Den nåværende internasjonale geopolitiske og økonomiske situasjonen endrer seg raskt, og Kinas avhengighet av utenlandsk olje og gass er fortsatt høy. I 2023 nådde avhengigheten av utenlandsk råolje 71,2 %, og avhengigheten av utenlandsk naturgass nådde 40,14 %, noe som alvorlig truet nasjonal energisikkerhet og til og med nasjonal sikkerhet. Omtrent halvparten av Kinas olje- og gassproduksjon kommer fra gamle oljefelt. Med begrensede påviste reserver har utnyttelsespotensialet innenfor disse gamle oljefeltene blitt den mest praktiske og raske måten å øke produksjonen på.
For tiden er utvinningsgraden for innenlandske modne oljefelt generelt lav. For eksempel er utvinningsgraden til Daqing Oilfield og Yumen Oilfield begge under 50 %, mens noen modne oljefelt i utlandet har en utvinningsgrad på rundt 70 %. Det er et betydelig potensial for ytterligere å utnytte innenlandske modne oljefelt, med formasjoner med høy-temperatur og høy-saltholdighet som utgjør 10 %. Etter hvert som utviklingen skrider frem, vil denne andelen gradvis øke. Derfor har effektive og integrerte teknologier for å forbedre utvinningsgraden blitt hovedretningen for teknologisk innovasjon og et sentralt fokusområde.
For å løse problemer som høyt vanninnhold og reservoarheterogenitet i modne oljefelt, har forskere både nasjonalt og internasjonalt utviklet nesten hundre typer profilkontrollmidler i åtte kategorier. Disse inkluderer hovedsakelig utfellings-type uorganiske saltprofilkontrollmidler, partikkelprofilkontrollmidler, skumprofilkontrollmidler, fuktbarhets-forandrende profilkontrollmidler, harpiksprofilkontrollmidler, mikrobielle profilkontrollmidler, sementprofilkontrollmidler og polymergelprofilkontrollmidler. Polymergelprofilkontrollmidler kan kontrollere geleringstid og gelstyrke samtidig som de har relativt lave kostnader, noe som gjør dem til den mest brukte og lovende profilkontroll- og vannblokkeringsteknologien i dag. Når polymergelprofilkontrollmidler kommer inn i reservoaret, trenger de fortrinnsvis gjennom soner med høy-permeabilitet, der løsningen forvandles til polymergel med høy-viskositet som blokkerer store porer og områder med høy-permeabilitet, reduserer reservoarheterogeniteten og utvider det sveipevolumet.
Med den kontinuerlige utviklingen av petroleumsindustrien øker kompleksiteten til formasjoner, og kravene til profilkontroll og vann{0}}blokkeringsteknologi blir høyere. De eksisterende fenol-formaldehydharpiks- og krom-baserte crosslinker-polymergelsystemene er i økende grad ute av stand til å møte behovene til formasjoner med høy-temperatur og høy-saltholdighet. Når formasjonstemperaturene stiger, forkortes geleringstiden til polymergelsystemer, noe som resulterer i manglende evne til polymergelene til å penetrere dype formasjoner og reduserer vann-kontrolleffektiviteten betydelig. Når formasjonstemperaturene er for høye, brytes de kjemiske bindingene mellom polymermolekyler og tverrbindere lett, noe som fører til svekket gelstyrke og manglende blokkering av soner med høy-permeabilitet. Denne artikkelen, gjennom undersøkelser av en stor mengde nasjonal og internasjonal litteratur, oppsummerer systematisk laboratorieforskningen og anvendelsesfremgangen til polymergelsystemer for høy-temperatur, høy-salinitet og komplekse formasjoner.
1 modifisert polyakrylamidgelsystem
På grunn av de stadig mer komplekse formasjonsmiljøene, spesielt i formasjoner med høy-temperatur og høy-saltholdighet (temperatur > 90 grader, saltholdighet > 50 000 mg/L), brytes konvensjonelle polymergeler, som polyakrylamid (PAM) gelsystemer og xantangummi, ofte raskt ned eller bryter emulsjoner.
Forskere i inn- og utland har forbedret temperatur- og saltmotstanden til polyakrylamidpolymerer ved å introdusere monomerer som 2-akrylamido-2-metylpropansulfonsyre (AMPS), vinylsulfonsyre, styrensulfonat, vinylpyrrolidon, vinylalkohol, dimetylsiloksan, og metyl-metakrylatfunksjons- og saltholdige temperaturgrupper. polyakrylamidpolymermolekyler gjennom podekopolymerisering.
