聚丙烯酰胺在油田生产中的应用

刘 音 ，常 青 ，于富美 ，李洪俊

（1.中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津 300457；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司，天津 300457）

聚丙烯酰胺（PAM）是一种水溶性高分子聚合物，由于其特殊的理化性质和分子结构特点，被应用到石油开采、污水处理、造纸等行业中，尤其在钻井、三次采油、调剖堵水等领域应用广泛[1-2]。同时，PAM又称为“百业助剂”、“万能产品”，在国内油田三次采油技术中被大范围推广[3-4]。

PAM按照离子特性可分为非离子、阳离子、阴离子和两性离子四种类型，由于其分子链中含有一定数量的极性基团，因此能吸附水中悬浮的固体颗粒，使粒子间吸附架桥或电性中和，形成大的絮凝物质而沉淀下来[5]。因此，可用于石油开采、染色、冶金、造纸、水产加工等各种行业的絮凝沉淀中。

另外，随着生产工艺的不断进步，PAM产品的形式也变得多样化，有干粉、水溶液、乳胶、油包水型乳液等，近年来又开发出了水包水型乳液[6]，可应用于施工工艺中。

1 应用

目前，PAM在油田生产中可以用作驱油剂、压裂液添加剂、堵水剂、钻井液调节剂等。

1.1 作驱油剂

驱油剂是一种在石油钻采时，用以提高原油采收率的助剂，较高相对分子质量（＞10×106）的聚丙烯酰胺是最常见的聚合物型驱油剂，其主要机理是通过减少水油的流度比，减少水的指进，调节水的流变性，以提高驱油剂的波及指数，从而提高油层的采收率[7]。

为了增强PAM驱油剂的耐热、耐温、耐剪切性能，谭俊领[8]等以丙烯酰胺（AM）为基础，通过引入特殊的结构单元（如疏水单体、刚性环侧基等），通过自由基共聚法得到酸性的疏水缔合的PAM。研究发现，带有阳离子磺酸基疏水缔合的PAM有良好的抗盐性，在60℃下能保持较好的表观黏度。付美龙[9]等针对鲁克沁深层稠油规模开发的难题，优化了以PAM为驱油剂的配方，通过水矿化度的优化和恒聚聚合物（HJPAM）最佳注入浓度的调节，提高稠油的采收率达10.98%。

大庆油田将PAM用于油田三元复合驱采出水的研究中，稳定性良好。利用三元（碱、表面活性剂、PAM）的复合驱可使采收率提高10%~20%[10]，目前该技术在大庆油田已进入大规模的工业应用阶段。Zhu[11]等报道了在大庆油田的原油开采中，利用碱-表面活性剂-PAM的三元复合驱的驱油产品，使采收率平均提高18.5%~26.5%，说明PAM作为驱油剂已经在油田开采中得到了广泛应用。

1.2 作压裂液添加剂

压裂是指采油过程中，利用水力作用，使油层形成裂缝的一种方法。压裂工艺是把高压大排量且有一定黏度的液体挤出油层，当油层压出许多裂缝后，加入支撑剂，填充裂缝，以提高油层的渗透能力[12]。压裂液作为压裂技术的重要组成部分，分为水基、油基、乳状、泡沫和酸基压裂液五种基本类型，其目的是为了减轻对油层的伤害，降低成本并提高压裂效果[13]。

孟祖超[14]等利用PAM和魔芋葡甘聚糖（KGM）的协同作用，研制出PAM/KGM稠化剂有较好的增粘性能，用其作为压裂液，对油层伤害低，且具有较好的耐剪切性、降滤失性、残渣少等优点。B.Grassl[15]等用亚硫酸氢钠和过硫酸钾做引发剂，将丙烯酰胺与N-18烷基丙烯酰胺共聚合成的压裂液，它含有较高的单体浓度（19 wt%）、良好的疏水特性。将其应用于油田生产中，发现其对油层伤害小，且具有较好的抗温、耐盐、耐剪切特性。

与油藏储层不同，煤层储层具有松软、表面积大、吸附性强、压力低等特征。针对煤层这些特点，赵辉[16]等优选出适用于煤层气井压裂的非离子型PAM锆冻胶压裂液，它具有耐剪切、易吸收、携砂性良好、对煤层伤害低、易反排等优点，是一种适用于煤层气的压裂液。程秋菊[17]等利用PAM为主剂，研制出了氮气泡沫压裂液体系，其粘度稳定、滤失性小，对煤层的损害率仅为20.8%（对瓜胶为79.4%），其吸附量对煤基质的孔隙基本不会产生堵塞，非常适合煤层气井压裂施工。

1.3 作堵水剂

油田堵水技术是注水开发非均质油田的一项重要工艺技术，它可以有效降低油井产水量、提高油井产油量、改善注入井吸水的不均匀性，从而提高注水井纵向波及系数，增加油田的可采储量，并最终提高油田注水开发的采收率[18]。PAM是目前应用的一种交联聚合物，它对油的渗透性最低、最高可超过10%，而对水的渗透性减少可超过90%[3]。

