芳香族功能化三元聚合物/SDBS驱替技术在高温高压重油开采中的应用：盐液兼容性、界面行为及渗透率依赖性适用性

《Fuel》：Aromatic-Functionalized Terpolymer/SDBS flooding for HTHS Heavy-Oil Recovery: Brine Compatibility, interfacial Behavior, and Permeability-Dependent applicability

　　摘要：在高温高盐重油储层中，表面活性剂-聚合物驱替技术因流动性控制不足、表面活性剂在强盐水中的不相容性以及沥青质带来的界面障碍而受到限制。本研究将一种芳香族功能化三元聚合物与十二烷基苯磺酸钠结合，以改善高温高盐条件下的整体流动调控及界面性能。与HPAM和AM/AMPS相比，PAAS系列具有更强的耐盐性，不过这一表现是共聚物组成、分子量、分子量分布及链构象共同作用的结果。其中PAAS-2表现出最佳的整体性能，在盐度高达100,000毫克/升时仍能保持较高的粘度和流体动力学尺寸。在强盐水中老化30天后，PAAS-2/SDBS体系的浊度上升幅度更低，沉淀物形成更少，且界面活性优于纯SDBS。该复合体系还能降低油水界面张力，增强界面粘弹性，使经油处理的砂岩向更亲水的状态转变，并提高O/W型乳液的稳定性。沥青质分散实验和分子模拟进一步表明，PAAS可能削弱沥青质的自聚集现象，抑制大颗粒的形成。在65℃、盐度100,000毫克/升的条件下进行的岩心驱替试验显示，PAAS-2/SDBS体系的最高采收率为54.14%，峰值压力为3.187兆帕。在渗透率更高的岩心中，压力梯度从10.623兆帕/米降至2.537兆帕/米，但采收率仍保持在50%以上。这些结果证明了PAAS-2/SDBS在实验室尺度上具备将耐盐界面调控与流动性控制相结合的潜力，不过其浓度、注入体积、滞留时间以及目标渗透率还需进一步优化。