Dong Shuyang og andre brukte polyvinylalkohol (PVA), en tverrbinder, akrylamid og AMPS som råmaterialer for å lage et tre-dimensjonalt nettverk-modifisert polyakrylamidpolymer, og konstruerte et kontrollsystem for gelpolymerprofiler ved bruk av formasjonslake fra Tahe Oilfield (Tarim-bassenget, Nordvest-Kina) som løsningsmiddel. Innenfor et visst område, øker AMPS-innholdet tilfører sulfonsyregrupper til AMPS-molekylkjeden, og genererer elektrostatisk frastøtning. Imidlertid, fordi sulfonsyregruppene også skaper sterisk hindring, hindrer de friradikalpolymerisasjonsreaksjonen mellom monomerer, og påvirker styrken til den modifiserte polyakrylamidgelen. Når AMPS-innholdet når 5 %, oppnår den modifiserte polyakrylamidgelen maksimal gelstyrke, som kan nå Grad I under høy temperatur (130 grader) og høy saltholdighet (2,1×10⁵ mg/L).
For å forbedre stabiliteten til AM/AMPS-gelsystemet, la Liao Yuemin og andre hydrofile PA-fiberstabilisatorer til AM/AMPS-polymergelsystemet, og forbedret tettheten til gelnettverksstrukturen. Dette økte igjen vannretensjonskapasiteten til polymergelen og forlenget stabilitetstiden under høye-temperaturforhold. Under forhold på 140 grader og en saltholdighet på 22×10⁴ mg/L, overskred geleringstiden for dette modifiserte polyakrylamidgelsystemet 15 timer, 120-dagers dehydreringshastigheten var under 2 %, gelstyrken holdt seg på grad G, vannblokkeringshastigheten nådde over 99,06 %, og oljeblokkeringshastigheten var mindre enn 06 %. viser utmerket potensial for feltapplikasjoner.
For å forsinke geleringstiden til AM/AMPS-gelsystemet, introduserte Pu Wanfen og andre N-vinylpyrrolidon (NVP) og den hydrofobe monomeren DHT (som inneholder en benzenring og langkjedede hydrofobe grupper). Pyrrolidonringen, benzenringen og de langkjedede hydrofobe gruppene kan øke den steriske hindringen av polymermolekylkjedene betydelig, og dermed forsinke geldannelse. Under forhold på 120 grader og en saltholdighet på 36,5×10⁴ mg/L, kan utvidelsen forsinkes med 3 dager.
2 Silica Polymer Gel System
For å forbedre temperaturen og saltmotstanden til polymergelsystemer ytterligere, har noen forskere foreslått å introdusere nano-uorganiske partikler, som nano-silika, i polymergelsystemer. Liu et al. utarbeidet et forbedret polymergelsystem ved bruk av delvis hydrolysert polyakrylamid (HPAM), hydrokinon (HQ), heksametylentetramin (HMTA) og nano-silika som råmateriale. Studien deres fant at tilsetning av nano-silika kan redusere geleringstiden betydelig og forbedre gelstyrken, elastisiteten og viskositeten. Ved å tilsette nano-silica til systemet, økte den maksimale temperaturtoleransen til gelsystemet fra 137,8 grader til 155,5 grader. Silanolgruppene på nano-silikamolekylene danner hydrogenbindinger med amino-, hydroksyl- og andre polare grupper på polymermolekylene, krysser fysisk- med polymermolekylene, øker den hydrodynamiske radiusen til polymerkjedene og forbedrer systemets evne til å omdanne fritt vann til bundet vann.
Som et resultat blir den tre-dimensjonale nettverksstrukturen til polymermolekylene strammere og mer stabil, porestørrelsen reduseres, kolloidstyrken øker og temperaturmotstanden forbedres. Imidlertid, hvis konsentrasjonen av nano-silikapartikler er for høy, kan silikamolekylene gjennomgå overdreven kryss-binding eller selv-aggregering, noe som kan svekke gelstyrken til polymergelsystemet eller til og med forhindre geldannelse. I tillegg forkortes geleringstiden med økende nano-silikakonsentrasjon, noe som fører til kortere polymerstrømningsveier, mindre dekning og betydelig redusert tetteeffektivitet. Fadil et al. konstruerte et HPAM/Cr³⁺ nano-tilstoppingssystem for silikagel ved bruk av HPAM, kromacetat og nano-silikapartikler. I dette systemet ble geleringstiden redusert med økende temperatur og konsentrasjon av nano-silikapartikler. Når nano-silikamassefraksjonen var 3 %, var geleringstiden 9 timer og kolloidstyrken var på grad H, men etter 25 timer falt kolloidstyrken fra grad H til grad G. Derfor, når man bruker nano-silika som temperatur-stabiliserende middel i polymergelsystemer, bør det tilsettes i passende mengder.
