新型聚合物复合纳米微球调剖驱油剂研究

沙 鹏

（大庆油田有限责任公司第二采油厂，黑龙江大庆163414）

注水开发是各大油田普遍采用的一种重要开采方式，在油田长期注水过程中极易出现层间层内水窜的现象，导致水驱波及系数下降，油井见水快，含水率增大，使后期水驱开发效果变差[1-3]。大庆油田某区块前期采用注水开发，随着生产时间的延长，目前已进入高含水阶段，部分油井含水率达到95% 以上，因此亟需研究出性能优良的调驱剂以实现对注水井高渗通道的有效封堵，使后续注入水进入未波及区域，从而改善水驱效果，提高原油的采收率[4-5]。

目前国内外常用的调驱体系主要包括无机颗粒调剖剂、泡沫调驱剂、弱凝胶调驱剂、预交联凝胶调驱体系以及聚合物微球调驱剂等[6-10]，但由于研究区块属于高温高矿化度储层，大多数调驱体系不适用于该区块。纳米微球调剖驱油剂是近年来研究较多的一种新型调驱剂，其颗粒粒径一般处在纳米级和微米级，容易在水中分散形成稳定的悬浮体系，具有良好的吸水膨胀性能，并且其耐温抗盐性能优良，能够适用于高温高盐储层[11-13]。本文将无机纳米二氧化硅粒子和有机聚合物相结合，研制了一种新型聚合物复合纳米微球调剖驱油剂NWQ-2，室内评价了其粒径分布、吸水膨胀性能、耐温抗盐性能、黏弹性能、调剖封堵性能以及驱油性能，以期为目标区块实现控水增油提供一定的技术支持和保障。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

纳米二氧化硅、硅烷偶联剂GWS、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、交联剂MBS、催化剂(NH4)2S2O8、分散剂SP，均为分析纯，市售；氮气（纯度99.5%），市售；模拟油（煤油与储层脱气原油按质量比1∶1 混合，50 ℃下黏度为1.52 mPa·s）；模拟地层水（总矿化度为75 200 mg/L）；调剖性能评价用柱状岩心（长度为6.5 cm、直径为2.5 cm）；驱油性能评价用三层非均质岩心（30 cm×4.0 cm×4.0 cm），渗透率分别为30×10-3、150×10-3、500×10-3μm2。

LS-609 型激光粒度分析仪，珠海市欧美克仪器有限公司；MARS 可视流变仪，德国哈克公司；DHG型恒温干燥箱，上海丙林电子科技有限公司；岩心抽真空饱和装置、多功能岩心驱替实验装置，海安石油科研仪器有限公司。

1.2 新型聚合物复合纳米微球的制备

用硅烷偶联剂GWS 对纳米二氧化硅粒子表面进行修饰得到改性纳米二氧化硅粒子；在四口烧瓶中加入一定量的AM 和AMPS，加入蒸馏水搅拌使之完全溶解，按一定比例加入改性纳米二氧化硅、交联剂MBS、催化剂((NH4)2S2O8）和分散剂SP，将混合体系高速搅拌，形成均匀分散溶液，然后通入氮气以除去体系中氧气，升高温度至60～70 ℃，匀速搅拌进行聚合反应3～5 h；最后冷却、分离、洗涤、干燥即得新型聚合物复合纳米微球NWQ-2。

1.3 实验方法

1.3.1 复合纳米微球基本性能评价

（1）粒径分析。使用LS-609 型激光粒度分析仪测定新型聚合物复合纳米微球吸水膨胀前的粒度分布情况。

（2）膨胀性能。 使用蒸馏水配制质量浓度为2 000 mg/L 的NWQ-2 溶液，在室温下放置24 h 后，使用激光粒度仪测定微球吸水膨胀后的粒径，然后计算膨胀倍数以评价其膨胀性能。

（3）耐温抗盐性能。使用模拟地层水配制质量浓度为2 000 mg/L 的NWQ-2 溶液，在120 ℃恒温干燥箱中放置24 h 后，使用激光粒度仪测定微球在高温高盐溶液中的粒径变化，计算膨胀倍数以评价微球的耐温抗盐性能。

