延时膨胀聚合物微球制备及天然气驱封窜性能研究

doi:10.3969/j.issn.1006-396X.2022.04.009

摘要/Abstract

摘要：

长庆油田某区块非均质性较强，地层中有大孔道、微裂缝和高渗透条带，在实施天然气驱过程中气窜风险较高，而传统聚合物微球吸水膨胀速率快，易剪切破碎，封堵强度低。针对这些缺点，通过引入激活交联剂，采用反相乳液聚合法合成了一种延时膨胀聚合物微球，并采用激光粒度仪、偏光显微镜等手段对其进行了结构表征；通过室内实验，系统评价了延时膨胀聚合物微球的抗温性、抗盐性、溶胀性、稳定性和天然气封堵性。结果表明，延时膨胀聚合物微球抗温85 ℃，抗盐100 000 mg/L，延时7 d膨胀，粒径扩大倍数达到5.5，并长期保持稳定，稳定性大于6个月，封堵率大于92.0%，可用于地层深部微裂缝和高渗条带的封堵作业。

关键词: 延时膨胀, 聚合物微球, 天然气驱, 封窜

Abstract:

A block in Changqing oilfield has high heterogeneity,and there are high?capacity channels, microfractures and high?permeability zones in its formations. During the implementation of natural gas flooding, the high risk of gas channeling must be considered. The traditional polymer microspheres are characterized by fast water absorption and expansion rate.It is easy to shear and crush its plugging strength is low. In view of these shortages,a polymer microsphere featuring delayed swelling was thus synthesized by introducing and activating a crosslinker and adopting inverse emulsion polymerization to address those defects. Its structure was characterized by a laser particle size analyzer and a polarizing microscope. Laboratory experiments were conducted to systematically evaluate the performance of the polymer microsphere featuring delayed swelling in temperature resistance,salt resistance,swelling,stability,and plugging during natural gas flooding.The results show that with a temperature resistance of 85 ℃, a salt resistance of 100 000 mg/L, a swelling time delay of 7 days, a particle size enlargement factor of 5.5, long?term stability (more than 6 months), and a plugging rate of more than 92.0%, the proposed polymer microsphere featuring delayed swelling can be used for plugging deep microfractures and high?permeability zones in the formations.

Key words: Delay swelling, Polymer microspheres, Natural gas flooding, Channeling sealing

中图分类号:

TE357

赵海峰, 吕伟, 刘笑春, 何思娴, 王石头, 毕卫宇. 延时膨胀聚合物微球制备及天然气驱封窜性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(4): 60-65.

Haifeng Zhao, Lü Wei, Xiaochun Liu, Sixian He, Shitou Wang, Weiyu Bi. Preparation of Polymer Microsphere Feature Delayed Swelling and Its Channeling Sealing Performance in Natural Gas Flooding[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2022, 35(4): 60-65.

图/表 10

表1 油层渗透率与平均孔喉直径关系

Table 1 Relationship between reservoir permeability and average pore throat diameter

渗透率/ $μ$ m²	平均孔喉直径/ $μ$ m
0.000 5	0.38
0.000 1	0.53
0.002 0	0.75
0.005 0	1.19
0.010 0	1.68
0.050 0	3.76
0.100 0	5.31
1.000 0	16.80

表1 油层渗透率与平均孔喉直径关系

Table 1 Relationship between reservoir permeability and average pore throat diameter

渗透率/ $μ$ m²	平均孔喉直径/ $μ$ m
0.000 5	0.38
0.000 1	0.53
0.002 0	0.75
0.005 0	1.19
0.010 0	1.68
0.050 0	3.76
0.100 0	5.31
1.000 0	16.80

表2 区块地层水水质成分组成

Table 2 Composition of formation water quality in block

水样	$ρ$ （离子）/(mg $⋅$ L^-1)							矿化度/(mg $⋅$ L^-1)	水型
水样	Na⁺+K⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	SO $4 2 -$	CO $3 2 -$	HCO $3 -$	矿化度/(mg $⋅$ L^-1)	水型
清水	2 019	164	20	372	4 083	0	129	7.00	Na₂SO₄
采出水	19 229	3 705	330	34 369	3 674	0	131	61.438	CaCl₂

表2 区块地层水水质成分组成

Table 2 Composition of formation water quality in block

水样	$ρ$ （离子）/(mg $⋅$ L^-1)							矿化度/(mg $⋅$ L^-1)	水型
水样	Na⁺+K⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	SO $4 2 -$	CO $3 2 -$	HCO $3 -$	矿化度/(mg $⋅$ L^-1)	水型
清水	2 019	164	20	372	4 083	0	129	7.00	Na₂SO₄
采出水	19 229	3 705	330	34 369	3 674	0	131	61.438	CaCl₂

图1 延时膨胀聚合物微球体系原始样品中值粒径分析结果

Fig.1 Laser particle size analyzer analysis curve of original sample of time?delay expanded polymer microsphere system

图2 延时膨胀聚合物微球体系的膨胀倍数随时间的变化

Fig.2 The change of particle size expansion factor with time of delayed?expanding polymer microspheres

