纳米微球粒径的影响因素研究

孙林涛，王纪云，赵春旭，束华东，王 熙，刘艳华，杨力生

（河南油田勘探开发研究院，河南 南阳473132）

进入二十世纪90 年代后，油藏的非均质性对水驱和化学驱驱替液波及系数的影响日益严重，研究者开始认识到只有通过深部调剖，才能更经济有效地调整及改善油藏的非均质性，提高注入液的体积波及系数，从而提高原油采收率[1]。

有效的深部调剖技术必须做到在油藏中进得去、堵得住。而纳米微球作为一种新型的逐级深部调驱技术，近年来成为国内外三采技术研究的热点之一，纳米微球技术是近年来发展起来的一种新型深部调剖堵水技术，其优点包括受外界影响小，可以直接用污水配制，耐高温高盐，以及注入无粘度、无污染、成本较低等[2]。纳米微球在水中非常稳定，初始的直径非常小，可以通过地层近井地带的孔喉，在地层水的作用下缓慢的发生膨胀或者由于相互交联会变大，最后形成足够大的球，封堵渗水通道的孔喉，迫使注入水改向，流进高含油的低渗层；材料在封堵一段时间后，附近含油层都进入注入水，变成渗水层后，几乎所有的孔喉都会被封堵，注入水的压力就会提高，球体就会在压力的作用下变形，穿过孔喉，在下一个孔喉形成封堵，这样的过程循环往复，所注入的微球一次次的封堵渗水通道，一次次的造成液流改向，就可以有效的改善驱替液的渗流，扩大驱替液波及体积，提高采出速度和采收率，降低油井的含水。因此，研究纳米微球粒径的影响因素，对该技术调剖堵水性能的优化及与地层相匹配的微球体系的设计其有重要的指导意义。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

Zeta 电位纳米粒度分析仪、电子天平等；Ⅰ型纳米微球，NaCl，CaCl2，MgCl2，Na2CO3。

1.2 纳米微球溶液的配制及微球粒径测定

用去离子水和NaCl、MgCl2、CaCl2配制所需的模拟水，用模拟水配制所需纳米微球溶液，在一定温度下放置数天让微球水化膨胀。取水化好的纳米微球溶液，放入样品池中，设定各项参数后，用Zeta电位纳米粒度分析仪测定微球粒径，研究影响粒径变化的因素。

2 结果与分析

2.1 纳米微球溶液初始粒径分析测定

用去离子水配制所需纳米微球溶液，充分搅拌后在30℃条件下测量纳米微球粒径，测得的初始粒径为0.06～0.5μm 之间，平均粒径0.0758μm。其结果见图1。

图1 纳米微球初始粒径Fig.1 Initial nanometer microspheres particle size

2.2 矿化度对纳米球粒径的影响

NaCl 分别配制矿化度为0、1000、3000、5000、10000mg·L-1的5 个浓度为2000mg·L-1纳米微球溶液，置于53℃烘箱中老化，考察0、5、10、20、30d 时的粒径变化。测量结果见图2。

图2 矿化度对膨胀性能的影响Fig.2 Effect of Salinity on the properties of expansion

由图2 可以看出，纳米微球在不同矿化度下随着老化时间的增加，发生水化膨胀，粒径增加，老化20d 后达到最大值。老化30d 后，矿化度为0mg·L-1时纳米微球膨胀的平均粒径最大，为5.86μm，矿化度为10000mg·L-1时纳米微球膨胀的平均粒径最小，为4.98μm。

随着矿化度的增加，在相同的老化时间里，纳米微球平均粒径逐渐减小。说明随着矿化度的增加，对纳米微球的膨胀性能有一定的抑制作用。

总体上矿化度从0 到10000mg·L-1的范围内，纳米微球溶液的平均粒径都在5μm 左右，说明纳米微球具有一定的抗盐性。

2.3 硬度对纳米球粒径的影响

实验考察了NaCl 浓度为3000、5000mg·L-1的水溶液里分别加入Ca2+和Mg2+（按1∶1 的比例）0、50、100mg·L-1，然后分别配制成2000mg·L-1的纳米微球溶液，置于53℃烘箱中老化，并在老化0、5、10、20、30d 时测量其粒径。测量结果见图3。