陈雷[19]等用PAM和聚丙烯腈（PAN）复合，形成一种新型的耐温抗盐复合聚合物凝胶堵水剂，通过对交联剂浓度、温度、矿化度等因素的考察发现，该交联PAM/PAN聚合物对矿化度在2 000~160 000 mg/L，温度60~140℃的砂岩油藏调剖堵水效果较好。Li[20]等用PAM作为堵水剂，能够使土壤表面的粗糙度大大增加，从而对油的渗透率有效降低，堵水效果较好。

李蒙[21]等用合成的三聚氰胺甲醛树脂（MF）与水解PAM交联，制备一种调剖堵水剂，它具有良好的耐剪切性，且能形成性能良好的冻胶，在130℃的高温下老化5天，粘度仍达到86.7%。这种新型的调剖堵水剂以其良好的堵水性、耐温性、耐剪切性能等，应用前景广阔。

利用丙烯酰胺-丙烯酸叔丁酯共聚物经聚乙烯亚胺交联形成的冻胶，进行堵水施工，L.Eoff[22]等对该交联体系的性能进行分析，并介绍了应用该交联体系作为环空封堵剂、水平井完井暂堵剂等不同工艺中的应用实例。另外，研究的新缓速剂可使体系的最高温度提高到176.7℃。R.Hernandez[23]等根据丙烯酰胺-丙烯酸叔丁酯共聚物经聚乙烯亚胺交联的产品被成功施工的多个实例，介绍了该体系的良好性能。

1.4 作钻井液流型调节剂

部分PAM常作为钻井液流型调节剂，它的作用是：调节钻井液的流变性，携带岩屑，润滑钻头，减少卡钻，提高机械钻速，并能防止发生井漏和坍塌。针对河南油田使用的钻井液存在着抑制泥页岩分散能力不足的问题，王学良[24]等通过现场试验，推广应用了以聚丙烯酰胺钾盐TL-A02为主剂的抑制性-钾铵聚合物钻井液。该聚合物依靠超长分子链多点吸附钻屑，提高了钻井液的抑制包被能力和控制滤失能力；另外，与同区块其他钻井液体系相比，钻井周期缩短了38.9%，提高机械钻速24.7%（达11.29 m/h）。

Ribeiro[25]等利用PAM为原料，合成的钻井液流型调节剂用在巴西Campos盆地附近的深井中，在高温、高盐的环境下，钻井液流体表现出良好的润滑性能和抑制页岩膨胀性，从而提高了钻采效率。

张洪伟[26]等针对大位移钻井遇到的泥页岩地层存在着水化膨胀缩径和严重造浆的问题，研制出聚胺抑制剂JAI、阳离子聚丙烯酰胺强包被剂PV等主要处理剂。以主要处理剂为基础，合成的新型强抑制胺基钻井液具有很强的抑制性和携岩能力，抗盐、抗钻屑污染能力强，润滑性良好，且具有一定的防塌作用，可以应用于易水化的泥页岩复杂地层的钻进，并且环境保护性能较好。

Guo[27]等合成了聚丙烯酰胺接枝共聚物，通过调整支链结构及数量得到了性能优良的水基压裂液降滤失剂，该产品在147℃、盐度饱和的水基钻井液中，其API滤失量仍可保持在10 mL以下。

2 结语

（1）聚丙烯酰胺在石油生产中作为驱油剂、压裂液添加剂、堵水剂、钻井液流型调节剂等已得到广泛的应用，它促进了油田工业的快速发展。

（2）目前，国内聚丙烯酰胺产品存在种类较少、产品档次低、产品中残余单体含量较大、实际应用效果较差等特点[28]。另外，聚丙烯酰胺在使用时存在高温水解、耐盐性及耐剪切性差等问题[29]。但伴随油田工业的发展，可以通过先进的生产技术，提高聚丙烯酰胺的相对分子质量，并通过引入其他官能团或共聚的方法提高它的耐温抗盐性、溶解性、携带岩屑能力、抗钻屑污染能力，从而提高其在压裂酸化、钻井、固井、三次采油等油田开发中的应用效果。

[1]史凤来.聚丙烯酰胺在钻井中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2012，（3）：39.

[2]Defazio Charles A.Preparation of High Molecular Weight Polyacrylates by Inverse Emulsion Polymerization[P].US：46562222.

[3]吴蒙，邓生富，等.聚丙烯酰胺合成技术及其在油田开发中的应用[J].精细石油化工进展，2011，12（12）：1-4.

[4]张学佳，纪薇，康志军，等.聚丙烯酰胺应用进展[J].化工中间体，2008，（5）：34-39.