图3 延时膨胀聚合物微球和100 nm凝胶聚合物微球膨胀倍数对比

Fig.3 Comparison of particle size expansion ratio between 100 nm gel polymer microspheres and delayed?expansion polymer microspheres

图4 延时膨胀聚合物微球体系的颗粒显微镜图（a）老化1 d （b）老化15 d

Fig.4 Micrograph of the particle of the system of delayed?expansion polymer microspheres

图5 延时膨胀聚合物微球体系的黏度随老化时间的变化

Fig.5 The change of viscosity with aging time of the delayed?expansion polymer microspheres

图6 延时膨胀聚合物微球体系的膨胀倍数随时间的变化

Fig.6 The change of particle size expansion factor with time of the delayed?expansion polymer microsphere system

表3 延时膨胀聚合物微球体系在不同渗透率条件下的驱油效果

Table 3 Oil displacement effects of time?expanded polymer microspheres under different permeability conons

岩心编号	长度/cm	直径/cm	孔隙度/%	水测渗透率/（10^-3 $μ$ m²）	水驱采收率/%	气驱采收率/%	体系驱油采收率/%	封堵后气驱采收率/%	封堵率/%	总采收率/%
1	7.10	2.52	13.21	5.26	40.67	8.4	6.7	13.8	97.2	69.57
2	7.12	2.50	16.77	76.30	46.19	9.8	5.2	11.7	96.1	72.89
3	7.22	2.55	17.27	162.50	50.75	7.5	4.9	10.3	93.3	73.45
4	7.11	2.51	18.20	353.40	58.60	5.7	5.5	8.2	92.8	78.00

表3 延时膨胀聚合物微球体系在不同渗透率条件下的驱油效果

Table 3 Oil displacement effects of time?expanded polymer microspheres under different permeability conons

岩心编号	长度/cm	直径/cm	孔隙度/%	水测渗透率/（10^-3 $μ$ m²）	水驱采收率/%	气驱采收率/%	体系驱油采收率/%	封堵后气驱采收率/%	封堵率/%	总采收率/%
1	7.10	2.52	13.21	5.26	40.67	8.4	6.7	13.8	97.2	69.57
2	7.12	2.50	16.77	76.30	46.19	9.8	5.2	11.7	96.1	72.89
3	7.22	2.55	17.27	162.50	50.75	7.5	4.9	10.3	93.3	73.45
4	7.11	2.51	18.20	353.40	58.60	5.7	5.5	8.2	92.8	78.00

表4 延时膨胀聚合物微球体系在不同渗透率级差条件下的驱油实验

Table 4 Oil displacement experiments of time?delay expanded polymer microsphere system under different permeability levels

组别	长度/cm	直径/cm	孔隙度/%	渗透率/（10^-3 $μ$ m²）	渗透率级差	水驱采收率/%	气驱采收率/%	采收率增加值/%	封堵后气驱采收率/%
1	7.20	2.50	13.29	32.53	5.5	43.59	7.95	5.26	7.69
1	7.00	2.50	16.45	5.87	5.5	24.39	4.63	7.20	14.63
2	7.12	2.50	17.25	61.80	11.2	47.60	5.30	5.40	4.80
2	7.32	2.55	15.87	5.51	11.2	25.80	4.10	2.70	12.40
3	7.26	2.54	16.03	135.70	19.7	45.90	9.41	8.36	0
3	7.20	2.50	14.33	6.88	19.7	18.30	2.53	0.85	24.62

表4 延时膨胀聚合物微球体系在不同渗透率级差条件下的驱油实验

Table 4 Oil displacement experiments of time?delay expanded polymer microsphere system under different permeability levels

组别	长度/cm	直径/cm	孔隙度/%	渗透率/（10^-3 $μ$ m²）	渗透率级差	水驱采收率/%	气驱采收率/%	采收率增加值/%	封堵后气驱采收率/%
1	7.20	2.50	13.29	32.53	5.5	43.59	7.95	5.26	7.69
1	7.00	2.50	16.45	5.87	5.5	24.39	4.63	7.20	14.63
2	7.12	2.50	17.25	61.80	11.2	47.60	5.30	5.40	4.80
2	7.32	2.55	15.87	5.51	11.2	25.80	4.10	2.70	12.40
3	7.26	2.54	16.03	135.70	19.7	45.90	9.41	8.36	0
3	7.20	2.50	14.33	6.88	19.7	18.30	2.53	0.85	24.62