引言：重油和超重油资源是全球能源供应的重要组成部分，但由于其高粘度、不利的油水流动性比以及非均质多孔介质中残留油的强滞留效应，其高效开发仍面临挑战。从实验室岩心试验到中试测试乃至现场应用，聚合物驱技术已得到广泛研究，而储层性能预测则进一步强调了聚合物流变特性、流动性控制以及注入策略在重油采收中的重要性[1]、[2]、[3]。基于表面活性剂和聚合物的化学驱技术可通过结合水相流动性控制与界面作用及驱替效应，提升石油的流动性，为重油储层提供了一种重要的非热力驱替方案[4]。然而，在高温高盐条件下，传统化学驱配方的效果往往会被削弱。静电屏蔽作用以及与二价离子的相互作用会导致聚合物链收缩，降低其流体动力学体积，而长时间的高温暴露则可能加速聚合物的水解、降解及粘度下降。因此，人们致力于开发疏水缔合聚合物、接枝共聚物、热粘性聚合物、磺化共聚物、盐诱导增稠聚合物、两亲性聚合物、聚合物-纳米粒子复合材料以及接枝多糖衍生物。这类材料通过疏水缔合、空间位阻保护、温度响应型缔合、离子基团水合以及盐诱导的分子间聚集等多种机制来提升流变稳定性[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。不过，仅保持较高的整体粘度并不足以确保重油的有效采收，因为化学相容性、油水界面行为、乳化现象、原油滞留以及注入能力也会影响驱替效果。乳化是表面活性剂-聚合物驱替重油过程中的重要机制。水包油型乳液的形成可降低被驱替石油的表观流动性，便于已分离的油滴迁移，同时产生的暂时性流动阻力还能使后续注入的流体转向未被充分驱替的区域。表面活性剂与聚合物之间的相互作用还会影响界面张力、界面膜粘弹性、润湿性、乳液形态以及液滴聚并行为。岩心尺度及孔隙尺度的研究表明，经过合理设计的复合体系可促进多孔介质中石油的变形、破碎、脱离及重新分布，不过过高的乳液稳定性或流动阻力也可能增加注入压力[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。因此，配方需在界面活性、乳液稳定性、流动性控制以及多孔介质传输能力之间实现适当平衡。除了整体流变特性和乳化现象外，沥青质相关的聚集行为及界面行为也会影响重油的驱替效率。沥青质分子中的芳香族基团和极性基团会促进其在油水界面的自聚集与吸附，进而形成聚集体及具有机械抗性的界面结构。为此，近期有研究将芳香族或富含芳香族的 Functional材料引入水溶性重油降粘剂中。典型的例子包括用于重油乳化及降粘的氧化石墨烯基梳形聚合物、兼具降粘与驱油功能的多环芳烃基水溶性配方，以及能够改变沥青质聚集状态并降低重油粘度的酚类两亲性物质。多尺度分子模拟进一步表明，聚合物的结构以及芳香族、疏水族和亲水族片段的空间分布决定了聚合物与沥青质的结合程度以及聚集体的重组情况[20]、[21]、[22]、[23]。这些研究结果表明，芳香族原子间的亲和力，包括可能的π-π相互作用，有助于聚合物在富含沥青质的结构上附着，而水合态的离子及聚合物片段则能提供空间位阻和氢键稳定作用。因此，所观察到的分散行为应被视为聚合物与沥青质亲和力与抑制沥青质自聚集作用之间的平衡，而非单纯由芳香族元素的吸引力所致。此外，还有许多先进的聚合物体系被用于极端条件下的储层提高采收率研究。超分子聚合物被作为传统聚合物驱替剂的替代品，而功能化的氧化石墨烯/聚丙烯酰胺复合材料则利用氢键作用与疏水缔合作用之间的竞争关系，提升材料的增稠能力和耐盐性。梳形聚合物表面活性剂以及pH响应型主客体聚合物则被用于将水相流变特性与界面活性及环境响应性相结合。与此同时，人们也越来越重视聚合物体系中的自组装行为，以及表面活性剂、聚合物、离子、原油成分和矿物表面之间的分子相互作用，以此从分子层面解释宏观上的化学驱替效果[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]。针对储层特点的研究还评估了用于海上重油采收的两亲性聚合物、可在高盐度多孔介质中使用的耐盐聚合物微球，以及用于非均质重油储层的具有界面活性的聚合物-乳化降粘体系。还有其他功能性聚合物和聚合物微球被开发出来，用于在高温高盐条件下驱替重油，而超支化弱凝胶则被提出用于高度非均质地层中的剖面控制[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。这些研究表明，成功的化学提高采收率不仅需要良好的瓶测性能或流变性能，还需要可控的原油滞留时间、足够的注入能力、可逆或暂时的流动阻力，以及配方尺度与储层孔隙结构之间的兼容性。最近，温度响应型Janus纳米粒子以及经表面活性剂协同增强的包埋体系为高温高盐重油采收提供了更多候选材料。关于热聚合物驱替的数值分析也表明，注入模式、温度条件、聚合物分布以及压力发展情况都会显著影响驱替效率及最终采收率[36]、[37]、[38]、[39]。尽管取得了这些进展，总体粘度、耐盐性、界面膜行为、乳化现象、沥青质聚集、化学滞留、注入能力以及驱替效率等因素仍常常被单独评估。尤其是对于浓缩型表面活性剂-聚合物配方而言，其在不同渗透率条件下的采收率提升与所需压力之间的关联机制仍不够明确。因此，本研究并非将AM/AMPS/SSS单体组合本身视为主要创新点，而是将一种芳香族功能化的AM/AMPS/SSS三元聚合物PAAS与十二烷基苯磺酸钠结合，在受控的高温高盐重油条件下，将其作为一种面向储层的表面活性剂-聚合物配方进行评估。与以往主要关注耐盐性和整体流变行为的AM/AMPS/SSS聚合物，以及那些侧重于降低石油粘度或分散沥青质的功能化芳香族降粘剂相比，本研究通过一个综合框架对PAAS/SDBS体系进行了评估，该框架涵盖了强盐水兼容性、整体流变特性、界面张力、膨胀流变特性、润湿性变化、乳液稳定性、沥青质聚集、分子相互作用、动态滞留、注入能力以及岩心尺度下的驱替效果。研究特别关注了聚合物组成和分子量的协同效应、以SDBS为主的界面张力降低作用与PAAS辅助的界面膜强化作用之间的互补关系，以及沥青质聚集体抑制作用作为额外采收机制的可能贡献。此外，还在不同渗透率水平下开展了岩心驱替试验，以评估驱替效率提升与注入压力需求之间的平衡关系。因此，本研究的意义在于建立了高温高盐条件下，配方稳定性、流动性控制、界面行为、多孔介质传输特性以及与渗透率相关的压力-采收率之间的储层导向型关联，而非宣称首次合成了AM/AMPS/SSS三元聚合物。

材料部分：本研究以丙烯酰胺（精制级）和2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸（纯度大于98%）作为主要的骨架单体和耐盐单体。为了促进界面相互作用，还加入了对苯乙烯磺酸钠作为刚性芳香族单体。过硫酸钾和亚硫酸钠则构成了氧化还原引发体系。氢氧化钠（20%重量百分比的水溶液）则用作pH调节剂。此外，还使用了钠……

结构表征部分：所合成的PAAS三元聚合物的分子结构是通过FT-IR光谱和1H NMR光谱来表征的。如图2a和c所示，特征吸收带和质子共振信号证实了PAAS骨架的形成以及对苯乙烯磺酸钠单元的成功引入。在1H NMR光谱中，对位取代的对苯乙烯磺酸钠基团的芳香族共振信号被分别识别：位于约δ=7.12 ppm处的信号对应于H2/H6原子……

结论部分：本研究合成了一种芳香族功能化三元聚合物PAAS，并在其作为表面活性剂-聚合物驱替体系的一部分，用于高温高盐条件下的重油采收研究。主要结论如下：(1) 相较于参考聚合物，PAAS系列具有更好的耐盐性以及随温度变化的流变性能。在所有合成的PAAS样品中，PAAS-2在测试条件下展现出最佳的流变性能。因为……