3 Slow Cross-linked Polymer Gel Systems
3.1 metallkrom-baserte sakte kryss-koblede polymergelsystemer
Metallkrom-baserte tverrbindere er en av de mest brukte gel-blokkerende tverrbinderne. Blant dem er tverrbindingsreaksjonshastigheten mellom Cr3-tverrbindere og HPAM høy og vanskelig å kontrollere. For å løse de ovennevnte problemene har forskere i inn- og utland i hovedsak foreslått to løsninger.
3.1.1 Bruke et Redox-system
Cr⁶ er inert i kryss-reaksjoner med HPAM. Ved å tilsette et reduksjonsmiddel reduseres Cr⁶ til Cr3, og ved å justere mengden reduksjonsmiddel kan geleringstiden kontrolleres. For tiden har natriumsulfitt og tiourea vist seg å være svært effektive som reduksjonsmidler. Dai Caili og andre konstruerte et sakte -kryssbindende kromgelsystem ved bruk av HPAM, natriumdikromat og det organiske reduksjonsmidlet tiourea. Fordi tiourea har svak reduserende evne, når geleringstiden 8–10 dager. Innenfor et visst konsentrasjonsområde, ettersom massefraksjonene av kryss-linkeren og tiourea reduseres, forlenges geleringstiden til kromgelsystemet, og styrken øker. Overskudd av tiourea akselererer reduksjonen av Cr⁶ til Cr³, og fremskynder krysskoblingen av HPAM til en nettverksstruktur, og forkorter derved geleringstiden. Overflødig -krysslinker fører til over-kryssbinding, forårsaker lokalisert dehydrering og sammentrekning i det tverrlinkede systemet, forstyrrer kontinuiteten til gelnettverket og reduserer styrken. Liu Wenjing og andre utviklet et sakte -kryssbindende gelsystem ved bruk av HPAM, kryss-kaliumdikromatet, reduksjonsmidlet natriumsulfitt og det svake reduksjonsmidlet sulfid (HN). Etter tilsetning av HN utvidet geleringstiden seg fra 5 timer til 17 timer. Systemet viser utmerket temperatur- og saltmotstand, god termisk stabilitet og er egnet for vann-blokkering og profilkontroll i oljereservoarer med mineralisering under 50 g/L og temperaturer på 50–90 grader.
3.1.2 Introduksjon av kompleksdannende midler
Chelaterende midler introduseres for å konkurrere med HPAM om kromionekoordinering og -utveksling for å kontrollere geleringstiden. Organiske syrer med karboksylgrupper og lav relativ molekylvekt brukes ofte som chelateringsmidler, slik som eddiksyre, propionsyre, malonsyre, melkesyre og salisylsyre. Albonio og Bartosek brukte chelateringsmidler som glykolsyre, salisylsyre, malonsyre og eddiksyre, og fant at glykolsyre, salisylsyre og malonsyre har en bedre evne til å forsinke geldannelse i gelsystemet enn eddiksyre, med geleringstiden som er 12–33 ganger lengre enn for eddiksyresystemet. Gao Zhiyong og andre syntetiserte sakte-gelerende tverrbindere ved bruk av høy-valente metallioner og organiske syrer, og oppnådde geleringstider som kan justeres mellom 1–15 dager.
3.2 PEI sakte kryssbundet polymergelsystem
Temperaturmotstanden til metallkrom-baserte sakte-kryssbindende polymergeleringssystemer overstiger ikke 90 grader. I høye-temperaturer og høye-mineraliseringsformasjoner blir geleringstiden forkortet eller kryss-kan ikke forekomme, noe som resulterer i at gelsystemet ikke kan trenge dypt inn i formasjonen. Polyetylenimin (forkortet PEI) er en miljøvennlig polymer med lav-toksisitet. Dens molekylære struktur inneholder et stort antall primære, sekundære og tertiære amingrupper, som har ekstremt høy kjemisk reaktivitet, noe som gjør den til den kationiske organiske polymeren med den høyeste kjente ladningstettheten.
