交联聚合物分散体系封堵性能研究

王 姗 姗

(1. 海洋石油高效开发国家重点实验室， 北京 100028； 2. 中海油研究总院， 北京 100028)

交联聚合物分散体系封堵性能研究

王 姗 姗1,2

(1. 海洋石油高效开发国家重点实验室， 北京 100028； 2. 中海油研究总院， 北京 100028)

通过微孔滤膜过滤实验、动态光散射及填充砂管实验，研究交联聚合物分散体系的封堵性能及交联聚合物体系的线团大小，考察交联剂用量、体系浓度、水化时间和盐浓度对产物封堵性能的影响。研究发现，交联聚合物能够对孔径1.2 μm的纤维素膜形成有效封堵。当交联聚合物在较低交联剂用量时，交联剂越多，体系的封堵效果越好，但当交联剂用量超过0.1%时，封堵效果开始变差；溶胀时间越长，体系封堵性降低；体系浓度越高，封堵效果越好；盐的存在，使得微粒粒径变小，封堵效果变差。该交联聚合物的封堵强度高、深入性能好，但吸附滞留较差。

交联聚合物； 分散体系； 封堵性能

交联聚合物驱油技术是20世纪90年代发展起来的一项提高采收率技术，是在聚合物驱油技术基础上发展和完善起来的[1]。目前，常用的交联聚合物体系有交联聚合物溶液和交联聚合物微球等[2-4]。交联聚合物溶液对地面设备腐蚀较轻，对地层无伤害，污染小，黏度低，注入性能好。但是，常规的交联聚合物溶液对配制水有较高的要求，注入量大，注入液浓度偏低，实施周期长，见效慢[5-6]。交联聚合物微球能够满足封堵水流通道的孔喉处“进得去、堵得住”的要求。但是，微球体系因其采用反相微乳液聚合，反应过程中固含量低，且其封堵强度不高。为了克服目前常用的交联聚合物体系、微球体系的不足，拓宽交联聚合物的使用范围，在此对大尺寸的交联聚合物分散体系进行分析。

1 实验部分

1.1 实验试剂

交联聚合物分散体系：交联聚合物乳液(反相乳液法获得)经破乳、沉淀分离得到固体样品。去离子水：实验室自制。微孔滤膜：聚碳酸酯核孔膜，孔径1.2 μm，膜厚10 μm，膜直径48 mm，孔密度为5×106个cm2。填充砂管长度为100 cm，内径2.5 cm，石英砂密度2.65 gcm3。

1.2 实验方法

1.2.1 交联聚合物分散体系的配制

用甲醇或乙醇将乳液聚合体系沉淀出交联聚合物，用丙酮洗涤多次，室温真空干燥12 h，得白色固体粉末状交联聚合物。称取一定质量的交联聚合物，用介质溶解，搅拌均匀，得到交联聚合物分散体系。

1.2.2 膜过滤实验

核孔膜过滤的方法及实验装置详见文献[7]。记录在2 kPa的压力下每滤出2.5 mL分散体系样品所耗的时间。

1.2.3 动态光散射(DLS)实验

粒径分析仪：Zeta sizer-Nano-Zs粒径分析仪，英国Malvern公司制。光源：He-Ne激光光源。波长：633 nm。激光器功率：4.0 mW。测试温度：25 ℃。测量时散射角度：90°。粒径分析仪预热30 min后，将装有配制好的分散体系的样品池放入分析仪中，待各项参数设定后，测定分散体系样品中分散相的流体力学直径。

1.2.4 填充砂管实验

填充砂管渗透率：2.21 μm2。聚合物: 微球质量分数3×10-4。注入水：含NaCl (质量分数为2×10-3)的模拟水。注入液流量：1 mLmin。由计算机采集整个实验过程中随时间变化的系统压力数据。

2 实验结果与讨论

2.1 交联剂加量对产物封堵性能的影响

(1) 配制交联剂加量分别为0.005%、0.010%、0.030%、0.040%的交联聚合物分散体系，在0.06 MPa压力下用孔径1.2 μm的混合纤维素酯滤膜过滤，以过滤体积对过滤时间作图(见图1)。

