疏水缔合聚合物/表面活性剂复合驱关键技术及应用性能研究

摘要

近年来，经注水、注气开采后，我国主要油田表现出储层非均质性强、渗透率低、孔喉微细以及矿化度过高等问题。受现场条件限制，化学驱成为我国三次采油的主攻方向，但单一化学驱难以适应日渐增大的开采难度，常需复合使用。聚/表复合驱兼具聚合物、表面活性剂特点，避免了碱驱带来的黏土运移、结垢等问题，因此成为复合驱发展方向。目前，常用聚合物在耐温、耐剪切、耐盐以及注入性等方面存在不同程度不足，故聚/表复合驱关键技术在于研发性能优良的聚合物，辅以界面性能达标的表面活性剂。疏水缔合聚合物（HAWSP）含有少量疏水侧链，其疏水基团间的相互作用可使分子链在临界缔合浓度（CAC）以上形成分子间缔合结构，该缔合结构在剪切作用降低或消除后可重组，故在较低分子量即可产生明显的增黏效应，同时不发生一般高分子量聚合物在高速剪切下的不可逆降解。因此，本文针对长庆油田低渗透储层特性，优选两性离子疏水单体，合成了一种相对于普通聚丙烯酰胺（HPAM）分子量较低、增黏性能较好的两性离子型疏水缔合聚合物（ZHAWSP），并系统研究了其制备、表征及溶液性能；筛选出性能达标、与ZHAWSP配套的表面活性剂复配体系（SCC）；研究了ZHAWSP与SCC的相互作用，并对二者形成的复合驱（SCCZ）进行了性能评价；对比了ZHAWSP、SCC、SCCZ三种体系的驱替效果。
　　本研究主要内容包括：⑴采用自由基共聚法，以2–丙烯酰胺–2–甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）、两性疏水单体（R–AM）为原料，合成了ZHAWSP。 ZHAWSP合成工艺为：单体总浓度为25wt％， n(AM):n(AA):n(AMPS):n(R–AM)=75:20:2:0.4，引发剂LTC浓度为0.03wt%（相对于单体总质量），反应时间为6h，引发温度为5℃，反应体系pH值为7。用乙醇多次洗涤后烘干，粉碎得到的白色粉状固体即为ZHAWSP。⑵FT–IR谱图证明合成聚合物的主要官能团峰的存在；TG分析说明ZHAWSP热稳定性能优于HPAM；XRD测试表明ZHAWSP为非晶态结构；GPC分析证明ZHAWSP分子量远小于HPAM，且分子量分布范围较窄；SEM显示在CAC以上时，ZHAWSP分子链缔合呈非均匀分布的网状结构。⑶通过对比相同条件下ZHAWSP与HPAM的溶液性能，发现在CAC以上时，ZHAWSP的增黏、耐温、耐盐、耐剪切、黏弹性能明显优于HPAM。⑷在剪切作用下，ZHAWSP表现出假塑性特征，且随着浓度的增加，假塑性愈发明显；ZHAWSP在低剪切速率下表现出一定的增稠性质，在较高剪切速率下，黏度下降到一定值后基本保持不变；剪切恢复实验说明ZHAWSP具有一定触变性，且浓度越高，触变性越明显。ZHAWSP盐水溶液总体表现出假塑性，低剪切速率可使溶液表现出增稠效应。⑸黏弹性试验表明，较高浓度ZHAWSP去离子水溶液在设定频率范围内以弹性行为为主，较低浓度的溶液在一定频率以上才表现出以弹性行为为主；在较低频率范围内，适量 NaCl可使 ZHAWSP溶液表现出以弹性特征为主，超过一定频率后，逐渐由弹性特征为主向黏性特征为主转变；在较高频率范围内，多数情况下 NaCl的加入促使 ZHAWSP溶液表现出黏性特征为主，但NaCl对分子链的作用与外加振荡可能产生某种程度的抵消，因而使特定 NaCl加量下的 ZHAWSP溶液在较高频率也表现出以弹性行为为主；高浓度ZHAWSP标准盐水溶液在较低频率下以黏性特征为主，超过一定频率后逐渐向弹性特征转变，且弹性特征随浓度增加越发明显。⑹通过模拟长庆油田储层环境，优选阴离子表面活性剂SAS–60、非离子表面活性剂 CDEA、两性磺基甜菜碱 CAB组成性能达标的复配体系SCC。⑺性能评价表明：SCC具有较宽的浓度适用范围（0.1wt%～0.6wt%）；在50000mg/L、0.3wt%用量下，可满足40℃～70℃将油水界面张力降至10-3mN/m甚至10-4mN/m数量级；同时，在50℃、0.3wt%用量下，可满足10000mg/L～100000mg/L矿化度下将油水界面张力降至10-3mN/m数量级；在60℃（0.3wt%，50000mg/L）恒温静置30天后，油水界面张力仍可降至10-3mN/m数量级甚至更低。⑻SCC润湿能力优于单一表面活性剂，可将油湿性岩石表面反转为强亲水性表面，吸附损失量低于行业标准，在吸附5天后，油水界面张力平衡值仍可降至10-3mN/m数量级。⑼考察去离子水、50000mg/L矿化水中SCC对ZHAWSP性能的影响。结果显示，随着SCC浓度的增长，ZHAWSP去离子水溶液黏度先增大后减小，ZHAWSP矿化水溶液黏度增大到一定值后变化不大；较低浓度SCC的加入对ZHAWSP溶液的耐剪切、触变、黏弹和表面性能有所提升。⑽考察了50000mg/L矿化水中ZHAWSP对SCC界面性能的影响，随着 ZHAWSP浓度的增大， SCC的界面张力亦增大；优选出质量比SCC:ZHAWSP=1:10的SCCZ复合驱；SEM显示SCCZ溶液结构趋于有序紧密；DLS显示SCCZ聚集体尺寸远小于长庆油田低渗透储层孔喉尺寸。⑾性能评价表明：0.4wt%的SCCZ黏度可保持在50mPa·s以上，油水界面张力可降至10-3mN/m数量级；在10000mg/L～100000mg/L矿化度下， SCCZ的增黏性能优于ZHAWSP，界面张力可保持在10-3mN/m～10-2mN/m数量级；SCCZ表现出假塑性特征，多轮剪切后SCCZ的黏度恢复较快，甚至高于未剪切前；不同浓度SCCZ在较高频率展现出良好的弹性特征。⑿不同矿化度下，SCCZ与模拟油的乳状液在60min内无明显分层，其吸附性能优于 SCC，在吸附5天后，黏度保留率较高，油水界面张力平衡值可降至10-3mN/m数量级；在60℃（0.3wt%，50000mg/L）恒温静置30天后，黏度保留率为90.5%，油水界面张力可降至10-2mN/m数量级。