På grunn av dens spesielle molekylære struktur, bruker noen forskere PEI som et tverrbindingsmiddel for HPAM og dets derivater i profilkontroll og vannavstengningsapplikasjoner i oljebrønner. PEI kryssbinder med amidgruppene til HPAM gjennom nukleofile substitusjonsreaksjoner, og danner et profilkontrollgelsystem som vanligvis brukes i middels- til lav-temperatur (40–80 grader) formasjoner. Jia Hu og andre analyserte systematisk geleringsmekanismen til PAM/PEI-gelsystemet under middels- til lav-temperaturforhold (40–60 grader) og dens tetteeffekt på kjerneporøsiteten. Geleringstiden kan kontrolleres mellom 15 timer og 9 dager, betydelig lengre enn for konvensjonelle metalliongelsystemer.
Imidlertid er tverrbindingsprosessen til PEI med PAM ganske følsom for temperatur; jo høyere temperatur, jo kortere tverrbindingstid. For tiden inkluderer metoder for å forsinke geldannelse i høye-temperaturformasjoner hovedsakelig justering av pH i systemet, innføring av metallioner og inkorporering av store side-kjedegrupper.
3.2.1 Justering av pH for å forsinke gelering
Polyethyleneimine (PEI) molecules contain a large number of positively charged imine groups, making them inherently basic substances. Zou Zhou's research found that under acidic conditions, the presence of H+ leads to the protonation of the positively charged PEI molecules, preventing the PAM/PEI gel system from gelling. Qin Yi and colleagues discovered that the gelling time of the PAM/PEI gel system is 15 minutes at 130°C under weakly alkaline conditions (pH=9), whereas under neutral conditions, the gelling time can be delayed up to 30 minutes. Mohammed and others systematically analyzed the effect of pH on the gelling of the HPAM/PEI gel system at 70–90°C by establishing a mathematical model. The results showed that the gel system gels fastest and most stably at pH=10.5; in strongly alkaline environments (pH>10,5), jo høyere pH, jo lengre geleringstid og lavere viskositet til gelsystemet, og det kan til og med mislykkes i å gelere.
3.2.2 Introdusere metallioner til langsom gelering
Fordi metallioner (Na, K, Ca²⁺, etc.) kan skjerme ladningene på PEI-molekyler, kan de redusere dens reaktivitet og fungere som retardere i tverrbinding. Metallsalter som NaCl og Na2CO3 har blitt brukt som retardere i feltet. Li Qiang og andre brukte cetyltrimetylammonium-modifisert SiO₂ som et forsterkende middel for å konstruere et nano SiO₂/polyakrylamid (HPAM)/polyetylenimin (PEI) gelsystem. Når NaCl-konsentrasjonen økte fra 0 mg/L til 1,0×10⁵ mg/L, ble geleringstiden forsinket fra 3 timer til 5 dager, men gelstyrken sank fra grad I til grad G.
3.2.3 Introdusere store side-kjedegrupper for å forsinke geldannelse
Store sidekjedegrupper (som sulfonatgrupper) kan øke den steriske hindring av polymermolekylkjeder, som både kan forbedre polymerens salt- og temperaturbestandighet og forsinke geleringstiden. Lü Junxian og andre brukte akrylamid og 2-akrylamido-2-metylpropansulfonsyre som monomerer, azodiisobutyramidinhydroklorid som initiator, og polyetylenimin og N,N'-metylenbisakrylamid som tverrbindere. Ved å kombinere friradikalpolymerisasjon med polymertverrbinding utviklet de et høytemperaturforsinket tverrbindende polymerpluggingsmiddel, PM-1, som har fordeler som høy gelstyrke og kontrollerbar geleringstid ved høye temperaturer. I PM-1 pluggemiddelsystemet kan et økt innhold av sulfonsyregrupper forbedre den termiske motstanden til gelsystemet og forsinke geleringstiden.
Selv om PEI har svært lav toksisitet, produserer synteseprosessen en stor mengde forurensning. Den for tiden vanlige syntesemetoden bruker etanolamin som utgangsmateriale, hvor mellomproduktet er det svært giftige aziridin, og produksjonsprosessen genererer en stor mengde surt og alkalisk avløpsvann, som forårsaker betydelig miljøskade. Det tyske selskapet BASF utviklet en metode for å fremstille PEI gjennom polykondensering av etanolamin eller etylenglykol med etylendiamin, som ikke produserer aziridin som et mellomprodukt. Imidlertid krever denne reaksjonen en overgangsmetallkatalysator, noe som øker kostnadene betydelig, og denne metoden kan ikke kontrollere molekylstrukturen til PEI, noe som fører til usikkerhet og muligens mislykkes i å oppnå målproduktet.
