新型温度自适应性驱油剂的合成及性能评价

李 勇, 樊红旗, 向 荣, 东野升富, 彭国勋, 李静瑞, 蒋筑阳, 于小荣

(1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司 工程技术研究院压裂酸化研究所，陕西 西安 710018；2. 中国石油天然气股份有限公司 长庆油田分公司第二采油厂工艺研究所，甘肃 庆阳 745100；3. 中国石油天然气股份有限公司 长庆油田分公司第二采油厂产能建设项目组，甘肃 庆阳 745100；4. 长江大学 化学与环境工程学院，湖北 荆州 434100)

近年来，我国能源进口量逐年增长[1]。截至2019年底，原油进口达5.1亿吨，对外依存度高达74.25%，国家能源安全受到严重威胁[2-4]。我国低渗透油气资源丰富。据统计，在已探明的储量中，低渗透、特低渗油藏约占2/3以上，开发潜力巨大[5-8]。然而，低渗透油藏孔隙结构复杂、均质性强等特点导致开采难度大[9]。针对这一现状，诸多调驱技术相继出现，其中聚合物驱占主要地位[10-16]。

聚合物驱油中使用的聚合物主要为均聚聚丙烯酰胺，刘存辉[17]等以C—C 为主链，引入具有亲油疏水基团的功能单体，并在表面活性剂的增溶作用下，将疏水功能单体有序嵌入主链上，制备出活性乳化聚丙烯酰胺驱油剂。该驱油剂具有一定的增粘能力、粘度稳定性与乳化能力。刘笑春等[18]通过阴离子/非离子/两性表面活性剂复配，制备了低界面张力驱油用 HW-2表活剂体系，该体系具有较好的乳化性能，能够降低岩层对原油的吸附力。然而，目前研究的聚合物体系不仅耐高矿化度和剪切性能欠佳，且温敏性能较差。

温度自适应性驱油剂是一种以丙烯酰胺为主链的智能聚合物，其微观结构会随温度变化而变化，从而导致粘弹性变化。温度自适应性驱油剂可满足不同温度油藏的需要，实现深部调驱，提高面积和垂向波及效率与波及系数，提高驱油效率。

本文以丙烯酰胺(AM)、 2-甲基-2-丙烯酰胺基-丙磺酸(AMPS)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、甲基丙烯醇聚氧乙烯醚(HEPG)为单体，过硫酸钾(K2S2O8)为引发剂，制备温度自适应性驱油剂PMHA，其结构和微观形貌经IR和SEM等表征。采用岩心驱替实验评价了PMHA的驱油性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

JSM-IT 300型扫描电子显微镜；Brookfield DV-3T型流变仪；TGA-4000型热重分析仪；Nicoleti-S5型傅里叶变换红外光谱仪；HKY-2型岩心驱替装置。

所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

将 AM、 AMPS、 DMC、 HPEG(摩尔比5/5/2/1)和水按投料比溶解于三颈烧瓶中;用氢氧化钠溶液调节体系 pH至7.5，通氮气30 min，于65 ℃加入适量引发剂，保温反应5 h。用无水乙醇沉淀聚合物，再用丙酮洗涤多次，于50 ℃真空干燥24 h，粉碎得聚合物PMHA。

2 结果与讨论

2.1 表征

(1) IR

图1为PMHA的IR谱图。由图1可知，3145.38 cm-1处特征峰为O—H的伸缩振动吸收峰；2856.24 cm-1和2921.67 cm-1处特征峰为甲基和亚甲基的伸缩振动吸收峰；1652.72 cm-1处特征峰为C=O的伸缩振动吸收峰；1396.23 cm-1处特征峰为亚甲基的变形振动吸收峰；1112.73 cm-1处特征峰为醚键的伸缩振动吸收峰[19]。

ν/cm-1

(2) TGA

图2为PMHA的TGA曲线。由图2可知，PMHA的热失重分为3个部分，第一部分在0～180 ℃，热失重为8.93%，该阶段主要是结合水和易挥发组分等挥发所致。第二部分在180～350 ℃，热失重为28.19%，该阶段主要是酰胺基团分解所致；第三部分在350～450 ℃，热失重为33.97%，为分子主链裂解所致，且该阶段热失重最多。当温度超过450 ℃以后，PMHA质量基本不变，表明PMHA有较好的热稳定性。

Temperature/℃

图3 PMHA的SEM图片

(3) SEM

图3为PMHA的SEM照片。由左图可知，PMHA在水溶液中形成丝网状的交联结构；由右图可知，PMHA具有均匀规整的空间结构，分子链链彼此交错，形成网状结构，且分子链粗细均匀，网孔大小基本一致。