图3 硬度对膨胀性能的影响Fig.3 Effect of Hardness on the properties of expansion

由图3 可以看出，纳米微球在NaCl 浓度为3000、5000mg·L-1的水质中加入不同的Ca2+和Mg2+浓度，仍存在老化水化膨胀现象。老化30d 时，Ca2+/Mg2+浓度从0 增加到100mg·L-1，NaCl 浓度为3000mg·L-1样品，纳米微球平均粒径从5.451μm 降低至5.382μm；NaCl 浓度为5000mg·L-1，纳米微球的平均粒径从5.226μm 降低至4.871μm。随着Ca2+和Mg2+浓度的增加，在相同的老化时间里，纳米微球平均粒径逐渐减小。说明随着Ca2+和Mg2+浓度的增加，对纳米微球的膨胀性能有一定的抑制作用。

经30d 老化后，Ca2+和Mg2+浓度含量在0 到100mg·L-1范围内的纳米微球溶液平均粒径都为5μm 左右，说明纳米微球具有一定的抗钙镁性。

这是因为Ca2+和Mg2+二价阳离子对聚丙烯酰胺纳米微球中酰胺基水解产生的羧酸根阴离子有一定的屏蔽效应，使羧酸根阴离子间的静电排斥有所减弱，进而造成纳米微球的水化膨胀程度减弱[3]。

2.4 pH 值对纳米球粒径的影响

用下二门污水配制2000mg·L-1的纳米微球溶液，并调节（HCl 或Na2CO3溶液）溶液的pH 值至6、7、8、9、10。置于53℃烘箱中老化，在老化0、5、10、20、30d 时测量其粒径。测量结果见图4。

图4 可以看出，pH 值为6～10 的范围内，纳米微球都会随着老化时间的增加，发生水化膨胀，粒径增加，老化20d 后达到最大值。老化30d 时，pH值为8 时纳米微球膨胀的粒径最大，为5.641μm，pH 值为6 时膨胀的粒径最小，为4.92μm。但pH 值在6～10 的范围内平均粒径都在5μm 左右，差异较小，说明纳米微球具有一定的抗酸碱性。

图4 pH 值对膨胀性能的影响Fig.4 Effect of pH value on the performance of expansion

2.5 温度对纳米球粒径的影响

实验评价了用下二门污水配制的浓度为2000 mg·L-1的纳米微球溶液，在30、50、70、80℃下温度对膨胀性影响，老化时间分别为0、5、10、20、30d，测量结果见图5。

图5 温度对膨胀性能的影响Fig.5 Effect of temperature on the performance of expansion

由图5 可以看出，纳米微球在30～80℃下随老化时间的增加，粒径渐渐增加，发生水化膨胀，老化20d 后达到最大值。老化30d 后，温度为30℃时纳米微球膨胀的平均粒径最小，为5.012μm，温度为80℃时纳米微球膨胀的平均粒径最大，为6.241μm。

在相同的老化时间下，温度越高，膨胀性能越好，平均粒径越大，这是因为热对聚丙烯酰胺的水解有一定促进作用，可以加快纳米微球的水化膨胀。

3 结论

适量的矿化度有助于微球的溶胀，Ca2+和Mg2+的存在会抑制微球溶胀；适合的pH 值有助于微球的溶胀；温度越高微球体系的膨胀速度越快。

［1] 殷艳玲，张贵.化学堵水调剖剂综述［J].油气地质与采收率，2003,10（6）：64-66.

［2] 林梅钦,董朝霞,彭勃，等.交联聚丙烯酰胺微球的形状与大小及封堵特性研究［J].高分子学报,2011,23（1）:48-53.

［3] 王涛，肖建洪，孙焕泉，等.聚合物微球的粒径影响因素及封堵特性［J].油气地质与采收率，2006,13（4）:80-82.