纳米聚合物微球的封堵性及驱油性能

李 翔瞿 瑾鞠 野唐忠利王 硕戚佩瑶刘丰刚刘晓非*

(1.中海油田服务股份有限公司,天津 300450; 2.天津大学材料与工程学院,天津 300350; 3.天津大学化工学院,天津 300350)

我国低渗透油藏的储量占全国油气总储量的一半及以上,超过了70%,许多新开发的油田都是以低渗透、特低渗透油藏为主。低渗透油藏的显著特点是油层的渗透率低、孔喉较小、含水量高且单井产能低[1-3]。常用的开采低渗透油藏的方法是注水开发[4],通过向油层注水,提高油层压力,提高油田开采效率。但随着开采程度的增加,地层深部的压力和含水量不断上升,使得综合采收率较低,地层中仍有大量原油未被启动。为了提高采收率,纳米聚合物微球作为新兴的微尺度调驱材料,在各大油田得到广泛应用[5-6]。

纳米微球一般以AM(丙烯酰胺)为聚合单体,聚合方法为反相微乳液聚合[7-9]。制得的聚丙烯酰胺微球无毒、可溶于水,有一定的耐热性能,而且微球的溶胀程度可控制,在实际油田应用中,聚丙烯酰胺微球价格较为便宜,现场操作简单,作为油田深部调驱剂可大幅提高采收率[10-11]。聚合物微球的初始粒径为纳米级,溶于水中分散性好,粒径随着水化时间的延长可以增大至初始粒径的3～5倍[12-13]。与此同时,纳米聚合物微球乳液中含有表面活性剂,能有效降低水油两相的界面张力,改善润湿性,增大驱油效率。由以往研究可得,纳米聚合物微球驱油机理主要是由于纳微米微球初始粒径较小,且具有优异的分散性能,易发生溶胀团聚现象。当微球调驱剂被注入地层,可以实现边溶胀边运移,微球团聚至一定程度时可通过架桥作用对孔隙孔道进行封堵,迫使液流转向,使其进入低渗透油藏深部,有效扩大波及体积,实现深部调驱。因此研究微球的溶胀团聚性对更好地理解微球的驱油机理有着重大意义,也能为纳米微球驱油提供指导性意义。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

试验所用的聚丙烯酰胺微球乳液(微球粒径分别为50和100 nm)为市售在中石油长庆油田、中海油渤海油田应用的微球乳液商品,采用模拟地层水,将市售的不同粒径的微球商品按质量比配制成不同浓度的微球乳液。

实验用模拟油采用煤油与原油按质量比5∶1配制。

1.2 分析测试仪器

微孔滤膜过滤器,天津津腾实验设备有限公司;激光纳米粒度仪,Nano ZS90型,英国马尔文公司;接触角测量仪,FCA2000A型,上海艾飞思精密仪器有限公司。

1.3 微通道实验

取50和100 nm样品配制质量分数为0.5%的调驱剂溶液,使用磁子搅拌40 min左右,观察溶液的状态,当溶液分散均匀即可进行实验。实验用微通道为T型结构,模拟油注入微通道,实验温度为70 ℃,在搅拌的条件下通入调驱剂溶液,调驱剂经由恒流泵从图1中主通道左侧进入,从支通道流出,实验过程中观察支路管道中模拟油排出情况。经标定,设置恒流泵的转速为0.3 r·min-1,管道中流速为5 mL·h-1。对整个实验过程进行录像,整个实验过程约为1 h。实验结束后,选定微通道部分,计算图像的灰度平均值。

图1 T型管中初始充油图Fig.1 Initial filling in T-tube

1.4 透过滤膜实验

取50和100 nm微球样品配制质量分数为0.1%的调驱剂溶液,使用磁子搅拌90 min左右,观察溶液的状态,当溶液分散均匀即可进行实验。实验用滤膜内径为5 μm,观察溶液透过滤膜的情况,分别测量并记录其透过3层滤膜25 mL 溶液所需的时长。测试完毕后,使用磁子搅拌调驱剂溶液24 h,观察溶液的状态,当溶液分散均匀,观察溶液透过滤膜的情况,分别测量并记录其透过3层滤膜25 mL溶液所需的时长。