图1 不同交联剂加量下过滤时间与过滤体积的关系

由图1可见，交联剂加量由0.005%增加到0.040%，其封堵性能越来越好。交联剂加量为0.005%时，分散体系通过核孔膜的过滤时间约为18 min，而当交联剂含量增加到0.040%时，过滤时间为100 min。这是因为，交联剂较少时，交联聚合物结构中交联点相对较少，交联程度低，变形能力大，通过微孔滤膜时，容易沿剪切方向变形，因为不能对微孔滤膜形成有效封堵。随着交联剂的增加，交联点增多，封堵强度也就随之增加。

(2) 配制交联剂加量为分别为0.040%、0.050%、0.100%、0.150%的交联聚合物水溶液。因交联剂含量大于0.040%时，在0.06 MPa下流速极慢，故在0.10 MPa下用孔径1.2 μm的混合纤维素酯滤膜进行实验，实验结果如表1所示。

表1 不同交联剂加量下过滤时间与过滤体积

由表1中实验数据可以看出，当交联剂加量超过0.040%时，随着交联剂加量的增加，流过相同体积分散体系通过微孔膜的过滤时间先增加后减少，在交联剂加量为0.050%时达到最高，159.36 min。交联剂加量大于0.05%时，过滤时间开始降低。其主要原因是，交联剂单个乳液滴中的交联单体增多，交联聚合物内的交联点过多，虽然强度比较好但其变形性太差，导致在滤膜上难以吸附架桥，封堵困难。因此，当交联剂加量为0.05%时，交联聚合物封堵性能达到最优。

2.2 体系质量分数对封堵性能的影响

配置交联剂加量为0.010%的交联聚合物分散体系，用粒度分析仪测定粒径(见表2)。应用膜过滤装置，测定其通过1.2 μm核孔膜的过滤体积与过滤时间(见图2)。

表2 不同体系质量分数下的粒径

图2 不同体系质量分数下过滤时间与过滤体积

随着体系质量分数的增加，微粒的平均粒径也增大。从100 ×10-6时的2 590.4 nm，增大到1 000×10-6时的5 038.2 nm。由图2可以看出，随着交联体系质量分数的加大，体系通过核孔膜的过滤时间呈现显著增加的趋势。20 mL的100×10-6体系，通过核孔膜的过滤时间约为8 min；而当质量分数增加到500×10-6时，相同体积的聚合物通过核孔膜的过滤时间为40 min。即，随着交联聚合物浓度增加，其封堵性能增加。其主要原因是，质量分数高的分散体系，单位体积内的颗粒数量也多，更加容易吸附架桥滞留，封堵能力也越强。

2.3 水化时间对封堵性能的影响

配制交联比为0.010%的交联聚合物水溶液，在不同水化时间下，用孔径1.2 μm的混合纤维素酯滤膜进行过滤，其过滤时间与过滤体积见图3。

图3 不同水化时间下过滤时间与过滤体积

由图3可知，交联聚合物分散体系通过纤维素膜的过滤时间和过滤体积的关系呈一条开口向下的曲线，这说明分散体系能够对纤维素膜形成有效的封堵。然而，体系通过纤维素膜的过滤速度随着水化时间的增加而加快，这说明其对纤维素膜的封堵能力随水化时间而降低。当水化时间为0时，20 mL的交联聚合物体系通过滤膜的时间是40 min；而体系水化480 h以后，过滤时间缩短为13 min。这说明体系水化以后，对纤维素膜的封堵能力降低。主要原因在于，交联体系开始水化时，水溶剂首先进入体系内部使其发生溶胀，微粒体积增大。这时，微粒的变形能力相对较差，对纤维素膜的封堵能力较强。然后，随着溶胀的持续进行，微粒的溶解性增大，变形能力相应增强，在一定的压差作用下，更容易通过纤维素膜，表现出封堵能力降低。

2.4 盐质量浓度对封堵性能的影响

表3 盐质量分数对平均粒径的影响

当分散体系中不含盐时，颗粒的粒径是3 798.6 nm。随着交联聚合物中NaCl质量分数的增加，平均粒径依次减小为1 409.1、1 379.1、1 104.9 nm。不同的ω(NaCl)分散体系中，ω(NaCl)值越高，对纤维素酯滤膜的封堵效果越差，不加盐的体系过滤时间为40 min；而ω(NaCl)为2%时，过滤时间仅2 min。以上数据表明，盐的质量浓度是影响交联聚合物溶液性能的重要因素之一。交联聚合物大分子链上存在着多个羧基阴离子，而邻近的羧基之间负电排斥。随着溶液中NaCl质量分数增大，外加的强电解质导致已经电离的羧基的双电层和水化层变薄，削弱了分子链上同性电荷的排斥作用，使得交联聚合物分子链卷曲，流体力学体积变小，宏观上表现出来的是通过核孔膜的过滤时间缩短，体系的封堵能力降低。

