黏度定量突破真空度法快速测定冻胶强度

第37卷第5期2015年9月石油钻采工艺OILDRILLING&PRODUCTIONTECHNOLOGYVol.37No.5Sept.2015文章编号：1000–7393（2015）05–0116–04　　　doi:10.13639/j.odpt.2015.05.029黏度定量突破真空度法快速测定冻胶强度周洪涛1　贾　寒1　曹金园2　刘雪辉1　朱彦光1　蒋坤鹏2（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛　266580；2.克拉玛依市正诚有限公司，新疆克拉玛依　834000）引用格式：周洪涛，贾寒，曹金园，等.黏度定量突破真空度法快速测定冻胶强度［J］.石油钻采工艺，2015，37（5）：116-119.摘要：为了快速准确地评价交联聚合物冻胶强度，将旋转黏度计法与突破真空度法相结合，提出了黏度定量突破真空度法。该方法先通过测定实验体系的几个突破真空度值（BV）与相应黏度，做出标准曲线，之后可以通过测定的该体系其他BV值，从曲线上直接得出对应的体系黏度。以HPAM-铬冻胶体系为例，研究了不同聚合物质量分数、交联剂质量分数、温度和矿化度条件下，冻胶体系BV值与对应黏度的关系，结果表明：在实验条件范围内，无论体系的强度是增大或减少，黏度都表现出相应的线性变化关系，从而证实了所提出的黏度定量突破真空度法的可信性。使用瓜胶-有机硼冻胶体系和黄原胶-有机铬冻胶体系进一步验证了该方法的普适性，表明该方法可在简单易行的实验条件下，准确反映出体系的冻胶强度。关键词：冻胶强度；测定方法；旋转黏度计法；突破真空度法；铬冻胶中图分类号：TE357.4　　　文献标识码：AQuickmeasurementofgelstrengthbybreakthroughvacuumvaluemethodthroughviscosityquantificationZHOUHongtao1,JIAHan1,CAOJinyuan2,LIUXuehui1,ZHUYanguang1,JIANGKunpeng2（1.PetroleumEngineeringCollege,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),Qingdao266580,China;2.KaramayZhengchengCo.Ltd.,Karamay834000,China）Abstract:Throughthecombinationofrotationalviscometermethodandbreakthroughvacuumvaluemethod,thebreakthroughvacuumvaluemethodthroughviscosityquantificationispresented.Throughtestingthebreakthroughvacuumvalue(BV)andcorrespondingviscosityofseveralsystems,thestandardcurvewasmade.ThenbymeasuringtheotherBVvaluesofthesystem,theviscositycanbedirectlyobtainedfromthecurve.TakingHPAM-chromiumgelsystemasanexample,researchwasconductedontherelationbetweenBVvalueofgelsystemandthecorrespondingviscosityunderconditionsofmassfractionsofvariouspolymers,massfractionofcrosslinkingagent,temperatureandsalinityofthesystem.Itrevealedthat,withinthescopeofexperimentalconditions,viscosityalwaysshowedcorrespondinglinearchange,nomatterthestrengthofthesystemincreasedordecreased,thereforeitdemonstratesthereliabilityofbreakthroughvacuumvaluemethodthroughviscosityquantification.Bytheapplicationofhydroxypropylguargum-organoborongelandxanthangum-chromiumgel,theuniversaladaptationofthemethodwasfurtherdemonstrated,showingthatthismethodaccuratelyreflectsthegelstrengthofthesystemundersimpleexperimentalconditions.Keywords:gelstrength;measurementmethod;rotationalviscometermethod;breakthroughvacuumvaluemethod;chromiumgel基金项目：校企合作项目“低渗裂缝油藏选择性调剖技术研究”（编号：13270502000229）。作者简介：周洪涛，1969年生。主要研究方向：提高原油采收率，胶体与界面化学，油气田开发工程，油田化学，博士，副教授。电话：[phone]。E-mail：[e-mail]。目前国内外在油田堵水、调剖处理中使用最多、应用最广的是聚合物冻胶类调剖剂［1］。在聚合物使用的初期阶段，聚丙烯酰胺水溶液（PAM）作为一种优良的选择性调剖堵水剂被现场大量应用，但其降低水相渗透率的效果在高渗透油藏中并不理想。为了克服PAM的上述缺点，目前使用较多的是交联聚丙烯酰胺调剖剂［2-5］。