1.5 粒度测量

称取少量纳米聚合物微球样品与分散至白油中,配制成0.5%微球调驱剂溶液,用磁子搅拌器匀速搅拌30 min,观察微球溶液的状态,当溶液的状态较为均匀时,在室温条件下静置保存1 d。使用激光粒度仪测量纳米微球溶胀后的粒径。

1.6 透射电镜观察

使用透射电镜观察调驱剂溶液中的微球溶胀与聚集形态。

1.7 表面张力实验

取50和100 nm乳液配制质量分数为0.5%的调驱剂溶液,使用磁子搅拌40 min左右,并在烘箱内保温2 h。利用界面张力仪测定微球乳液与干粉在空气中的表面张力,重复3次,取平均值。

2 实验结果与讨论

2.1 微通道实验结果

图2和图3分别是50以及100 nm微球水分散体系驱油过程记录的实验现象。

图2 a)50 nm微球部分团聚物粒径;b)50 nm微球最终驱油效果Fig.2 a)The partial aggregate particle size of 50 nm microspheres and b) final flooding effect of 50 nm microsphere

图3 a)100 nm微球部分团聚物粒径;b)100 nm微球最终驱油效果Fig.3 a)The partial aggregate particle size of 100 nm microspheres and b)final flooding effect of 100 nm microsphere

表1 乳液调驱剂驱油实验结果对照表Table 1 Comparison of oil displacement experiment results of emulsion flooding agent

由图2和图3可得,50及100 nm乳液调驱剂在驱油实验过程中均发生了微球的团聚,且团聚物粒径达到了几十微米。50与100 nm乳液调驱剂都有明显的驱油效果。利用Photoshop软件对未充油图、驱油初始图,以及50和100 nm最终驱油效果图进行图像处理。设置纯黑为“0”,纯白为“255”,得到图像的灰度平均值,并对比50与100 nm微球的驱油效果。

由图4～图7,及表2可得,50 nm微球调驱剂的最终驱油效果图的灰度平均值更高,这也证明了其驱油效果好于100 nm乳液调驱剂。

表2 各图灰度平均值Table 2 Average gray value of each image

图4 未充油图灰度值Fig.4 Gray value of unfilled oil map

2.2 透过滤膜结果

图5 初始充油图灰度值Fig.5 Gray value of initial oil-filled map

图6 50 nm微球最终驱油图灰度值Fig.6 Gray value of 50 nm microsphere final flooding pattern

图7 100 nm微球最终驱油图灰度值Fig.7 Gray value of 100 nm microsphere final flooding pattern

由表3和表4实验数据可得,50 nm微球溶液一开始能透过滤膜,后堵塞通道无法透过;而100 nm微球溶液透过通道的速率逐渐降低,这说明微球会发生溶胀。在使用相同内径滤膜的情况下,在透过第1个25 mL的过程中,50 nm微球透过时间长于100 nm微球,且50 nm微球在第2个25 mL的过程中就已无法完全透过,而100 nm微球仍能透过,透过速率逐渐降低。2种微球都在实验过程中发生了溶胀团聚现象,且50 nm微球相较于100 nm微球更易发生溶胀团聚现象。

表3 乳液调驱剂(现配)透过3层滤膜所需时间Table 3 The time required for the emulsion modifier (freshly prepared) to pass through the 3-layer filter film

表4 乳液调驱剂(搅拌24 h)透过3层滤膜所需时间Table 4 The time required for emulsion modifier (stirring for 24 h) to penetrate the 3-layer filter membrane

由实验数据可得,50 nm微球溶液一开始能透过滤膜,后堵塞通道无法透过,但其透过滤膜的时间明显较现配溶液降低;而100 nm微球溶液可顺利透过3层滤膜,不发生堵塞。这说明虽然微球会溶胀,但在搅拌的条件下透过速率仍提高,证明透过速率与调驱剂的分散性密切相关。