图4 不同ω(NaCl)下过滤时间与过滤体积

3 砂管实验

将交联剂加量为0.050%的交联聚合物，配制成质量分数为1 000×10-6的交联聚合物分散体系。将其注入到填充砂管内，测定填充砂管上不同位置随注入分散体系孔隙体积变化的压力，实验结果如图5所示。

图5 交联聚合物分散体系封堵压力曲线

开始通剂后，各点的压力值均迅速上升，随着体系的不断注入，相邻两点间的压差逐渐增大，说明体系注入过程中微粒在逐步滞留。压差上升幅度均较大，说明该堵剂的封堵强度高，深入性好；而注水后，3项压力值均出现较大幅压降。这说明，该堵剂吸附滞留能力较差，只有少部分滞留，大多被水冲散。

4 结 语

(1) 交联聚合物能够对孔径1.2 μm的纤维素膜形成有效封堵,但长时间溶胀后的封堵性降低。交联聚合物在较低交联剂用量时，交联剂越多，体系的封堵效果越好；但当交联剂用量超过0.1%时，因微粒交联点过多，变形性差，封堵效果开始变差。

(2) 交联聚合物分散体系质量浓度越高，体系中微粒的粒径越大，封堵效果越好；盐的存在，使得微粒粒径变小，封堵效果变差；在长时间水化后，体系的封堵能力变差。

(3) 填充砂管实验表明，该交联聚合物的封堵强度高，深入性好，但吸附滞留能力较差，易被水冲散。

[1] 杨俊茹，谢晓庆，张健,等.交联聚合物微球-聚合物复合调驱注入参数优化设计[J].石油勘探与开发，2014，41(6):727-730.

[2] 郭金茹.交联聚合物微球分散体系的稳定性及其与孔喉匹配性[D].北京：中国石油大学(北京)，2011：1-20.

[3] 高思远.大庆油田二类油层交联聚合物微球调剖剂性能[J].大庆石油地质与开发，2013，32(4):112-116.

[4] 林莉莉，郑晓宇，刘可成,等.分散聚合法制备深部调剖用交联聚合物微球[J].油田化学，2014，31(3):361-365.

[5] 马智国，王永鹤，康宏元,等.一种交联聚合物微球的合成及性能评价[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2014，29(4):84-88.

[6] 王立军，王辉，王磊,等.改性复合交联聚合物弱凝胶调驱剂的研制及性能评价[J].重庆科技学院学报(自然科学版)，2009，11(4):54-57.

Study on the Plugging Property Performance of Cross-Linked Polymer Dispersion System

WANGShanshan1，2

(1.State Key Laboratory of Offshore Oil Exploration, Beijing 100028, China; 2. Research Institute of CNOOC, Beijing 100028, China)

Experiments of microporous membrane filtration test, dynamic light scatting and sand filled tube test are carried out to investigate the plugging property and the size of the cross-linked polymer. The effect of cross-linking agent concentration, system concentration, hydration time and salt concentration on the plugging property is also studied. The results show that the cross-linked polymer has good plugging efficiency in nuclear pore film of 1.2 μm. The plugging efficiency of the dispersed system is enhanced with the increasing of the cross-linking agent at low concentration. However, the plugging efficiency tends to decrease when the mass concentration is more than 0.1%. With the increasing of the hydration time and the decreasing of the system concentration, the plugging property of the system decreases. Both the plugging efficiency and the size of the dispersed system decrease with NaCl concentration increasing. Core flooding test proves that the dispersed system could enter into the mid-depth of the sand pipe and has good plugging property. However, the adsorption property is not that positive.

cross-linked polymer; dispersion system; plugging property

2017-04-27

“十三五”国家科技重大专项“海上油田化学驱油技术”(2016ZX05025-003)

王姗姗(1986 — )，女，山东章丘人，工程师，研究方向为油田化学及提高采收率。

TE357

A

1673-1980(2017)04-0050-04