中，以EC為囊衣材料制備雙層衣膜結構的修井用緩釋膠囊破膠劑（the sustained-release encapsulated gel breaker，SREB），SREB與修井液充分混合泵入井中，共同形成暫堵層對儲層流道進行封堵，修井過程中破膠劑被包裹在膠囊外殼內不釋放，作業結束后快速釋放對暫堵層形成立體式破膠，提高儲層滲透率恢復值。
1 儀器與材料
1.1 實驗儀器
多功能滾圓機（CGC-350，重慶英格公司），軸向單螺桿擠出機（E-50，重慶英格公司），流化床（WBF-1，重慶英格公司），六速旋轉黏度計（ZNN-D6，青島海通達專用儀器廠），掃描電子顯微鏡（SU8010，日本島津公司）。
1.2 實驗藥劑
破膠劑（大慶油田研究院），羧甲基纖維素鈉CMC-Na（安徽山河藥用輔料公司），低取代羥丙纖維素L-HPC-31（湖州展望藥業公司），EC（山東泰安瑞泰藥業公司），硬脂酸（湖州展望藥業公司），巴西棕櫚蠟（Frank Bross）。
2 實驗方法
2.1 吸水樹脂凝膠暫堵劑的配制
以蒸餾水和吸水樹脂（吸水樹脂是以丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為單體，N，N-亞雙甲基丙烯酰胺為交聯劑進行三元共聚制得）為原料，配制質量分數3%的樹脂凝膠暫堵劑，溶漲2 h備用。
2.2 載藥丸芯的制備
將粉碎、過160目篩（孔徑96 μm）的破膠劑（主料）與熔融的巴西棕櫚蠟（輔料）混合均勻制備固體分散體［9］。固體分散體經冷卻、粉碎過80目篩（孔徑180 μm），再與一定量增塑劑（L-HPC-31）、黏合劑（質量分數1.0%CMC-Na+體積分數20%乙醇溶液）混合均勻。混合物料依次在Φ=0.8 mm球面篩網、轉速為30 r/min的擠出機中擠出、滾圓機中滾圓5 min。再將滾圓的素丸在40 ℃流化床中干燥30 min，經篩分取（孔徑830～380 μm）間素丸，100 ℃熱處理1 h，即得載藥丸芯［10］。
2.3 單層膜緩釋微丸的制備
（1）配制緩釋衣膜液Ⅰ：EC 2.0 g，硬脂酸6.0 g，95%乙醇100 mL，溶解。
（2）流化床參數：流化壓力（20～30 kPa），霧化壓力（80～100 kPa），進風溫度（38～40 ℃），物料溫度（29～31 ℃），進液速度（4～6 r/min），噴槍孔徑（Φ=0.8 mm）。取一定質量2.2制備的載藥丸芯，在上述流化床中包衣4 min，制得緩釋微丸［11-12］。
2.4 雙層膜緩釋膠囊的制備
配制緩釋衣膜液Ⅱ：EC 2.0 g，95%乙醇100 mL，充分溶解。調整流化床參數，將2.3中制得的緩釋微丸，置于流化床中進行包衣4 min，制得緩釋膠囊SREB。
2.5 評價方法
（1）載藥丸芯收率：投料質量為M1，黏合劑用量M2，干燥丸芯為M3，用下式計算丸芯收率
收率=M3/（1%M2+M1）×100%。 （1）
（2）包衣增重：包衣前丸芯質量W1，包衣后微丸質量W2，利用下式計算包衣增重
η=（W2-W1）/W1×100%。（2）
（3）滲透釋放率Knd：樹脂凝膠被破膠降解，宏觀表現為黏度降低。大慶葡萄花油田油層平均溫度52.7 ℃，最深處溫度不超過78.5 ℃，因此本文以80 ℃下凝膠黏度變化間接測量緩釋微丸內破膠劑的滲透釋放率。完全溶脹的樹脂凝膠表觀黏度η0，80 ℃下恒溫破膠n天后黏度為ηn，利用下式滲透釋放率：
Knd =（η0－ηn）/η0×100%。（3）
（4）巖心滲透率恢復值Rws：人造巖心流道被暫堵劑封堵時，正向巖心水相滲透率Kw；暫堵劑被降解返排后，正向巖心水相滲透率Kws，利用下式計算巖心滲透率恢復值：
Rws=Kws/Kw×100%。（4）
3 結果與討論
3.1 正交試驗研究
載藥丸芯質量會影響微丸包衣效果和力學強度，同時也起到一定的緩釋作用。為確定制備載藥丸芯的最佳配方，并尋找各因素對丸芯質量的影響程度，本文以丸芯收率為指標，根據文獻資料采用L9（34）正交表，選取主輔料配比（A）、增塑劑用量（B）、黏合劑用量（C）、滾圓機轉盤速度（D）作為考察因素，進行正交試驗，結果如表1、2所示。
3.1.1 正交試驗極差分析
由表3可知，四個因素對丸芯收率影響程度由大到小順序為C、B、A、D。優化水平組合為：A1B2C2D2，即制備載藥丸芯最佳配方為：A（7：3）， B（6%）， C（33%）， D（800 r/min）。
3.1.2 正交試驗方差分析
由表4可知，B、C因素水平變化對丸芯收率影響顯著，A、D因素水平變化對丸芯收率影響較小，試驗結果波動主要是由誤差引起的。