目录

1 前言

1.1 化学驱概述

1.2 聚合物/表面活性剂（PS）复合驱

1.3 疏水缔合聚合物（HAWSP）

1.4 HAWSP与表面活性剂的相互作用

1.5 研究目的、内容和意义

2 两性离子疏水缔合聚合物（ZHAWSP）的合成与性能

2.1 引言

2.2 ZHAWSP的合成

2.3 测试与表征方法

2.4 ZHAWSP合成影响因素

2.5 ZHAWSP分子结构和性能表征

2.6 ZHAWSP溶液性能

2.7 本章小结

3 表面活性剂复配体系（SCC）研究

3.1 引言

3.2 试剂及仪器

3.3 测试方法

3.4 复配体系筛选

3.5 复配体系优化

3.6 本章小结

4 ZHWASP/SCC体系（SCCZ）性能研究

4.1 引言

4.2 ZHAWSP与SCC相互作用

4.3 SCCZ溶液微观形态

4.4 SCCZ体系聚集体尺寸

4.5 SCCZ体系性能评价

4.6 本章小结

5 室内岩心驱替实验

5.1 引言

5.2 试剂及仪器

5.3 实验方法

5.4 实验结果

5.5 本章小结

6 结论

6.1 总结

6.2 本文创新之处

6.3 下一步工作

致谢

参考文献

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