（4）黏弹性能。使用模拟地层水配制质量浓度为2 000 mg/L 的NWQ-2 溶液，在室温下使用低搅拌速率搅拌24 h，然后使用滤纸过滤掉多余的水分，再使用MARS 可视流变仪测定新型聚合物复合纳米微球吸水膨胀后的黏弹性能。

1.3.2 复合纳米微球调剖驱油性能

（1）调剖封堵性能。使用不同渗透率的柱状岩心饱和模拟地层水，然后在流速为0.1 mL/min 时用模拟地层水驱替岩心，记录驱替稳定时的压差△P0；再以相同的流速注入质量浓度为2 000 mg/L的新型聚合物复合纳米微球溶液，记录注入压差△P1；静置24 h 后继续使用模拟地层水驱替岩心，记录驱替稳定时的压差△P2。实验温度为90 ℃，根据以上压力测定结果计算岩心驱替时的阻力系数FR、残余阻力系数FRR和封堵率φ（见式（1）-（3）），以评价聚合物复合纳米微球的调剖封堵性能。

（2）驱油性能。将三层非均质岩心饱和模拟地层水，并计算其孔隙度大小；模拟地层水驱替岩心，流速为0.3 mL/min，测定其水测渗透率；然后以相同的流速注入模拟油，直至岩心出口端不出水为止；90 ℃老化24 h 后模拟地层水继续驱替岩心，直至岩心出口端不出油为止，计算水驱油的采收率；以相同的流速注入质量浓度为2 000 mg/L 的新型聚合物复合纳米微球溶液，注入体积为0.5 PV，90 ℃放置24 h 后继续使用模拟地层水驱替岩心，直至出口端不出油为止，并计算最终采收率。

2 结果与讨论

2.1 粒径分析

图1 为新型聚合物复合纳米微球吸水膨胀前的粒径分析实验结果。由图1 可以看出，复合纳米微球NWQ-2 的粒径主要分布在400～600 nm，其平均粒径为512.6 nm。

图1 复合纳米微球粒径分布Fig.1 Particle size distribution of composite nano⁃microsphere

2.2 膨胀性能

按照1.3.1 中的实验方法，评价了新型聚合物复合纳米微球在蒸馏水中的膨胀性能，结果见图2。

图2 复合纳米微球吸水膨胀性能Fig.2 Water swelling properties of composite nano⁃microsphere

由图2 可知，随着实验时间的延长，复合纳米微球NWQ-2 的吸水膨胀倍数逐渐增大；在开始阶段，其膨胀倍数增长较为缓慢，实验时间为5～20 h 时膨胀倍数增长加快，当实验时间为20 h 时，其吸水膨胀倍数可以达到10 倍以上；20 h 后吸水膨胀倍数基本不再增长。说明研制的新型聚合物复合纳米微球NWQ-2 具有良好的吸水膨胀性能。

2.3 耐温抗盐性能

按照1.3.1 中的实验方法，在矿化度为75 200 mg/L、温度为120 ℃的实验条件下，评价了新型聚合物复合纳米微球的耐温抗盐性能，结果见图3。

由图3 可知，复合纳米微球NWQ-2 的吸水膨胀倍数变化趋势与2.2 部分结果相似，但其膨胀倍数变小，当实验时间为20 h 时，其吸水膨胀倍数为8 倍左右。这是由于高矿化度的盐水会对复合纳米微球的膨胀产生抑制作用，而温度的升高会对其吸水膨胀产生促进作用，二者共同作用，高矿化度盐水的抑制作用稍强，因此在高矿化度盐水中复合纳米微球的膨胀倍数比蒸馏水中稍有下降，但仍保持良好的吸水膨胀效果，说明研制的新型聚合物复合纳米微球NWQ-2 具有良好的耐温抗盐性能。

图3 高温高矿化度条件下复合纳米微球的膨胀性能Fig.3 Expansion properties of composite nano⁃micro⁃sphere at high temperature and high salinity