2.3 粒度测量实验结果

根据图8和图9所示,在溶胀1 d后,50及100 nm微球的粒径都在1 μm左右,粒径比溶胀之前增大。

图8 微球初始粒径图Fig.8 Initial particle size of microspheres

图9 微球溶胀 1 d 后粒径图Fig.9 Particle size after swelling of microspheres for 1 d

2.4 透射电镜观察实验结果

由图10和图11透射电镜分析发现,微球的膨胀团聚不单单是因为微球之间的黏连,也观察到了微球和乳化剂、油滴之间的缠结现象。

图10 微球乳液透射图Fig.10 Transmission electron microscope image of microsphere emulsion

图11 微球调驱剂溶液透射图Fig.11 Transmission electron micrograph of microsphere control and flooding agent solution

由微通道和滤膜实验可得,50及100 nm微球都有效果,由灰度测量值得出,50 nm微球驱油效果更好。2种微球都易发生溶胀团聚,团聚物的粒径达到了几十微米,其中50 nm微球更易团聚。已知粒度仪无法准确测量单个微球的粒径,在粒度测量实验中,50和100 nm微球溶胀1 d后,测得的粒径结果达到了微米级别,结合微球实验结果,这证明了微球不仅会溶胀,微球与微球之间也会发生团聚现象。最后通过透射电镜分析结果可知,不仅是微球之间会发生黏连,微球和乳化剂、油滴之间也会发生缠结现象。

地层喉道分布情况较为复杂,除了内径较大的大通道,也存在许多微小通道。纳米聚合物微球的初始粒径较小,能够顺利进入内径较小的喉道,且在运移的过程中吸水膨胀,封堵或是吸附在岩石表面封堵喉道,迫使液流转变流动方向,进入低渗带,使得含油饱和度较高的储层中的油被启动。以上实验均很好地证明了50和100 nm微球具有良好的膨胀团聚性能,这也是微球的封堵性能较好的原因,从而使它们具有较好的驱油效果。

2.5 表面张力实验

在调驱剂溶液驱油机理研究中,表面张力的降低一直是重要理论之一。表面张力越小,油相的流动阻力越小,油水混合物其就越容易运移到储层孔隙中。

由表5可得,50和100 nm微球乳液在空气中的表面张力明显降低,而干粉调驱剂降低表面张力的能力较差。已知微球乳液中含有的大量表面活性剂,表面活性剂驱油技术作为化学驱油技术的一种,其作用主要是降低油水混合物的表面张力,改善溶液对岩石表面的润湿性。表面活性剂溶入油藏中的油水混合物后会吸附在混合物的油水界面上并形成乳状液体,加速油相变形、移动、乳化。以此改变残余油和剩余油在油藏孔隙中的运动特征,减少能量损失,使油水混合物在油藏孔喉中更好的聚集并且运移,提高其运移效率,达到提高原油采收率的目的。

表5 微球乳液与干粉在空气中的表面张力对比(nm)Table 5 Comparison of surface tension between microsphere emulsion and dry powder in air(nm)

3 结论

1)50和100 nm微球都有较好的溶胀团聚性能,溶胀1 d后,粒径达到微米级别。而微球的团聚不仅仅是微球之间的黏连,也观察到了微球和乳化剂、油滴之间的缠结现象,这使得团聚物的粒径达到了微米级别。

2)纳米微球的溶胀团聚行为使其拥有了较好的封堵性,能有效地扩大波及效率,提高驱油效率。50 nm微球最终驱油图灰度平均值为55.62,100 nm微球最终驱油图灰度平均值为16.94,50 nm微球的驱油效果好于100 nm微球。

3)微球乳液在空气中的表面张力明显降低,而干粉调驱剂的表面张力降低较小。微球乳液中含有的大量表面活性剂是使其驱油效果较好的原因。