中国石油大学堵水剂制备与性能评价

中国石油大学油田化学实验报告实验日期：成绩：班级：学号：姓名：教师：孙铭勤同组者：堵水剂的制备与性能评价一、实验目的1、学会冻胶型堵水剂的制备方法，并掌握堵水剂的形成机理及作用性质。2、了解影响堵水剂交联性能的因素。3、掌握测定堵水剂交联强度的方法。二、实验原理1、常用堵水剂堵水剂是指从油、水井注入地层，能减少地层产出水的物质。从油井注入地层的堵水剂称油井堵水剂（或简称堵水剂），从水井注入地层的堵水剂称为调剖剂。常用的堵水剂有冻胶型堵水剂、凝胶型堵水剂、沉淀型堵水剂和分散体型堵水剂，这些堵水剂的形成机理和使用性质各不相同。（1）冻胶型堵水剂冻胶（如铬冻胶）是由高分子（如HPAM）溶液转变而来，交联剂（如铬的多核羟桥络离子）可以使高分子间发生交联，形成网络结构，将液体（如水）包在其中，从而使高分子溶液失去流动性，即转变为冻胶。以亚硫酸钠和重铬酸钾作为交联剂为例：亚硫酸钠将重铬酸钠中的6Cr还原成3Cr，反应方程式如式下：OHSOCrHSOOCr224323272432833Cr的释放，并通过络合、水解、羟桥作用以及进一步水解羟桥作用形成3Cr的多核羟桥络离子，反应结构式如下所示：水合作用：36223])([6OHCrOHCr水解作用：HOHOHCrOHCr252362])([])([（2）凝胶型堵水剂凝胶是由溶胶转变而来。当溶胶由于种种原因(如电解质加入引起溶胶粒子部分失去稳定性而产生有限度聚结)形成网络结构，将液体包在其中，从而使整个体系失去流动性时，即转变为凝胶。油田堵水中常用的是硅酸凝胶。硅酸凝胶由硅酸溶胶转化而来，硅酸溶胶由水玻璃(又名硅酸钠，分子式Na2O·mSO2)与活化剂反应生成。活化剂是指可使水玻璃先变成溶胶而随后又变成凝胶的物质。盐酸是常用的活化剂，它与水玻璃的反应如下:Na2O·mSiO2+2HCl→H2O·mSiO2+2NaCl由于制备方法不同，可得两种硅酸溶胶，即酸性硅酸溶胶和碱性硅酸溶胶。这两种硅酸溶胶都可在一定的条件(如温度、pH值和硅酸含量)下，在一定时间内胶凝。评价硅酸凝胶堵水剂常用两个指标，即胶凝时间和凝胶强度。胶凝时间是指硅酸体系自生成至失去流动性的时间。凝胶强度是指凝胶单位表面积上所能承受的压力。（3）沉淀型堵水剂沉淀型堵水剂由两种可反应产生沉淀的物质组成。水玻璃-氯化钙是油田最常用的沉淀型堵水剂，它通过如下反应产生沉淀:Na2O·mSiO2+CaCl2→CaO2·mSiO2+2NaCl（4）悬浮体型堵水剂悬浮体是指溶解度极小但颗粒直径较大(大于10-5cm)的固体颗粒分散在溶液中所形成的粗分散体系。分散体系中的固体颗粒可以在多孔介质的喉道处产生堵塞作用。油田中常用的分散体型堵水剂是粘土悬浮体型堵水剂。粘土悬浮体中的粘土颗粒可用聚合物(如HPAM)絮凝产生颗粒更大、堵塞作用更好的絮凝体堵水剂。絮凝是聚合物(HPAM)在粘土颗粒间通过桥接吸附形成。2、影响堵水剂交联的因素（1）pH值pH值的降低或升高都可影响堵水剂体系的交联时间。以铬冻胶为例，pH值降低或升高，都可延迟铬冻胶的交联时间，但是酸性条件下形成的铬冻胶比碱性条件下形成的铬冻胶稳定（氢氧化锆在碱性条件下出现沉淀）。（2）温度温度会对堵水剂体系的交联时间产生较大的影响。一般情况下，随着温度的升高，堵水剂体系的交联时间会大大缩短。在低温下，堵水剂体系的交联较慢，甚至由于温度过低，堵水剂体系根本不会交联。但是高温会使堵水剂体系中的成胶液（聚丙烯酰胺溶液）热降解（聚丙烯酰胺的热降解温度为93℃），因此在使用时应限制一定的温度。（3）成胶液与交联液的配比成胶液（如聚丙烯酰胺溶液）与交联液的配比是影响堵水剂体系交联时间的重要因素之一。实验证明，交联液（如氢氧化锆溶液）在配比中的比例越小，堵水剂体系的交联时间就越长。（4）成胶液浓度目前油田常用的凝胶型或冻胶型堵剂体系的成胶液主要是部分水解聚丙烯酰胺溶液。随着成胶液浓度的增加，堵水剂体系的成胶时间会缩短，成胶强度会增加。（5）地层盐含量地层中的金属离子会对堵水剂体系的交联性能产生很大的影响。其改变交联性能的原因主要有两方面：其一是HPAM的盐敏效应，金属离子对扩散双电层的压缩作用，降低了聚合物分子间静电斥力，抑制了HPAM的分散，从而使得成胶时间缩短，交联强度增加；同时当金属离子浓度过大时，聚合物分子的过度蜷曲，影响了分子间的交联，使得交联体系的强度降低；其二地层中高价离子的存在（如2Ca的存在），与重金属交联剂离子（如3Cr）形成竞争交联，其可以与HPAM中的COO在一定程度发生反应，使得重金属交联剂离子与COO的交联受到排挤，最终导致体系强度下降，成胶时间缩短。