《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Evaluation of Loading-Sustained Release Performance and Plugging Effect of Thermo-Salt Dual-Responsive Microgels
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高温高盐油藏水驱开发效果差的问题，本研究提出温度和盐度响应的微凝胶-硅酸盐复合体系（TSMG-SS-C），通过吸附调控硅酸盐离子释放速率，实现深部调剖与驱油协同增效，并验证其在高渗岩心中的应用潜力。
Kun Xie|Jiawei He|Qian Cheng|Weijia Cao|Erlong Yang|Cheng Su|Bin Huang|Ting Liang|Kun Yan|Jinxiang Liu|Li Xiao
东北石油大学大陆页岩油国家重点实验室，大庆163318，中国
摘要
本研究针对高温高盐度水库中水驱效果不佳的问题进行了探讨。硅酸盐凝胶具有优异的热稳定性和盐度稳定性，以及良好的封堵效果。然而，其快速的凝胶化反应速率和难以精确控制凝胶化时间的问题常常导致井筒堵塞和水库损伤，使得深部流体转向变得困难。本文介绍了一种温度和盐度响应型微凝胶（TSMG-SS-C）系统，该系统结合了温度敏感微凝胶（TSMG）的温度敏感相变特性与能够与地层中的Ca2+和Mg2+反应的硅酸钠溶液。该系统有效控制了SiO32-与Ca2+/Mg2+之间的反应速率，从而实现了硅酸盐凝胶和有机凝胶颗粒的协同深部剖面控制和驱替效果。通过吸附实验确定了TSMG对硅酸钠吸附的主要控制因素，并利用硅钼蓝法研究了TSMG-SS-C在不同温度条件下的硅酸盐离子释放过程。通过结合吸附和缓释数学模型，阐明了TSMG对硅酸盐离子的吸附机制及其在TSMG-SS-C中的释放行为。此外，分子模拟研究了PNIPAM与水中的硅酸盐离子在不同温度下的相互作用，揭示了TSMG和SiO32-在临界溶解温度（LCST）以上和以下的吸附及缓释机制。物理模拟驱替实验表明，随着释放时间和系统浓度的增加，TSMG-SS-C在岩心内生成了更多的温度-盐度产物，导致后续水驱阶段的残余阻力增大，岩心堵塞率提高。该系统在高温高盐度水库的深部剖面控制技术应用中具有巨大潜力。
引言
随着传统油藏的持续开发，可回收资源日益有限。为了确保油田的持续稳定生产并满足不断增长的能源需求，人们逐渐将注意力转向高温高盐度水库[1]、[2]、[3]、[4]。长期注水后，水库的异质性加剧，层内和层间的矛盾更加明显，形成了优先流动通道，使注入水沿这些通道快速移动。结果，中低渗透层的扫流效率降低，导致水循环效率低下甚至无效[5]、[6]、[7]。水封和剖面控制技术是提高水驱效果的重要方法，但在高温高盐度水库中的有效应用仍需进一步突破[8]、[9]、[10]。
传统的封堵剂包括聚合物凝胶、预交联颗粒和硅酸盐凝胶[11]、[12]、[13]、[14]。聚合物凝胶在高温高盐度条件下容易降解，导致粘度显著下降，封堵性能降低。此外，聚合物凝胶容易在井筒附近积聚，严重影响油田生产效率[15]、[16]、[17]。预交联颗粒通过引入功能性单体来提高其温度和盐度稳定性[18]，但这些颗粒存在颗粒较大、稳定性差的问题，与水库孔隙的相容性较差，限制了其在水库内的移动性。与有机凝胶相比，硅酸盐凝胶具有更好的稳定性、更强的温度和盐度抗性、更低的成本以及更环保的优点。在水库环境中，硅酸盐凝胶通过与地层中的钙或镁离子反应沉淀，有效堵塞大孔道，显著减少产水量。这一技术已在塔里木油田的剖面控制作业中得到成功应用[19]、[20]。然而，硅酸盐凝胶的凝胶化速率快，凝胶化时间难以精确控制，可能导致井筒堵塞和水库损伤，使得深部流体转向变得困难[21]、[22]。为了控制硅酸盐封堵剂的凝胶化时间，通常采用引入化学剂（弱螯合剂、缓凝剂）、低盐度预冲洗、梯度浓度注入或交替注入等方法。然而，这些方法无法有效调节SiO32-与Ca2+/Mg2+之间的反应速率[23]、[24]、[25]、[26]。
