抗温抗盐选择性堵水剂DSJ实验研究

黄仲尧 鲁红升 全红平 黄志宇

(1.中国石化江汉油田采油工艺研究院 2.西南石油大学化学化工学院)

抗温抗盐选择性堵水剂DSJ实验研究

黄仲尧1鲁红升2全红平2黄志宇2

(1.中国石化江汉油田采油工艺研究院 2.西南石油大学化学化工学院)

在研究目前油田堵水剂存在问题基础上,通过对单体结构、基团和作用机理的分析,选用了丙烯酸(AA)、丙烯酰胺 (AM)、含磺酸基的单体 (SAU)和交联剂 N,N-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA)进行聚合,得到一种体膨型选择性颗粒堵水剂 DSJ。利用实验方法,研究了影响合成堵水剂 DSJ各因素,得到合成 DSJ的优化方案为:单体配比 n(AM)∶n(AA)∶n(SAU)=9∶3∶0.5,单体浓度 25%,反应温度 60℃,反应时间 6h,引发剂加量 0.15%,交联剂加量 0.25%,中和度 85%;同时对DSJ进行了性能评价。研究结果表明,DSJ具有较好的抗盐、抗钙和抗温能力,且吸油率小,具有较好的选择堵水性。图 6表 5参 5

堵水剂 DSJ 合成工艺 选择性 性能评价

0 引言

随着石油不断开采,油井出水现象越来越严重,造成产油量下降、地层能量损失和注水强度加大以及设备管网腐蚀加剧等危害,使油田开发效益受到严重的影响,因此,油田堵水在油田开采过程中显得非常重要[1]。

目前国内油田砂岩油藏特高含水堵水调剖,大多采用颗粒型调剖剂,如粘土、粉煤灰和超细水泥等。粘土颗粒靠物理堵塞,封堵强度低,且易被返出;粉煤灰的组分中有活性二氧化硅,水化后封堵强度较粘土颗粒大,但同样容易从油井中排出;超细水泥虽然固化强度较高,但是固化后会出现收缩现象,造成封孔不严,不能对大孔道进行有效的封堵[2,3]。研究一种可控性强、施工工艺简单、对地层孔隙条件适应性强的选择性堵水剂,对于含水油井的原油开采具有重要意义。

本文研究的选择性堵水剂 DSJ是通过丙烯酸(AA)、丙烯酰胺 (AM)、含磺酸基的单体 (SAU)聚合而成,因为在聚合过程中加入了适当的交联剂,所以产品具有好的吸水和保水能力;单体丙烯酸 (AA)中的羧基具有好的水化性和吸水性,使产品具有吸水能力;单体 (SAU)中含有抗温抗盐的磺酸基,可以提高产品的抗温抗盐性。

1 样品制备及相关实验方法

1.1 实验药品和仪器

药品:单体丙烯酸 (AA)、丙烯酰胺 (AM)、含磺酸基的单体 (SAU),氢氧化钠,(NH4)2S2O8-NaHSO3(过硫酸铵 -亚硫酸氢钠)(引发剂),N,N-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA)(交联剂),粘土 (骨架颗粒)。

仪器:天平、烧杯、量筒、搅拌器、电炉、温度计、烘箱、粉碎机、筛网等。

1.2 样品制备方法

将丙烯酸配成水溶液,加入到烧瓶中,用氢氧化钠调节中和度,然后加入一定量的丙烯酰胺和 SAU与前面的溶液混合搅拌均匀,加入蒸馏水调节至一定浓度,当温度恒定后,通氮气保护,缓慢加入交联剂 N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液,搅拌均匀后再逐滴加入一定量的引发剂 (NH4)2S2O8-NaHSO3溶液,恒温反应数小时,产品提纯后在烘箱中烘干10h,即制成共聚物堵水剂 DSJ。

1.3 吸水倍数测试

准确称取质量 (m)的 DSJ样品。分别加入一定量纯水、15%NaCl水溶液和 1.0%CaCl2水溶液,静置放置 24h后,取出吸水溶胀的产物,用孔径为0.15mm滤网过滤,再用滤纸吸干表面多余的水后称量,得到其质量 (m1)。计算吸水倍数 A(单位质

量样品中所含的水质量,g/g)[4,5]:

通常情况下,在 15%NaCl盐水中吸水倍数大约20以上、在 1.0%CaCl2盐水中吸水倍数大约 10以上就认为有较好的吸水效果[5]。

1.4 韧性评价

称取一块完全吸水膨胀的凝胶,用手捏,如果凝胶易碎,说明韧性不好,反之亦然。

2 DSJ配方研究

2.1 单体配比对 DSJ性能的影响

固定反应时间为 5h,反应温度 60℃,引发剂加量为 0.20%,交联剂加量为 0.25%,单体总浓度20%,中和度 85%,改变单体配比n(AM)∶n(AA)∶n(SAU),在 20℃下测产品的吸水性能,实验结果见表 1、图 1。