3.2 包衣增重對微丸緩釋效果分析
EC是一種不溶性包衣材料，硬脂酸是一種良好的防水材料，兩種成分組成的衣膜具有良好的緩釋效果。為考察衣膜厚度對緩釋效果的影響，調整包衣時間制備包衣增重8%、12%、16%、20%四組緩釋微丸，再將四組微丸分別加入到2.1制備的凝膠中，置于80 ℃下恒溫破膠，測量不同時間點凝膠的黏度值，并利用（3）式計算微丸不同時間點的Knd 值，結果如圖1所示。
包衣增重8%的微丸，衣膜過薄緩釋效果比較差，K2d高達48.6%。隨著衣膜厚度的增加，微丸的緩釋效果得到改善，增重16%和20%的兩組微丸前期緩釋效果較好，滿足K2d＜10%的要求。但較厚的衣膜在增強前期緩釋效果的同時也削弱了后期藥物釋放的驅動力，兩組微丸的K7d不足80%，修井作業結束后微丸內部破膠劑不能充分釋放，致使破膠不徹底，影響儲層滲透率恢復，且衣膜越厚影響越嚴重。
3.3 SREB緩釋效果測試
將2.4中制得的SREB與樹脂凝膠混合，測量80 ℃下不同時間點凝膠的黏度并計算SREB的Knd值，結果如圖2、3所示。
由圖2、3可知：80 ℃下，SREB的K2d=8.3%，此階段破膠劑被包裹在衣膜內基本無釋放，樹脂保持原凝膠狀態黏度不變；2 d后衣膜內藥物快速釋放，緩釋滲透釋放率迅速升高，K3d=20.6%，K5d=20.6%，固態的樹脂凝膠開始變黏稠；7 d時破膠劑基本全部釋放，K7d=91.2%，樹脂被徹底降解完全化成水狀。SREB滿足藥物前期基本不釋放，后期快速釋放的預期效果。
3.4 微丸SEM及緩釋機理分析
圖4為單層緩釋微丸和雙層緩釋膠囊80 ℃下2 d時SEM表面結構圖，由圖可知，通過流化床包衣，EC在丸芯表面能形成光滑均勻的衣膜，EC衣膜在高溫環境下熱脹產生孔隙，熔融的硬脂酸沿著這些孔隙向外移動。單層緩釋微丸衣膜較薄，2 d時近50%硬脂酸遷出衣膜，衣膜孔隙失去硬脂酸封堵后丸芯內破膠劑沿孔隙遷移出膠囊。雙層結構中外層衣膜會延緩硬脂酸的遷出。被包裹的硬脂酸封堵衣膜的孔隙，阻止了丸芯內藥物釋出，從而達到緩釋的效果。隨著時間的推移，熔融的硬脂酸自外層衣膜孔隙遷出，衣膜孔隙失去了封堵成為藥物流動的通道，丸芯內藥物沿這些“通道”迅速擴散出來。該過程符合熱敏型膜滲透擴散機理［13］，機理如圖5所示。
3.5 模擬儲層破膠實驗
依據SY/T 6540—2021《鉆井液完井液損害油層室內評價方法》［14］，利用人造巖心和標準鹽水（標準鹽水配方為NaCl、CaCl2、MgCl2·6H2O，質量比為7∶0.6∶0.4）模擬地下儲層環境，通過未加破膠劑體系、常規破膠劑體系和SREB體系不同時間點巖心Rws值變化，考察3個體系的破膠效果。
（1）選取三塊物性相近的人造巖心，經干燥、冷卻、抽真空處理后，在3.5 MPa壓力下分別反向驅入樹脂凝膠修井液120 min（SREB體系中膠囊破膠劑隨修井液一同驅入）；
（2）驅入破膠劑：對常規破膠劑巖心反向驅入破膠劑溶液至壓差降低（其他兩組巖心不進行此項操作，保持溫度和壓力不變），利用（4）式計算對應的Rws值，結果如圖6所示。
由圖6可知未加破膠劑體系中由于凝膠暫堵劑未被破膠，巖心被封堵，整個過程Rws值較低，巖心滲透率基本無恢復；常規破膠劑體系中破膠劑被驅入巖心后，凝膠短時間內快速分解，16 h巖心Rws值為81.91%后基本趨于穩定，巖心滲透率恢復值偏低；SREB體系中，前期破膠劑被包裹在膠囊內對凝膠基本無影響，凝膠封堵巖心流道，凝膠從50 h開始迅速降解，Rws值快速升高（168 h值為92.13%）后基本趨于穩定，此時凝膠暫堵劑幾乎完全降解、返排，巖心滲透率得到很大程度的恢復。由于SREB與凝膠混合在一起到達巖心流道各個角落，破膠更徹底，所以滲透率恢復值高于常規破膠劑體系。
4 結論
擠出-滾圓-Wurster流化床包衣法制備的SREB外觀圓整、衣膜均勻光滑、微丸收率高。通過正交試驗確定制備載藥丸芯最佳配方為主輔料質量比7∶3，增塑劑質量分數6%，黏合劑質量分數33%，滾圓機轉盤速度800 r/min。通過增加單層衣膜的厚度可以延緩藥物的釋放，但會導致后期內部釋藥驅動力不足，影響破膠效率。雙層衣膜結構中外層衣膜不含硬脂酸，通過延長內層硬脂酸遷出通道達到緩釋目的，同時不影響后期藥物釋放驅動力。與傳統的破膠劑相比，SREB可預先加入修井液體系中與凝膠暫堵劑在流道深處共同形成封堵層，修井作業結束后對暫堵劑進行立體式破膠，具有良好的儲層滲透率恢復效果。
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