2.4 黏弹性能

按照1.3.1 中的实验方法，对新型聚合物复合纳米微球的黏弹性能进行评价，应力设定为0.5 Pa，扫描频率为0.01～100 Hz，结果见图4。

图4 复合纳米微球黏弹性能Fig.4 Viscoelasticity of composite nano⁃microsphere

由图4 可知，在实验频率范围内，复合纳米微球NWQ-2 溶液的弹性模量G'一直大于黏性模量G"，说明其具有良好的黏弹性能，这是由于复合纳米微球吸水膨胀后能够形成具有一定弹性形变的结构，在外力作用下能够表现出弹性流体的特征，从而使复合纳米微球在地层中吸水膨胀后可以变形运移，对地层产生一定的调剖封堵作用。

2.5 调剖封堵性能

按照1.3.2 中的实验方法，评价新型聚合物复合纳米微球对不同渗透率岩心的调剖封堵效果，结果见表1。

由表1 可知，不同渗透率岩心注入复合纳米微球NWQ-2 后，驱替压力均出现不同程度的升高，且岩心渗透率越低，驱替压力升高的幅度越大，阻力系数、残余阻力系数和封堵率就越高。对于渗透率为（30～500）×10-3μm2的岩心，阻力系数在6～20，说明复合纳米微球具有良好的注入能力；而残余阻力系数在10～30，封堵率均大于88%，说明复合纳米微球对岩心中的大孔隙起到了良好的封堵效果。由于新型聚合物复合纳米微球NWQ-2 注入岩心孔隙中后发生了吸水膨胀，体积逐渐变大；同时由于其具有一定的黏弹性能，在外力作用下能发生变形，首先进入岩心孔隙中比较大的孔道内，产生封堵作用，使注入压力升高，后续流体逐渐进入小孔隙中，起到良好的调剖封堵作用。

表1 复合纳米微球调剖封堵性能评价结果Table 1 Evaluation results of profile control and plugging performance of composite nano⁃microsphere

2.6 驱油性能

按照1.3.2 中的实验方法，评价了新型聚合物复合纳米微球的驱油效果，实验结果见图5。

图5 复合纳米微球驱油性能Fig.5 Oil displacement performance of composite nano⁃microsphere

由图5 可知，在初期水驱过程中，随着注入量的增大，驱替压力比较平稳，水驱采收率和含水率均逐渐增大，驱替至2 PV 时，水驱采收率达到44.3%，含水率达到98% 以上，驱替压力稳定在0.075 MPa；然后注入0.5 PV 新型聚合物复合纳米微球NWQ-2，此过程中驱替压力迅速增大，含水率略有下降，采收率略有增大。这是由于复合纳米微球进入非均质岩心中后，待吸水膨胀体积变大后，首先进入到高渗通道中，迅速形成封堵层，致使驱替压力增大；最后在后续水驱过程中，驱替压力稍有增大，含水率逐渐升高，采收率继续增大。由于复合纳米微球在充分吸水膨胀后，对中、高渗通道均能产生一定的封堵作用，使后续注入水更多的进入到细微孔隙中，起到液流转向的作用，增大了波及体积，充分提高非均质岩心的动用程度，达到提高整体采收率的目的。岩心最终采收率达到了65.6%，相比较于水驱时提高了21.3%，增油效果显著，说明研制的新型聚合物复合纳米微球NWQ-2 具有良好的驱油效果。

3 结 论

（1）采用分散聚合法研制了一种新型聚合物复合纳米微球调剖驱油剂NWQ -2，其平均粒径为512.6 nm，具有良好的吸水膨胀性能，并且在高温高矿化度条件下仍能保持较高的膨胀倍数，具有良好的耐温抗盐性能。

（2）复合纳米微球NWQ-2 吸水膨胀后弹性模量大于黏性模量，具有良好的黏弹性能，能够在岩心中的大孔隙中产生有效封堵，使液流转向，起到良好的调剖封堵效果。

（3）驱油性能实验结果表明，非均质岩心中注入0.5 PV 复合纳米微球NWQ-2 溶液，能使岩心水驱后的采收率继续增大，采收率增幅可以达到21.3%，具有良好的驱油效果。