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  石油是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱。但我國原油對(duì)外依存度達(dá)到70%，遠(yuǎn)超50%的國際能源安全警戒線。我國東部老油田大多進(jìn)入開采中后期，經(jīng)過二次采油和三次采油的長期開發(fā)后，原油采收率大幅降低，再加之高溫高鹽等苛刻油藏條件，使得地下雖含有高達(dá)60-70%的原油，卻只能望油興嘆，難于有效開采出來。聚合物驅(qū)后油田大幅度提高采收率是一個(gè)世界級(jí)的難題，尤其面臨當(dāng)前復(fù)雜多變的國際形勢(shì)，能否創(chuàng)造出一種全新的驅(qū)油劑，有效開采出老油田大量的剩余油，成為保障我國能源安全的一個(gè)迫切任務(wù)。

  在國家油氣田科技重大專項(xiàng)三個(gè)“五年計(jì)劃”的持續(xù)支持下，針對(duì)聚合物驅(qū)后油藏和高溫高鹽油藏提高原油采收率的難題，四川大學(xué)黃光速教授團(tuán)隊(duì)和勝利油田產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，原創(chuàng)性地提出了部分支化部分交聯(lián)的粘彈性顆粒驅(qū)油劑（PPG）分子設(shè)計(jì)。深入系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能研究揭示，該分子結(jié)構(gòu)將支化和交聯(lián)結(jié)構(gòu)在粘彈性顆粒驅(qū)油劑分子中結(jié)合為一體：其線型支化部分溶于水，增大了流體力學(xué)體積，可提供優(yōu)異的懸浮性能和運(yùn)移能力；交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)吸水膨脹形成強(qiáng)且耐溫抗鹽的水凝膠骨架；通過支化鏈內(nèi)增塑交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，顯著提高了PPG的吸水能力、抗剪切和變形-恢復(fù)能力。這種創(chuàng)新的分子結(jié)構(gòu)使得粘彈性顆粒驅(qū)油劑既克服了線性聚合物及其改性物封堵能力弱，耐溫抗鹽性差的缺點(diǎn)，又克服了全交聯(lián)聚合物彈性過高，無法在地下運(yùn)移的不足。有趣的是，該分子設(shè)計(jì)通過分子內(nèi)支化交聯(lián)并存的協(xié)同作用，將彈性驅(qū)油機(jī)制引入傳統(tǒng)的粘性驅(qū)油機(jī)理中，使得PPG在聚驅(qū)后油藏中顯示出特別優(yōu)異的提高原油采收率的效果。相關(guān)技術(shù)申請(qǐng)發(fā)明專利17項(xiàng)，已獲準(zhǔn)授權(quán)中國發(fā)明專利10項(xiàng)和美國發(fā)明專利1項(xiàng)，獲得的新原理和結(jié)構(gòu)性能研究成果發(fā)表了SCI論文15篇。

圖1  PPG分子結(jié)構(gòu)示意圖

  顯然，如何實(shí)現(xiàn)該原創(chuàng)性的聚合物分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并開發(fā)出生產(chǎn)成本低，易于實(shí)施的綠色工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，是極具挑戰(zhàn)性的難題。對(duì)此，黃光速教授團(tuán)隊(duì)首先創(chuàng)新研發(fā)出多官能助引發(fā)-交聯(lián)劑一體化的技術(shù)：采用兼具助引發(fā)作用和能夠提供多官能交聯(lián)作用的前體，使聚合反應(yīng)中部分活性鏈端基分別歧化終止形成支化結(jié)構(gòu)和發(fā)生雙基偶合終止形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。為了更靈活地調(diào)控部分支化/交聯(lián)的分子結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)通過自創(chuàng)的方法學(xué)，成功研制出官能團(tuán)數(shù)目各異，分子量及分子形狀不同的多個(gè)系列的多官能團(tuán)助引發(fā)-交聯(lián)劑，為實(shí)現(xiàn)PPG結(jié)構(gòu)性能調(diào)節(jié)提供了基礎(chǔ)。中國工程院院士羅平亞評(píng)價(jià)其“創(chuàng)新性的合成制備出一種部分交聯(lián)并含有大量支鏈的粘彈性顆粒驅(qū)油劑，具有突出的新穎性和獨(dú)特的創(chuàng)造性�！�

圖2 生產(chǎn)裝置和產(chǎn)品

  助引發(fā)-交聯(lián)劑一體化技術(shù)的發(fā)明使得采用傳統(tǒng)水溶液聚合，而不是相對(duì)昂貴和復(fù)雜的活性自由基聚合等實(shí)現(xiàn)部分支化部分交聯(lián)結(jié)構(gòu)的聚丙烯酰胺水凝膠的分子設(shè)計(jì)成為可能。但是如何穩(wěn)定有效調(diào)節(jié)和控制分子結(jié)構(gòu)中支化和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的比率成為又一個(gè)技術(shù)難題。通過系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在加入多官能助引發(fā)-交聯(lián)劑的反應(yīng)體系中，分子結(jié)構(gòu)總體上受到活性分子鏈擴(kuò)散的控制。如若采用動(dòng)力學(xué)方法調(diào)控反應(yīng)體系粘度升高的快慢，則可以通過調(diào)整分子鏈擴(kuò)散速度，有效控制其歧化/偶合終止的比率。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)了多種動(dòng)力學(xué)因素對(duì)該反應(yīng)體系粘度增長速度的關(guān)系，總結(jié)提出了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，成功實(shí)現(xiàn)了PPG支化/交聯(lián)比率的有效控制。進(jìn)一步地，創(chuàng)新采用體系反應(yīng)溫升曲線，產(chǎn)物粘彈性敏感參數(shù)等快速測(cè)定結(jié)果等效不同絕熱界面的合成反應(yīng)設(shè)備，指導(dǎo)不同噸位擴(kuò)試試驗(yàn)的配方和工藝技術(shù)調(diào)整，該團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了PPG的規(guī)�；I(yè)生產(chǎn)。對(duì)大規(guī)模工業(yè)化產(chǎn)品的嚴(yán)格質(zhì)量檢測(cè)表明：由該發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)工藝的確可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)并有效控制聚合物支化/交聯(lián)的比率。由此從原創(chuàng)性分子設(shè)計(jì)做到了完整的交鑰匙工程。中國科學(xué)院院士謝在庫認(rèn)為:整個(gè)工業(yè)化制備過程“合成工藝簡單，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率高，符合綠色化學(xué)的原子經(jīng)濟(jì)性，是突破性的進(jìn)步”。