由于交联聚合物调剖剂种类繁多，而对其进行筛选、评价过程非常繁琐，时间因素对于现场应用又是必须要重点考虑的。因此，在有限的时间内，能够有效准确地筛选、评价交联聚合117周洪涛等：黏度定量突破真空度法快速测定冻胶强度物体系是极其重要的。成胶强度是冻胶成胶过程重要的性能指标之一，其评价方法较多。一般认为，交联聚合物溶液冻胶强度是很难测量的，也很难定义，把冻胶向任何机械黏度计内转移，对冻胶的性能均会产生一定损害，因此，除非这种冻胶允许在黏度计中形成并凝固，否则黏度测量值通常不能代表真实的冻胶强度［6］，这就对测定方法提出了非常高的要求，既要原位准确，又要简单易行。目前常见的方法主要有观察法［2］、旋转黏度计法［7］、突破真空度法［8］、流变参数法［9］。其中，观察法（凝胶代码法）简单易行，但只能定性判断；旋转黏度计测定虽然数据准确，但在高速状态下易“爬杆”，因而使用范围有限；突破真空度法操作简便，但其所测得突破真空度只能认为是一种“半定量”的比较；流变参数法最为准确，但是其操作复杂，所用仪器精密，不利于现场使用。基于对以上方法的总结比较，将旋转黏度计法与突破真空度法相结合，提出了一种较为创新性的评价方法。以常见的HPAM-铬冻胶体系为主要例证，改变多种因素（聚合物质量分数、交联剂质量分数、温度、矿化度等）验证该方法的可信性，之后再使用瓜胶-有机硼冻胶体系和黄原胶-有机铬冻胶体系进一步验证了该方法的普适性。1　实验部分1.1　实验药品部分水解的阴离子型聚丙烯酰胺，工业品，分子量（1000万~1200万），水解度5%，固含量＞90%；交联剂重铬酸钠；羟丙基瓜尔胶（瓜胶）；黄原胶；硼砂；亚硫酸钠；氯化钠。1.2　实验仪器电热鼓风干燥箱，上海安亭科学仪器有限公司；JJ-增力电动搅拌器，金坛市医疗仪器有限公司；GL-802A微型台式真空泵，海门市其林贝尔仪器制造有限公司；DV3T黏度计，美国Brookfield公司。1.3　实验方法配置一定浓度的阴离子聚丙烯酰胺溶液，加入一定配比的交联剂重铬酸钠、亚硫酸钠，搅拌均匀注入蓝盖瓶中，放入设定温度的电热鼓风干燥箱内，待冻胶成胶后采用DV3T黏度计测定冻胶的黏度。采用突破真空度法测定冻胶强度，实验装置图1所示。将装有已成胶冻胶的蓝盖瓶按图1所示与突破真空度实验装置连接起来；将1mL的吸量管尖嘴部分插入冻胶液面下1cm处，开动真空泵，并缓慢调节旋钮增大体系真空度，待空气突破冻胶时，真空表上真空度的最大读数即冻胶的突破真空度，简称BV值（breakthroughvacuum）值；每个样品重复测定3次，取其算术平均值作为其最终的BV值。BV值越大，强度越高；反之，强度越低。图1　突破真空度实验装置2　结果与讨论2.1　HPAM-铬冻胶体系2.1.1　HPAM质量分数的影响　在不同质量分数的HPAM溶液中加入质量分数为0.6%的重铬酸钠和质量分数0.2%的亚硫酸钠，待体系成胶后，测得室温条件下，体系的BV值及黏度值（如图2所示）。0.060.050.040.030.02BV值/MPa黏度/mPa·s0.10.20.30.40.5HPAM质量分数/%250002000015000100005000黏度/mPa·s0.020.030.040.050.06BV值/MPa250002000015000100005000BV值黏度(a)(b)图2　HPAM质量分数对体系BV值及体系黏度的影响由图2（a）可以看出，随着HPAM质量分数的增加，铬冻胶体系的强度增大，黏度增加。这是由于体系中存在一定数量的交联剂，构成了网络结构的结点，随着构成网络结构的线（即HPAM）的增加，从而形成了很好的冻胶网络结构［10］。而从图2（b）可进一步发现，体系BV值与相应黏度之间存在着线性增长关系，这是在之前的报道中从未提及的。虽石油钻采工艺　2015年9月（第37卷）第5期118然很难从理论上证实二者的相关性，但笔者认为，发现半定量化的突破真空度法与精确的体系黏度测定之间存在相关性，从侧面证明了突破真空度法的可信性。利用这一关系，可以通过测定体系的几个BV值与相应黏度，做出标准曲线；之后只需测定该体系的其他BV值，就可以对应得到体系的黏度，从而简化了实验流程。2.1.2　交联剂质量分数的影响　在聚合物质量分数0.5%的条件下，改变体系交联剂的质量分数，在室温条件下测得体系BV值及黏度变化曲线见图3（a），可以看出，随着交联剂质量分数的增大，铬冻胶体系的强度变差（即突破真空度变小），同时黏度相应降低。这是由于聚合物和交联剂之间发生过度交联而引发凝胶局部脱水收缩，破坏了冻胶网络结构的连续性，因此铬冻胶体系的强度随着交联剂质量分数的增大而变差。与此同时，体系的黏度也出现了与BV值对应的线性降低现象，见图3（b）。BV值/MPa交联剂质量分数/%0.0500.0550.0600.0650.0700.0750.080BV值/MPa(a)(b)黏度/103mPa·s黏度/103mPa·sBV值黏度304050607080900.050.060.070.080.50.60.70.80.91.030405060708090图3　交联剂质量分数体系对BV值及体系黏度的影响2.1.3　温度的影响　当聚合物质量分数为0.5%、交联剂质量分数为0.6%时，温度对体系BV值及黏度的影响如图4所示。一般来讲，随着温度的升高，氧化还原反应速度加快，有利于多核羟桥络离子的形成及其与HPAM交联反应，因此，体系成冻时间明显缩短。而之前的相关文献对于铬冻胶体系强度受温度影响的研究结论不尽相同［10-11］。从图4（a）上可以看出，对于本文研究体系，在所测定的温度范围内，BV值及体系黏度都随着温度的升高而增大；同时，BV值及体系黏度的增大仍然保持了一定的线性关系（图4b）。因此笔者认为在一定温度范围内，络离子的形成及与HPAM交联反应对于铬冻胶强度的影响占主导地位。当超过一定范围后，过高的温度可能会破坏聚合物冻胶的网络结构，使得冻胶弹性变差，体系易被破坏。BV值/MPa温度/℃0.0550.0600.065