2.2 性能测试

(1) 增粘性能

图4为PMHA的浓度-粘度曲线。由图4可见，在25 ℃下，PMHA的浓度增大，其粘度不断增大，粘度与浓度表现出较好的正线性相关性。浓度为2000 mg/L时，粘度为100.8 mPa·s，具有较好的增粘性能。

浓度/mg·L-1

Temperature/℃

(2) 抗温性能

图5为PMHA的温度-粘度曲线。由图5可见，PMHA溶液的粘度随温度的增加呈现先下降再升高，最后下降的特征。温度为20 ℃时，PMHA的粘度为80.2 mPa·s，温度在20～40 ℃时，粘度略有下降，当温度升高至50 ℃时，粘度升高至72.5 mPa·s。温度对聚合物粘度的影响是由多个因素共同作用的。在温度不断升高的过程中，疏水基团和水分子的热运动均加剧，使疏水作用减弱，粘度下降；疏水缔合是一个吸热的熵驱动过程，温度进一步升高导致缔合作用增强，该作用比分子热运动影响更大，聚合物溶液的粘度会略有增加；温度继续升高，离子基团的热运动加剧，静电斥力作用减弱，分子链收缩，共同表现为粘度降低[20]。当温度为100 ℃时，粘度为43.1 mPa·s，可见PMHA的总体粘度保留率在50%以上，耐温性能较好。

表1 PMHA的抗剪切性能

矿化度/mg·L-1

PV

(3) 抗盐性能

图6为PMHA矿化度-粘度曲线。由图6可知，PMHA的粘度呈现随矿化度升高而减小的趋势。PMHA的初始粘度为100.8 mPa·s，当矿化度为5000 mg/L时，粘度迅速降到66.6 mPa·s，可见矿化度升高后，粘度会急剧降低。矿化度达到10000 mg/L以上，粘度降低至30 mPa·s以下，矿化度由10000 mg/L变为80000 mg/L时，粘度保留率为71.8%。其原因在于，矿化度升高，溶液极性增强，促使水溶液中疏水基团分子间疏水缔合程度加剧，与水分子的接触体积减小，分子间缔合能力减弱，流体力学体积变小，宏观表现为溶液粘度降低，因此PMHA具有较好抗盐性能。

(4) 抗剪切性能

表1为PMHA的抗剪切性能评价结果。由表1可知，剪切后PMHA的粘度呈下降趋势，但在不同矿化度条件下，降低程度有所差异。PMHA在去离子水中粘度为100.8 mPa·s，经过剪切后，粘度下降为52.9 mPa·s，粘度保留率为52.48%，在6000 mg/L矿化水中，粘度保留率更低，为39.21%。由此可知，剪切作用弱化了聚合物分子间的作用力，甚至分子结构已经破坏，宏观表现为剪切作用后，聚合物粘度降低。矿化度升高，分子间作用力进一步弱化，剪切作用对聚合物分子间作用力的弱化程度加剧，因此矿化度升高，粘度保留率更低。。

(5) 注入性能

图7为PMHA的PV-P曲线。由图7可以看出，渗透率为30.4×10-3μm2的岩心，注入2000 mg/L的PMHA后，注入压力有一定的上升，二次水驱压力下降，全过程驱替压力小于0.05 MPa。由此可知，PMHA注入压力偏低，对于渗透率为30.4×10-3μm2的岩心，注入性良好。

(6) 驱油性能

表2为PMHA的驱油效果,图8为PMHA的驱油性能评价曲线。由表2和图8可知，一次水驱稳定压力为0.05 MPa,注入PMHA后驱替压力突增，达到1.1 MPa，后续水驱压力逐渐降低，稳定值为0.21 MPa。由表2可知，注入PMHA后，采收率增幅为25.51%。分析可知，注入PMHA能够进入岩心，对岩心进行封堵，提高驱替压力。此外，PMHA粘度较大，注入岩心后，具有提拉携带作用，两者协同作用，显著提高原油采收率[21-22]。

表2 PMHA驱油效果

孔隙体积倍数

3 结论

合成了温度自适应性驱油剂PMHA。 PMHA具有较好的热稳定性，在水溶液中呈网状结构；室内实验结果表明：2000 mg/LPMHA具有良好的抗温抗盐抗剪切性能。温度为100 ℃时，粘度保留率达到50%以上。矿化度由10000 mg/L增大到80000 mg/L时，粘度保留率达到71.8%；岩心驱替实验表明，PMHA具有良好的注入性和提高采收率效果。注入0.5 PV 2000 mg/L的PMHA后，采收率增幅达25.51%。