由图 1可知,随着单体配比 n(AM)∶n(AA)∶n(SAU)的不同,所得产物的吸水性能不同,对于纯水,单体配比为 9∶3∶0.5时其吸水性能最好;对于 15%NaCl和 1.0%CaCl2溶液,随单体中 SAU的浓度增加,其吸水性能变好,原因是单体含有磺酸根,其抗盐能力较强,当单体配比为 9∶3∶0.5,再增加 SAU的含量,吸水性能增加缓慢。因此可以选择其单体配比为 9∶3∶0.5。

表1 单体配比及代号

图1 单体配比对 DSJ性能影响

2.2 反应温度对 DSJ性能的影响

固定反应时间为 5h,单体配比n(AM)∶n(AA)∶n(SAU)为9∶3∶0.5,引发剂加量 0.20%,交联剂加量 0.25%,单体总浓度为 20%,中和度为 85%,改变合成反应温度,20℃下测量不同温度下制得的产品的吸水性能,结果如图 2所示。

图2 反应温度对 DSJ性能影响

由图 2分析可知,合成反应温度不同,所得产物的吸水性能不同,当合成反应温度为 60℃时,产品吸水性能最好,此温度下产品吸水后,具有较好的强度和韧性。温度高于 60℃,产物的吸水性能又开始下降。究其原因是:合成温度过低,则反应速度慢,反应结束时尚未完全反应,产物分子中的吸水基团数量较少;而合成反应温度过高,反应速度快,则易发生爆聚现象,产物分子量低,吸水基团数量也少。因此选择合成反应温度为 60℃。

2.3 反应时间对 DSJ性能的影响

固定单体配比 n(AM)∶n(AA)∶n(SAU)为9∶3∶0.5,反应温度 60℃,引发剂加量 0.20%,交联剂加量 0.25%,单体总浓度 20%,中和度 85%,改变合成反应时间,在 20℃下不同合成时间制成的产品的吸水性能,结果如图 3。

由图 3分析可知,随着合成反应时间增加,所制堵水剂的吸水能力不断增加,当时间大于 6h,增加的趋势明显降低,故选择合成堵水剂的反应时间为 6h。

2.4 引发剂加量对DSJ性能的影响

在聚合反应中,引发剂加量是非常重要的,因为它直接影响整个反应的进行,如果引发剂加量太少,不能很好地引发反应的发生,聚合反应很难发生;如果引发剂加量太大,自由基的数量增加,能加快反应的发生 (甚至导致爆聚),但同时也加快了链终止的速度,使得聚合物的分子量较小,分子结构发生变化,从而影响产品的吸水能力。因此需要对引发剂的加量进行研究。

固定单体配比 n(AM)∶n(AA)∶n(SAU)为9∶3∶0.5,反应温度为 60℃,反应时间为 6h,交联剂加量 0.25%,单体总浓度为 20%,中和度为85%,改变引发剂加量,在 20℃下测产品的吸水性能,结果如图 4。

图3 反应时间对 DSJ性能影响

图4 引发剂加量对 DSJ性能影响

由图 4曲线分析可见,堵水剂的吸水性能随着引发剂加量的增加,先增加后减小,当加量为0.15%时,堵水剂有较好的吸水性能,故引发剂的加量为 0.15%。

2.5 交联剂加量对 DSJ性能影响

单体配比 n(AM)∶n(AA)∶n(SAU)为9∶3∶0.5,反应温度为 60℃,反应时间 6h,引发剂加量0.15%,单体总浓度 20%,中和度 85%,改变交联剂加量,在 20℃下测产品的吸水性能,结果如图 5。

由图 5分析可知,随着交联剂加量的增加,堵水剂在三种溶液中的吸水性能都不断增加,当加量大于 0.25%时,吸水能力变化不大,故交联剂的加量选择为 0.25%。

2.6 单体浓度对 DSJ性能的影响

固定单体配比 n(AM)∶n(AA)∶n(SAU)为9∶3∶0.5,反应温度为 60℃,反应时间为 6h,引发剂加量为 0.15%,交联剂加量为 0.25%,中和度为85%,改变单体浓度,在 20℃下测产品的吸水性能,结果如图 6所示。

由图 6分析可知,随着单体浓度的增加,堵水剂的吸水能力先增加后降低,当单体浓度为 25%时,堵水剂有最高的吸水能力。造成这种现象的原因是因为单体浓度低,可聚合的分子少,反应发生的机率减少;如果浓度增加又会使反应迅速发生,并且会加快反应终止的速度,从而影响产品的堵水能力。因此选择单体浓度为 25%。

图5 交联剂加量对 DSJ性能影响

图6 单体浓度对 DSJ性能影响

综上所述,合成选择性堵水剂 DSJ的最优合成方案为:单体配比 n(AM)∶n(AA)∶n(SAU)为 9∶3∶0.5,反应温度为 60℃,反应时间为 6h,引发剂加量为 0.15%,交联剂加量为 0.25%,中和度为 85%,单体浓度 25%。

