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在低渗透凝析油气藏中,水锁损害是油气藏产能下降的主要原因。研究表明,油气藏储层中尤其是井眼附近岩石的润湿性是影响水锁效应的关键因素之一,通过改变油气藏井眼附近岩石的润湿性,即由强液湿转变为中性气湿或优先气湿,油气藏的水锁得以解除,油气井的产量将显著提高。由于油气藏气湿反转在提高产能方面的重要作用,因而在基础研究和实际应用方面都引起了人们的广泛关注,但是,目前气湿性研究的理论基础还不完善,并且缺乏经济有效的气湿反转处理剂,因此,油气藏多孔介质气湿反转材料的研究将是今后油田化学领域研究的热点和重点。
本文首先通过接触角测量和毛细管上升实验比较了氟和硅有机材料在多孔介质中的不同气湿反转效果。结果表明,与有机硅材料相比,含氟表面活性剂Zonyl8740的气湿反转效果更好,Zonyl8740可以显著降低岩心的表面能,由71.15 mN·m-1降低到2.35mN·m-1,降低了96.70％。在此基础上,本文通过分子设计合成了含氟无规共聚物、含氟两亲性嵌段聚合物和接枝多巴胺的含氟丙烯酸酯聚合物。并通过FT-IR红外光谱、核磁共振氢谱(1H NMR)和氟谱(19F NMR)、X-射线光电子能谱与紫外可见光谱分析确认了聚合物的结构组成。
利用接触角测量和毛细管上升实验对合成的聚合物的气湿反转性能进行了检测,结果发现,在含氟两亲性嵌段聚合物处理的材料表面上,水的接触角显示出时间依赖性,随着时间的延长,接触角逐渐变小,但对油的接触角基本保持不变,这说明含氟两亲性嵌段聚合物存在环境响应性,在水环境下更亲水,在油环境下更疏油。与含氟两亲性嵌段聚合物相比,含氟无规共聚物在多孔介质中具有更优异的气湿反转性能,无规聚合物处理岩心后,表面能由71.10 mN·m-1显著降低到了3.10 mN·m-1,降低了95.64%;岩心表面上蒸馏水、油田污水、十六烷和原油的接触角分别由2.52°、10.62°、2.2°和35.35°提高到139.79°、122.31°、65.46°和85.68°。接枝多巴胺的聚合物表现出了更优异的气湿反转性能,它可以将岩心的表面能由54.96 mN·m-1显著降低到0.41 mN·m-1,降低了99.25%:并且岩心表面上蒸馏水、油田污水、十六烷和原油的接触角分别由46.21°、47.23°、0.64°和30.36°提高到157.04°、155.04°、78.03°和101.18°。
电子扫描显微镜对岩心表面形貌和能谱分析结果表明,8740和硅溶胶共处理岩心使其表面产生气湿反转的原因可能是,通过硅溶胶的处理使岩心表面具有合适的表面粗糙度,再经过含氟表面活性剂Zonyl8740的化学修饰后,其表面能显著降低,这两个条件的有机结合使岩心表面的润湿性由优先液湿转变为气湿。X-射线光电子能谱分析结果表明,含氟丙烯酸酯无规共聚物处理岩心后,岩心表面上出现了F元素,有效降低了岩心的表面自由能,这是岩心表面产生憎水、憎油性的基础。与含氟丙烯酸酯聚合物相比,接枝多巴胺的含氟丙烯酸酯聚合物处理岩心后,岩心表面的耐冲刷性较强,这是因为接枝多巴胺的含氟丙烯酸酯聚合物在多孔介质表面的黏附性较强,这也正是决定该聚合物产生优异气湿反转效果的主要因素。
与亲油、亲水的储层表面相比,油气藏储层的润湿性由强液湿转变为中性或优先气湿后,液相流动性显著增强,液相相对渗透率增加,液相饱和度降低。岩心驱替实验结果表明Zonyl8740处理岩心后,水的渗透率比未处理时增大了4倍,水的流动性明显增强。渗吸实验结果表明接枝多巴胺的含氟丙烯酸酯聚合物处理岩心后,气/水体系和油/气体系中的渗吸率明显下降,其中聚合物G06B-AA-DA和G06C-AA-DA处理岩心PJ2后,在气/水体系中,渗吸率由59%明显下降为0。
本文在比较了氟、硅有机材料在多孔介质中气湿反转性能的基础上,设计并合成了含氟两亲性嵌段共聚物、含氟无规共聚物和接枝多巴胺的含氟无规共聚物。通过接触角测量和毛细管上升实验检测并比较了它们在多孔介质中的气湿反转性能,初步分析了岩心气湿反转机理及岩心气湿反转对液相渗透率的影响等。本文的有关研究在一定程度上为今后提高油气田的产能奠定了坚实的理论基础。