参考文献 18

1	刘必心，侯吉瑞，李本高，等.二氧化碳驱特低渗油藏的封窜体系性能评价［J］.特种油气藏，2014，21（3）：128⁃131.
	Liu B X，Hou J R，Li B G，et al.Performance evaluation of channeling blockage system for ultra⁃low permeability oil reservoirs with CO₂ flooding［J］.Special Oil and Gas Reservoirs，2014，21（3）：128⁃131.
2	李凡，罗跃，肖清燕，等.CO₂驱低渗非均质油藏抗高温封窜剂的性能研究［J］.油田化学，2016，33（1）：146⁃150.
	Li F，Luo Y，Xiao Q Y，et al.Performance of CO₂ flooding plugging agent for low permeability and heterogeneous reservoir with high temperature resistance［J］.Oilfield Chemistry，2016，33（1）：146⁃150.
3	魏浩光，岳湘安，赵永攀，等.特低渗透油藏天然气非混相驱实验［J］.石油学报，2011，32（2）：307⁃310.
	Wei H G，Yue X A，Zhao Y P，et al.An experimental investigation of the nature gas immiscible displacement in ultra⁃low permeability reservoirs［J］.Acta Petrolei Sinica，2011，32（2）：307⁃310.
4	张增丽，雷光伦，刘兆年.聚合物微球调驱研究［J］.新疆石油地质，2007，28（6）：749⁃751.
	Zhang Z L，Lei G L，Liu Z N.Research on polymer microsphere control and flooding［J］.Xinjiang Petroleum Geology，2007，28（6）：749⁃751.
5	高弘毅，侯天江，吴应川.注天然气驱提高采收率技术研究［J］.钻采工艺，2009，32（5）：25⁃27.
	Gao H Y，Hou T J，Wu Y C.Study on natural gas injection for enhancing oil recovery［J］.Drilling & Production Technology，2009，32（5）：25⁃27.
6	周玉婷.基于有效流动孔隙低孔渗透储层渗透率确定方法［D］.大庆：东北石油大学，2015.
7	张增丽.孔喉尺度聚合物弹性微球合成及调驱性能研究［D］.北京：中国石油大学，2008.
8	孙玉青.微纳米弹性微球启动剩余油及提高采收率机理研究［D］.北京：中国石油大学，2011.
9	Giuseppe G，Daniela M，Fethi G，et al.Thermally activated particle treatment to improve sweep efficiency：Pilot test results and field scale application design in Elborma field （Tunisia）［C］.Tulsa：Society Petroleum Engineers，2012.
10	Salehi M，Thomas C P，Kevwitch R，et al.Performance evaluation of thermally⁃activated polymers for conformance correction Applications［C］.Tulsa：Spe Improved Oil Recovery，2012.
11	韩秀贞，李明远，林梅钦，等.交联聚合物微球水化粒径影响因素的分析［J］.石油化工，2010，39（3）：321⁃324.
	Han X Z，Li M Y，Lin M Q，et al.Effect factor for hydration particle size of crosslinked ploymer microsphere［J］.Petrochemical Technology，2010，39（3）：321⁃324.
12	Suda K，Pattama P，Hou J.Influence of reaction parameters on water absorption of neutralized poly（acrylic acid⁃co⁃acrylamide） synthesized by inverse suspension polymerization［J］.Applied Polymer Science，1999，72（3）：1349⁃1363．
13	Peng X，Wu D，Hou J，et al.Experimental study on expansion characteristics of core⁃shell and polymeric microspheres［J］.Journal of Nanotechnology，2018，2018：1⁃9.
14	黄志明，罗霄，江夏，等.微悬浮聚合法制备丙烯酸⁃丙烯酸正丁酯⁃丙烯酸甲酯共聚物纳米破乳剂［J］.高分子材料科学与工程，2019，35（9）：32⁃39．
	Huang Z M，Luo X，Jiang X，et al.Preparation of P（AA⁃BA⁃MA） nano⁃demulsifer by microsuspension polymerization method［J］.Polymer Materials Science and Engineering，2019，35（9）：32⁃39.
15	Qian X L，Yu P Z，Wang L，et al.Preparation of cationic polymer inverse emulsion and its application in water base drilling fluid［J］.Oilfield Chemistry，2008，24（4）：36⁃44.
16	Xue C T.Preparation of a micron⁃size silica⁃reinforced polymer microsphere and evaluation of its properties as a plugging agent［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2018，547：8⁃18.
17	Nie X R,Chen J B,Cao Y，et al.Investigation on plugging and profile control of polymer microspheres as a displacement fluid in enhanced oil recovery［J］.Polymers，2019，11（12）：125⁃132.
18	Li J B.The reservoir adaptability and oil displacement mechanism of polymer microspheres［J］.Polymers，2020，12（4）：885⁃885.

[1]	庄建，张维，梁云，温柔，王学生，张书唯，杨子浩. 多重介质聚合物微球调驱机理研究及应用[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(6): 49-55.
[2]	马永宇, 林梅钦, 王志永, 刘俊辰. 新型耐温聚合物微球的封堵特性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(1): 48-53.
[3]	闫冬，卢祥国，孙哲，吕鑫，梁守成，李强. 聚合物微球水化动态特征及其渗流特性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2018, 31(5): 45-52.
[4]	杨子浩,赵冀,唐永亮. 微米级交联聚合物微球对核孔膜的封堵作用[J]. 石油化工高等学校学报, 2017, 30(5): 26-31.
[5]	林梅钦,赵冀,唐永亮,王倩,范家伟,王平. 亚毫米级交联聚合物微球对核孔膜的封堵作用[J]. 石油化工高等学校学报, 2017, 30(2): 18-23.
[6]	刘丰钢,铁磊磊, 李翔, 王冠华. 聚合物微球调驱工艺优化设计[J]. 石油化工高等学校学报, 2015, 28(5): 24-30.