3 DSJ性能评价

3.1 抗盐性能

取用最优合成方案制成的 DSJ样品,加入到不同浓度的 NaCl溶液中,考察其吸水性和韧性,结果如表 2。

由表 2可知,随着 NaCl浓度的增加,堵水剂吸水能力不断降低,韧性不断减少,当 NaCl浓度达到17.5%时,堵水剂韧性仍然较好,吸水倍率也较高,说明该堵剂具有较好抗盐性。

表2 NaCl浓度对堵水剂 DSJ性能的影响

3.2 堵水剂抗钙性能

取用最优合成方案制成的 DSJ样品,加入到不同浓度 CaCl2溶液中,考察其吸水性和韧性,结果如表 3。

由表 3可知,随着 CaCl2浓度增加,堵水剂吸水能力不断降低,韧性不断减少,当 CaCl2浓度达到1.2%时,堵水剂韧性仍然较好,吸水倍率仍然较高,说明该堵剂具有一定抗钙性。

3.3 堵水剂抗温性能

考察不同温度下合成的DSJ在纯水中的吸水性能和韧性,结果见表 4。

表3 CaCl2浓度对堵水剂 DSJ的影响

表4 温度对堵水剂 DSJ的影响

由表 4可知,随着温度增加,堵水剂吸水能力不断降低,韧性不断减少,当温度达到 100℃时,堵水剂韧性仍好,吸水倍率仍较高,说明该堵剂具有较好的抗温性。

3.4 堵水剂吸油性能

考察 DSJ在不同温度下,在柴油中的吸油率和韧性,结果见表 5。

表5 不同温度下堵水剂在柴油中的吸油情况

由表 5可知,堵水剂在柴油中的吸油率不高,随着温度的增加而增加,当温度大于 80℃时,增加变得平缓,堵剂在油中膨胀很小。说明该堵水剂具有选择性。

4 结论

通过对合成堵水剂DSJ影响因素及性能评价实验研究,得到如下结论:

(1)堵水剂 DSJ的最佳合成条件为:单体配比n(AM)∶n(AA)∶n(SAU)为 9∶3∶0.5,单体浓度25%,反应温度为 60℃,反应时间为 6h,引发剂加量为 0.15%,交联剂加量为 0.25%,中和度为 85%。

(2)堵剂合成工艺简单,原料易得,得到的堵剂具有较好的堵水性能。

(3)堵剂具有较好的抗盐、抗钙和抗温性能。

(4)堵剂具有好的选择性。

1 杜郢,赵爱玲,高国生 .体膨胀型耐高温、耐硬水堵水剂的研究[J].江苏工业学院学报,2004,16(2)∶5-7.

2 殷艳玲,张贵才,唐亮 .高水材料用于油井堵水的室内研究[J].钻采工艺,2008,3∶110-112.

3 白宝君,刘祥鹗,李宇乡 .我国油田化学堵水调剖新进展[J].石油钻采工艺,1998,20(3)∶64-69.

4 张建国,张依华,党娟华,等 .油田堵水调剖用吸水膨胀聚合物的研究[J].化学与生物工程,2004,241-242.

5 陈冬林 .新型耐盐堵水剂的合成及性能评价[D].西南石油学院,2004.

EXPERIM ENTALSTUDY ON SELECTIVE WATER-SHUTOFF AGENT DSJ WITH PROPERTY OF HEAT RESISTANCE AND SALT TOLERANCE

HUANG Zhongyao1,LU Hongsheng2,QUAN Hongping2and HUANG Zhiyu2(1.Research Institute ofOil Recovery Technology,Sinopec Jianghan Oilfield Company;2.School of Chemistry and Chemical Engineering,Southwest Petroleum University).

Based on the research ofwater-shutoff agent,analyzing the monomer structure,group and mechanism,this study polymerized acrylic acid(AA),acryl amid(AM),sulfonic-acid unicum(SAU)and crosslinking agent N,N-methylene-bisacrylamide(MBA).And then,a selective water-shutoff agentDSJ has been obtained.After researching the factors influencing DSJ synthesis,we get the optimal synthesizing scheme which consistsof:themass ratio ofmonomers n(AM):n(AA):n(SAU)=9:3:0.5,the monomer concentration of 25%,the reaction temperature of 60℃,the reaction time of 6h,the adding quantity of initiator of 0.15%and crosslinking agentof 0.25%,neutralization degree of 85%.Meanwhile,theDSJ property has been evaluated.Studied result shows thatDSJ is characterized by better abilityof calcium resistance,heat resistance and salt tolerance,loweroil-absorption rate and good property of selective water shutoff.

water-shutoff agent,DSJ,synthesizing technology,selectivity,property evaluation

黄仲尧,男,1964年出生,高级工程师;1985年毕业于西南石油学院油田化学专业并获学士学位,一直从事油田化学工作液技术研究。地址:(433124)湖北潜江广华江汉油田采油工艺研究院。电话:(0728)6573895。E-mail:JH-ZYH@163.com

NATURALGAS EXPLORAT ION&DEVELOPMENT.v.33,no.2,pp.64-67,4/25/2010

(修改回稿日期 2010-01-26 编辑 景岷雪)