近年来，微胶囊缓释技术在制药、食品和油气开发等领域受到广泛关注，因为它能够精确控制和高效利用活性物质[27]、[28]、[29]。微胶囊缓释技术利用聚合物材料作为外壳封装活性物质（无论是固体还是液体），从而实现对释放时间和释放模式的精确控制，实现靶向递送[30]、[31]。本研究利用TSMG的温度敏感相变特性加载硅酸钠溶液，使TSMG-SS-C系统在水库条件下发生相变收缩。在迁移过程中，SiO32-的浓度得到调节，形成的无机凝胶吸附在岩层骨架表面，形成无机-有机复合剖面控制系统，缩小了地层中的流动通道，增加了渗流阻力。这实现了改变流体流动方向和扩大扫流体积的目标。
在作者之前的工作中，优化了TSMG-SS-C的合成条件，并对其温度和盐度响应机制进行了表征和阐明[32]、[33]。为了验证TSMG-SS-C系统在深部水库剖面控制中的可行性，本研究首先研究了各种因素对TSMG吸附性能的影响，并确定了控制吸附的关键因素。然后探讨了TSMG-SS-C在不同温度条件下硅酸盐离子的缓释过程。通过结合吸附-缓释数学模型，阐明了TSMG对硅酸盐离子的吸附机制及其在TSMG-SS-C中的释放模式。分子模拟研究了TSMG和SiO32-在临界溶解温度以上和以下的吸附及缓释机制。最后，通过岩心驱替实验研究了释放时间和浓度对TSMG-SS-C封堵性能的影响，为其在高温高盐度油藏中的实际应用提供了理论支持和数据参考。
材料
N-异丙基丙烯酰胺（NIPAM≥99%）、丙烯酸（AA≥99%）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA≥98%）、液体石蜡、壳聚糖和硅酸钠购自上海麦克林生化科技有限公司。Span 80、Tween 80、无水乙醇、乙酸和氢氧化钠购自辽宁全瑞试剂有限公司。过硫酸钾（KPS）购自沈阳华东试剂厂。
所用水为模拟油田注水用水。
不同因素对TSMG吸附能力的影响
(1) 吸附时间
图4a显示，随着吸附时间的增加，TSMG对硅酸盐离子的吸附速率最初迅速上升，随后趋于平稳。在初始阶段，TSMG内外硅酸盐离子的浓度差异显著，离子迅速进入内部，导致吸附速率快速增加。10小时后，系统内外的浓度逐渐趋于平衡，吸附速率趋于平稳。
结论
本研究验证了TSMG-SS-C系统在深部剖面控制中的可行性。该系统以壳聚糖作为外壳材料，以负载硅酸钠的NIPAM温度敏感微凝胶作为核心材料。在高温高盐度水库环境中，它通过温度-盐度响应有效调节SiO32-与Ca2+和Mg2+之间的反应速率，实现地层封堵并扩大水驱扫流体积。主要研究结果如下
资助
本研究得到了国家自然科学基金青年基金项目（52204037）和黑龙江省重点研发计划（创新基地项目）（JD24A008）的支持。
作者贡献声明
Ting Liang：研究、数据分析。Kun Yan：监督、研究。Cheng Su：研究、数据管理。Bin Huang：研究、资金筹集。Kun Xie：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理。Jiawei He：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。Jinxiang Liu：项目管理、研究。Chen Yao：研究、监督。Li Xiao：研究、概念构思。Erlong Yang：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢大陆页岩油绿色开发国家重点实验室和教育部提高油气回收关键实验室对我们实验研究的支持。