二价金属离子比一价金属离子对扩散双电层的压缩作用要大得多，其对交联体系的影响更大。因此在高矿化度地层中，特别是含高价盐离子地层，实际作业时一般采用清水预冲洗地层的方式减轻地层高矿化度对堵水剂的影响。3、堵水剂强度测定方法针对凝胶型、冻胶型堵水剂体系，常用的测定其强度的方法有目测代码法、落球法、真空突破法及表观粘度法。（1）目测代码法强度等级强度划分标准A检测不出连续冻胶形成：成胶体系粘度与不加交联剂的相同浓度聚合物溶液的粘度相同，但体系中有时可能出现一些相互不连接的粘性很大的冻胶团块B高度流动冻胶：冻胶粘度比不加交联剂的相同浓度聚合物溶液的粘度稍有增加C流动冻胶：将试样瓶倒置时，大部分冻胶流至瓶盖D中等流动冻胶：将试样瓶垂直倒置时，只有少部分（10~15％）的冻胶不容易流至瓶盖（通常描述为舌长型冻胶）E难流动冻胶：将试样瓶垂直倒置时，冻胶很缓慢流至瓶盖或很大一部分（＞15%）不流至瓶盖F高度变形不流动冻胶：将试样瓶垂直倒置时，冻胶不能流至瓶盖G中等变形不流动冻胶：将试样瓶垂直倒置时，冻胶向下变形至约一半的位置处H轻微变形不流动冻胶：将试样瓶垂直倒置时，只有冻胶表面轻微发生变形I刚性冻胶：将试样瓶垂直倒置时，冻胶表面不发生变形（2）真空突破法真空突破法测量冻胶装置由带刻度的比色管、u型管、橡皮管、负压压力表、抽滤瓶及真空泵组成。实验操作方法与步骤：（1）将装有已成冻冻胶的比色管按顺序连接；（2）开动真空泵；（3）测定空气突破冻胶时真空表上真空度增至最大的读数，即突破真空度（BV）。使用前用水和甘油校正，水的BV值为-0.0007MPa，甘油的BV值为-0.018MPa。每个样品（或条件）均平行作3次测定，然后取其平均值（测定时大气压为0.1MPa）。BV值越小，强度越高。三、实验仪器与药品1、仪器真空突破法测量冻胶强度装置，恒温水浴锅，电子天平，100mL烧杯，500mL烧杯，50mL具塞刻度试管，50mL量筒，500mL量筒，玻璃棒等。2、药品聚丙烯酰胺，重铬酸钾，亚硫酸钠四、实验步骤1、堵水剂的制备（1）分别称取无水亚硫酸钠0.96g，重铬酸钾0.74g于两个100mL烧杯中，用量筒各加入30mL蒸馏水，用玻璃棒搅拌使之完全溶解，备用。（2）用量筒称取180mL质量分数为0.4%的HPAM溶液于一500mL烧杯中，再缓慢加入步骤（1）已溶解的50mL亚硫酸钠溶液，充分搅拌均匀。（3）将步骤（1）已溶解的50mL重铬酸钾溶液缓慢加入步骤（2）烧杯中，继续搅拌至混合均匀，堵水剂制备完成，备用。2、堵水剂强度测定（1）取11支50mL具塞试管，分别加入上述制备好的堵水剂20mL。（2）将加入堵水剂的具塞试管5支为1组，分别于30℃、50℃的水域中恒温放置。剩余一支作为参比样，备用。（3）利用目测代码法和真空突破度法首先测定参比样的强度（0min），然后每隔15min分别测定30℃、50℃条件下堵水剂的强度，以表格形式记录实验数据。（4）实验结束，将所用玻璃仪器仔细清洗干净放回原处，整理试验台。五、实验数据处理冻胶强度交联时间（min）目测代码法，强度等级真空突破度法30℃50℃30℃50℃0AA0.0240.02415BC0.0260.05430BF0.0310.06045BG0.0360.06560BH0.0360.06475CH0.0420.070分析：有所绘出的曲线可以看出，在同一时刻，温度升高，强度变大，且由目测代码法得，温度升高，冻胶体系成冻时间缩短。因为温度升高，加快了氧化还原反应以及多核羟桥络离子的形成和与HPAM交联反应的速度。实验现象解释：在实验过程中，在30℃条件下，堵水剂强度未随时间的变化而发生明显变化，基本处于B等级，而在50℃条件下，堵水剂强度发生了明显变化，是由于温度升高，加快了氧化还原反应以及多核羟桥络离子的形成和与HPAM的反应速度，使堵水剂强度发生明显变化。六、思考题1、温度为什么会影响堵水剂体系的交联过程？答：温度升高，加快了氧化还原反应以及多核羟桥络离子的形成和与HPAM的反应速度。在低温的时候，交联基本不会进行。2、实验中制备的冻胶体系在油田调剖堵水中的作用是什么？通过什么原理提高地层原油采收率？答：是一种堵剂，对地层起封堵作用。通过封堵高渗地层，提高波及系数，使低渗地层中的油气可以开采出来，从而提高地层原油的采收率。