  通過固體核磁，二維紅外，光散射等先進(jìn)的現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，黃教授團(tuán)隊(duì)證實(shí)了PPG的分子結(jié)構(gòu)，總結(jié)提出了在加入多官能助引發(fā)劑的體系中，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素和產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，粘彈性能與應(yīng)用性能關(guān)系。

圖3 采用光散射研究PPG的結(jié)構(gòu)。a.MC-PPG凝膠松弛時(shí)間譜；b.全交聯(lián)聚合物凝膠松弛時(shí)間譜；c.B-PPG凝膠網(wǎng)絡(luò)均勻性；d.全交聯(lián)聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò)非均勻性

圖4 PPG力學(xué)性能（a）水凝膠本體拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（b）水凝膠本體強(qiáng)度和韌性圖；（c）代表性水凝膠本體表現(xiàn)出優(yōu)良的抗缺陷能力；（d）代表性水凝膠本體具有優(yōu)異的壓縮抗疲勞性和恢復(fù)性能力

  在勝利油田的支持下，該團(tuán)隊(duì)也提出了全新的PPG驅(qū)油機(jī)理。在模擬多孔巖芯的滲流試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)PPG在多孔介質(zhì)中可以變形通過孔喉，并沿著流動(dòng)方向運(yùn)移，在多孔介質(zhì)孔隙中反復(fù)經(jīng)歷動(dòng)態(tài)的 “顆粒積累—顆粒壓縮—顆粒變形通過”的邊調(diào)邊驅(qū)的演變過程；并具有選擇性封堵大孔喉的能力，在高低滲流管并聯(lián)模型中表現(xiàn)出明顯的“液流轉(zhuǎn)向”特點(diǎn)，表明PPG具有高效的剖面調(diào)整能力，可大大提高低滲帶的波及體積，使低滲帶的油藏得到最大程度的開發(fā)。中國科學(xué)院郭尚平院士認(rèn)為：由彈性驅(qū)油機(jī)制的引入創(chuàng)造的這種非連續(xù)非均相驅(qū)油機(jī)理，是對(duì)粘性驅(qū)油機(jī)理的重要補(bǔ)充，也是PPG提高采收率的根本原因。

圖5 a.雙管并聯(lián)滲流試驗(yàn)裝置；b.雙管并聯(lián)采出液的分流曲線；c.液流轉(zhuǎn)向示意圖

  勝利油田以PPG為主劑發(fā)明了著名的非均相復(fù)合驅(qū)技術(shù)。自2010年起在勝利油田聚驅(qū)后油藏和高溫高鹽油藏等多個(gè)區(qū)塊先后進(jìn)行了先導(dǎo)試驗(yàn)和工業(yè)推廣應(yīng)用。最早實(shí)施的先導(dǎo)試驗(yàn)在勝利油田孤島中一區(qū)Ng3單元開展，采用非均相復(fù)合驅(qū)技術(shù)使采收率高達(dá)63.6%，突破了同類聚驅(qū)后油藏采收率的極限。繼后該技術(shù)在勝利孤島油田、孤東油田、勝坨油田等多個(gè)區(qū)塊實(shí)施應(yīng)用，迄今已動(dòng)用了2276 噸地質(zhì)儲(chǔ)量，現(xiàn)場均取得了突出的降水增油效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益（相關(guān)成果已在人民日?qǐng)?bào)有價(jià)值新聞中報(bào)道），因此被列入中國石化示范工程項(xiàng)目，即將大規(guī)模推廣應(yīng)用。至此，聚驅(qū)后油田如何大幅度提高采收率這一世界性難題終于得以破解。值得指出的是：勝利油田有5.74億噸儲(chǔ)量的聚驅(qū)后油藏，全國有15億噸聚驅(qū)后油藏，可預(yù)見PPG對(duì)保障國家能源安全將作出重大貢獻(xiàn)。對(duì)此，中國工程院院士李陽表示，非均相復(fù)合驅(qū)技術(shù)具有較高的技術(shù)水平和應(yīng)用價(jià)值，引領(lǐng)了（聚合物驅(qū)后油田）大幅度提高采收率技術(shù)方向，推廣應(yīng)用前景廣闊。

四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院黃光速教授團(tuán)隊(duì)簡介

  四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院黃光速教授團(tuán)隊(duì)由黃光速教授、吳錦榮教授、鄭靜副教授和陳衛(wèi)高級(jí)工程師等組成，團(tuán)隊(duì)主要研究方向是軟物質(zhì)材料（橡膠和水凝膠）的高性能化、功能化及其相關(guān)基礎(chǔ)理論問題，團(tuán)隊(duì)近年主持了多項(xiàng)國家科技重大專項(xiàng)子課題、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)等，在Adv Mater, PNAS, Angew Chem, Macromolecules, J Mater Chem A, ACS Appl Mater Interfaces等期刊上發(fā)表SCI論文130余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利20余項(xiàng)。

團(tuán)隊(duì)聯(lián)系信息：

Tel:028-85463433，

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