[5]J.Weinberg，F.Cimpoesu，M.Olteanu，et al.Computational Study of the Molecular Complexes between Cholesterol and Two Isomers of the Pralidoxime [J].Journal of Molecular Structure：THEOCHEM，2007，813：3-8.

[6]冯玉军，吕永利，等.聚丙烯酰胺“水包水、乳液”一类环境友好的水溶性聚合物新材料[J].精细与专用化学品，2009，17（6）：11-15.

[7]于德水，等.聚丙烯酰胺驱油机理[J].油气田地面工程，2003，26（8）：27.

[8]谭俊领，黎晓茸，刘观军，等.长脂肪链改性疏水缔合聚丙烯酰胺驱油剂的制备与性能[J].精细石油化工，2012，29（3）：6-8.

[9]付美龙，叶成，刘富，等.鲁克沁深层稠油聚丙烯酰胺驱替技术研究[J].油田化学，2011，28（3）：263-266.

[10]吴迪，孟祥春，张瑞泉，等.大庆油田三元复合驱采水出的稳定性及其反向破乳剂的应用[J].精细化工，2001，18（2）：86-88.

[11]Y.Y.Zhu，Q.F.Hou，G.Q.Jian，et al.Current Development and Application of Chemical Combination Flooding Technique [J].Petroleum Exploration and Development，2013，40（1）：96-103.

[12]D.S.Lee，D.Elsworth，H.Yasuhara，et al.Experiment and Modeling to Evaluate the Effects of Proppant-pack Diagenesis on Fracture Treatments [J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2010，74（1-2）：67-76.

[13]A.Aminto，M.S.Olson.Four Compartment Partition Model of Hazardous Components in Hydraulic Fracturing Fluid Additives[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering，2012，7：16-21.

[14]孟祖超，陈辉，陈刚，等.聚丙烯酰胺-魔芋胶压裂液的研制[J].安徽农业科学，2010，38（15）：8200-8201.

[15]Z.Y.Zhu，O.Y.Jian，S.Paillet，et al.Hydrophobically Modified Associating Polyacrylamide Synthesized by Micellar Copolymerization at High Monomer Concentration[J].European Polymer Journal，2007，43：824-834.

[16]赵辉，戴彩丽，梁利，等.煤层气井用非离子聚丙烯酰胺锆冻胶压裂液优选[J].石油钻探技术，2012，40（1）：64-68.

[17]程秋菊，胡艾国，等.氮气泡沫压裂液用作煤层气井性能研究[J].应用化工，2011，40（10）：1675-1679.

[18]周林然，卢渊，伊向艺.聚合物冻胶类堵剂在油田堵水中的应用[J].内蒙古石油化工，2005，10：82-84.

[19]陈雷，邵红云，等.复合型耐温抗盐延缓交联聚合物堵剂的室内研究[J].精细石油化工进展，2006，7（7）：8-10.

[20]Y.Li，M.G.Shao，R.Horton.Effect of polyacrylamide Applications on Soil Hydraulic Characteristics and Sediment Yield of Sloping Land [J].Procedia Environmental Sciences，2011，11（B）：763-773.

[21]李蒙，李海英，陈磊燕，等.三聚氰胺甲醛树脂/聚丙烯酰胺调剖堵水剂研究[J].应用化工，2012，41（2）：307-310.

[22]L.Eoff，D.Dalrymple，et al.World Wide Field Applications of a Polymeric Gel System for Conformance Applications，SPE98119.SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control，Lafayette，Louisiana,（15-17）February，2006.

[23]R.Hernandez，Successful Water-Shutoff Case Histories in a Naturally Fractured Carbonate Reservoir in Offshore Mexico Using an Organically Cross-linked Polymer System With a Modified Tail-In.SPE 127981，Society of Petroleum Engineers，2010.

[24]王学良，吴永起，忽建泽，等.抑制性钾胺聚合物钻井液的推广应用[J].钻井液与完井液，2006，23（1）：80-83.

[25]P.R.Ribeiro，P.A.Pessoa-Filho，R.Lomba，et al.Measurement and Modeling of Methane Dissolution in Synthetic Liquids Applied to Drilling Fluid Formulation for Deep and Ultradeep Water Wells[J].Journal of Petroleum Science and Engineering，2006，51（1-2）：37-44.

[26]张洪伟，左凤江，贾东民，等.新型强抑制胺基钻井液技术的研究[J].钻井液与完井液，2011，28（1）：14-17.

[27]W.Y.Guo.Synthesis and Characterization of Starch-Graft-Polyacrylamide Copolymers and Their Application as Filtration Control Agents in Drilling Fluid[J].Journal of Vinyl and Additive Technology，2012：261-266.

[28]程丽鸿.国内聚丙烯酰胺市场研究[J].市场研究，2009，17（7）：30.

[29]黄宁，等.水溶性聚合物驱油剂国内研究近况[J].精细石油化工，2001，（9）：53-55.