4 bio-basert tone-forseglingsgelsystem
Å erstatte tradisjonelle oljefeltkjemikalier med miljøvennlige oljefeltkjemikalier har blitt en av trendene for fremtidig utvikling. Kitosan (CS) er den nest vanligste naturlige polymeren, fremstilt ved deacetylering av kitin. Det er et lineært polysakkarid med det kjemiske navnet P-(1,4)-2-amino-2-deoksy-D-glukose og molekylformelen (C₆HnNO₄)ₙ. Fra molekylstrukturen til kitosan kan man se at kitosans molekylkjede inneholder et stort antall hydroksyl- og primære aminogrupper, som kan gjennomgå reaksjoner som alkylering og acylering. Zhao Shicheng og andre brukte #7 hvit olje som oljefase, akrylamid (AM) og AMPS som reaktive monomerer, og CS som et tverrbindingsmiddel for å fremstille CS/P(AM-AMPS) mikrosfærer ved omvendt mikroemulsjonsmetode, med en gjennomsnittlig partikkelstørrelse på ca. 100 nm og en temperaturtoleranse over 200 grader. Yang Yang og andre brukte CS, N,N'-metylenbisakrylamid (MBA) og delvis hydrolysert polyakrylamid (HPAM) som råmateriale for å fremstille et organisk tverrbundet kitosangel-pluggingsmiddel. Under forhold med 120 graders temperatur og 30 000 mg/L mineralisering var geleringstiden 16 timer og gelstyrken var 170 Pa. Innenfor et pH-område på 3,2–5,6, ettersom pH sank, ble tverrbindingsreaksjonen redusert, men gelstyrken ble redusert.
Chitosan har blitt et forskningsfokus på ulike felt på grunn av sin unike molekylære struktur. Imidlertid er kitin et stoff som er ekstremt vanskelig å løse opp, og deacetyleringsprosessen av kitin produserer en stor mengde alkalisk avløpsvann, så ytterligere prosessforbedringer er nødvendig for å redusere forurensning.
5 Konklusjon
For tiden er det nesten hundre typer blokkeringsmidler på markedet, men svært få er egnet for høy-temperatur og høy-mineraliseringsformasjoner. Polymergelblokkerende midler kan kontrollere geleringstiden og gelstyrken samtidig som de har relativt lave kostnader, og de har potensial for utvikling i høy-temperatur og høy-mineraliseringsformasjoner.
Det modifiserte polyakrylamidgelsystemet forbedrer temperatur- og saltmotstanden ved å introdusere hydrofobe og store sidekjede-stive grupper, og oppfyller dermed kravene til høy-temperatur og høy-mineraliseringsformasjoner.
Innføringen av nano-silikapartikler kan ytterligere forbedre temperaturen og saltmotstanden til polymergelsystemer. Men når konsentrasjonen av nano-silikapartikler er for høy, har de en tendens til å aggregere, noe som resulterer i en forkortet geleringstid og svekket gelstyrke.
Konvensjonelle fenol-formaldehyd- og krom-baserte tverrbindere er giftige, mens polyetylenimin-tverrbindere med høy-vekt- har svært lav toksisitet og utviser forsinket tverrbinding, noe som gjør dem lovende for bruk i høy{{4}{5}temperatur- og høy{5}formasjoner. Produksjonsprosessen deres er imidlertid kompleks, med etylenimin som et svært giftig mellomprodukt, og store mengder avløpsvann genereres under produksjonen. Derfor er det nødvendig med ytterligere optimalisering av synteseprosessen.
Utskifting av tradisjonelle oljefeltkjemikalier med miljøvennlige oljefeltkjemikalier har blitt en av de fremtidige utviklingstrendene. Kitosan er det nest største naturlige polymermaterialet og inneholder et stort antall hydroksyl- og primære aminogrupper, som kan gjennomgå reaksjoner som alkylering og acylering, noe som gjør det til en potensiell erstatning for tradisjonelle tverrbindingsmidler. Imidlertid genererer deacetyleringsprosessen av kitin en stor mengde alkalisk avløpsvann, så ytterligere prosessforbedringer er nødvendig for å redusere forurensning.
