耐温抗盐型聚合物微球的制备与性能研究

姚 谋，高 波，薛 强，周新宇，张 康

（1.长庆油田分公司第七采油厂，甘肃 庆阳 745700；2.长庆油田勘探开发研究院，陕西 西安 710018）

微球调驱技术是近年来兴起的一种新型调驱方法，具有注入能力强、封堵效果好、工艺简单等特点[1-2]。目前使用较广泛的微球以丙烯酰胺为单体，氮氮亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用反向悬浮法聚合而成。但常规的聚丙烯酰胺聚合物微球的耐温耐盐性差，限制了微球的使用范围[3]。

提升聚合物微球耐温抗盐能力的主要手段，是在分子链上引入耐温抗盐功能基团，或进行特殊分子结构设计[4]。2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）因其自身结构的特殊性，常被作为一种优异的耐温抗盐功能单体。一方面，庞大的侧基可有效提升聚合物分子链的刚性与空间位阻，另一方面，强水化性的磺酸基提供了良好的水溶性，遇到阳离子时不会发生沉淀[5-7]。

本文通过反相乳液聚合，制备了聚丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸耐温抗盐型聚合物微球，采用红外吸收光谱与扫描电子显微镜，对其结构与形貌进行表征，并研究了不同温度与矿化度对微球的表观黏度和溶胀率的影响，为高温高盐油藏调驱用微球的制备和应用提供参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

实验试剂：丙烯酰胺(AM，分析纯)，N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA，分析纯)，氢氧化钠(分析纯)，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS，分析纯)，乙二胺四乙酸二钠(分析纯)，过硫酸铵(分析纯)，亚硫酸氢钠(分析纯)，无水乙醇(分析纯)。

实验仪器：NEXUS670傅里叶红外光谱仪，Brookfield旋转黏度计，扫描电子显微镜。

1.2 P(AM-AMPS)微球的制备

称取定量2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）溶解在蒸馏水中，用NaOH调节溶液的pH值至中性，加入聚合单体丙烯酰胺（AM）、交联剂、氮氮亚甲基双丙烯酰胺（MBA）和络合剂乙二胺四乙酸二钠（EDTA)，完成聚合物水相的配制。量取适量白油于烧杯中，使用Span80调节HLB值，在转速3000·min-1下乳化5min，缓慢加入配好的水相聚合物溶液，高速（12000·min-1）剪切乳化5min，置于四口烧瓶中，在转速300r·min-1下搅拌，通氮气30min后，加入引发剂过硫酸铵与亚硫酸氢钠，水浴加热反应，至溶液为白色聚合物乳液时（约3h），停止搅拌与加热，冷却，产物用大量乙醇溶液冲洗，置于50℃真空烘干箱中烘干至恒重。制备耐温抗盐型聚丙烯酰胺共聚微球的反应式见图1。

1.3 P(AM-AMPS)微球表征与测试方法

微球表征方法：1）用傅里叶红外光谱仪对P(AM-AMPS)微球的分子结构进行表征；2）使用扫描电子显微镜观察微球的微观形态特征。

图1 P(AM-AMPS)微球的反应式

微球性能测试：1）使用Brookfield旋转黏度计，测定不同矿化度与温度下的表观黏度，探究耐温抗盐型微球的性能；2）通过称量法，对微球在高温高盐下的溶胀率进行研究。溶胀率Sw的计算公式为：

式中：m1为溶胀后微球质量；m0为干燥微球质量。

2 结果与讨论

2.1 P(AM-AMPS)微球的红外吸收光谱

取0.5mg制备的聚合物微球样品在红外灯照射下充分研磨，加入50mg干燥的KBr磨至混合均匀，装入模具，用5～10MPa压力在油压机上压成透明薄片，放入红外光谱仪中进行测定，实验结果见图1。由图1可知，3441 cm-1和3189 cm-1为酰胺基的N−H键伸缩振动特征峰，2930 cm-1为甲基C−H的伸缩振动吸收峰，1664cm-1的强吸收峰为酰胺基的特征伸缩振动峰，1156 cm-1为AMPS分子中磺酸基的伸缩振动吸收峰，证明丙烯酰胺（AM）与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）发生了很好的共聚，实现了预期的分子结构。

2.2 P(AM-AMPS)微球的扫描电子显微镜结果

利用S4800型冷场扫描电子显微镜观察微球的形貌，加速电压为20kV。取少量干燥的P(AMAMPS)微球铺于导电胶上，在表面进行喷金制样，完成后在扫描电镜下观察微球的形貌结构特征，结果见图2。由图2可知，微球粒径分布在2μm左右，微球的球形度较好，但由于其粒径较小，比表面积大，多数微球易聚集在一团，形成微球簇的形状。

图1 P(AM-AMPS)微球的红外吸收光谱图

图2 P(AM-AMPS）微球的扫描电镜图

2.3 微球的性能测试

2.3.1 高温高盐条件对P(AM-AMPS)微球表观黏度的影响

微球可以增加注入流体的黏度，改善水油流度比，具有提高注入流体的波及体积的作用[8]。将P(AM-AMPS）微球粉末加入不同矿化度的模拟地层水中，50℃下搅拌8h，得到分散均一的溶液。实验温度分别设定为90℃、125℃与150℃，使用Brookfield旋转黏度计，在转速6r·min-1下进行测定，实验结果见表1。

表1 不同温度和矿化度对P(AM-AMPS)微球表观黏度的影响

由表1数据可知，矿化度一定时，微球的表观黏度随温度的升高而有所降低，但下降幅度不大，仍保持了18.6mPa·s的表观黏度。而温度恒定时，矿化度对微球表观黏度的影响总体不是很明显，在较高的矿化度下，微球仍能保持良好的表观黏度。

2.3.2 高温高盐条件对P(AM-AMPS)微球溶胀性能的影响

依据作业区地层情况，设定了4种不同温度与矿化度梯度，测试了P(AM-AMPS)微球在不同条件下溶胀率的变化，探究微球的耐温抗盐能力，实验结果见图3。从图3可以看出，微球在90℃、51200mg·L-1条件下的膨胀性能最好，150h时溶胀率达到了12倍。随着温度与矿化度增加，微球溶胀率略有下降，但幅度不大，在120℃、85053mg·L-1的条件下，微球在150h时的溶胀率仍达10倍，相比于常规的聚丙烯酰胺微球[9]有较好的耐温抗盐能力。

图3 不同温度与矿化度对微球溶胀率的影响图

3 结论

1）以丙烯酰胺与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为单体，氮氮亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，采用反向乳液聚合制备了P(AM-AMPS)微球，该微球有良好的耐温抗盐能力。

2）用扫描电子显微镜观察P(AM-AMPS)微球，微球的形状规则，球形度好，粒径为2μm。

3）性能测试实验结果表明，P(AM-AMPS)微球的耐温抗盐能力优良，在150℃、矿化度为85053mg·L-1的条件下，表观黏度仍为18.6 mPa·s，溶胀率达10倍。