復(fù)合交聯(lián)劑對耐溫抗鹽型HPAM弱凝膠性能的影響

劉玉莉，秦 義，廖銳全，陳 超，魯文婷

(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢，430100；2.中石油吐哈油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 鄯善，838200；3.新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依，834000)

弱凝膠調(diào)驅(qū)技術(shù)是在堵水調(diào)剖作業(yè)和聚合物驅(qū)油作業(yè)上發(fā)展起來的一種新技術(shù)[1]，兼具調(diào)剖和驅(qū)油雙重作用[2]，且由于弱凝膠成本低、適用范圍廣，以及具有良好的流動性和注入能力等特點[3]，被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各大油田中。

弱凝膠主要是由高分子聚合物與交聯(lián)劑反應(yīng)而成，目前國內(nèi)外油田使用的弱凝膠主要為 HPAM類弱凝膠。HPAM類弱凝膠按交聯(lián)劑不同分為兩類，即HPAM/有機交聯(lián)弱凝膠和HPAM/高價金屬離子交聯(lián)弱凝膠[4]。有機化合物類弱凝膠具有較高的黏度，封堵能力強，但耐鹽性差；而高價金屬離子類弱凝膠適用性好，但強度不夠，且在高溫條件下穩(wěn)定性差[5]，容易出現(xiàn)金屬離子的沉淀。為此，本文引入微量有機酸與Cr3+的絡(luò)合物對傳統(tǒng)的酚醛弱凝膠體系進行改性，并對該復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系的抗鹽性、耐溫性及長期穩(wěn)定性進行了研究，為其在高溫高鹽油藏調(diào)剖堵水中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 原料

聚丙烯酰胺(HPAM)，工業(yè)品級，水解度18%，分子量1200萬～1700萬；苯酚、甲醛、冰乙酸、氯化鉻、氯化銨、氯化鈉和氯化鈣，均為分析純。

1.2 制備方法

(1)交聯(lián)劑的制備。交聯(lián)劑A由苯酚和甲醛按一定比例反應(yīng)合成。交聯(lián)劑B由有機酸與三價鉻離子復(fù)合而成。

(2)弱凝膠的制備。取聚丙烯酰胺母液和氯化銨按一定配比混勻，加入交聯(lián)劑攪拌均勻后，置于75 ℃水浴鍋中恒溫24 h，即得所需的弱凝膠。

1.3 性能測試

弱凝膠體系的黏度由NDJ-8S旋轉(zhuǎn)黏度計測得，測試條件為：選用3#轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為3 r/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)劑A對凝膠體系成膠性能的影響

聚丙烯酰胺母液和氯化銨的質(zhì)量濃度分別為1000、3000 mg/L，單一添加交聯(lián)劑A，于75 ℃下制備弱凝膠時，交聯(lián)劑A的質(zhì)量濃度對體系黏度的影響如圖1所示。從圖1中可以看出，當交聯(lián)劑A的質(zhì)量濃度小于250 mg/L時，體系的成膠黏度較低；當交聯(lián)劑A的質(zhì)量濃度為300 mg/L時，體系黏度達到極大值；隨后繼續(xù)增大交聯(lián)劑A的質(zhì)量濃度，體系黏度反而減小。這是因為當交聯(lián)劑濃度在一定范圍內(nèi)時，隨著交聯(lián)劑用量的增加，交聯(lián)劑與聚合物之間的交聯(lián)點增多，分子間發(fā)生碰撞幾率增大，從而體系的黏度增大；但當交聯(lián)劑用量過大時，交聯(lián)劑與聚合物之間會發(fā)生過度交聯(lián)，反而使得體系的黏度值下降、穩(wěn)定性變差[6]。因此，優(yōu)選交聯(lián)劑A的質(zhì)量濃度為300 mg/L。

圖1 交聯(lián)劑A添加量對弱凝膠體系黏度的影響

Fig.1EffectoftheamountofcrosslinkingagentAontheviscosityofweakgelsystem

2.2 交聯(lián)劑B對凝膠體系黏度的影響

聚丙烯酰胺母液、氯化銨的質(zhì)量濃度分別為1000、3000 mg/L，復(fù)合添加交聯(lián)劑A和B，于75 ℃下制備弱凝膠,交聯(lián)劑A的添加量為300 mg/L時，考察交聯(lián)劑B的加入量對弱凝膠體系黏度的影響，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著交聯(lián)劑B的加入，弱凝膠體系的黏度初始階段大幅度提高，當交聯(lián)劑B的質(zhì)量濃度為25 mg/L時，體系黏度達到極大值；但隨著交聯(lián)劑B質(zhì)量濃度的進一步增大，凝膠黏度反而逐漸降低。這是由于當加入交聯(lián)劑B時，交聯(lián)劑B在酸性條件下會逐步釋放出Cr3+，與溶液中的OH-、Cl-等形成配位體，而后被聚丙烯酰胺鏈上的羧基取代形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)同交聯(lián)劑A與聚丙烯酰胺的酰胺基形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)相互交叉，形成高強度的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強了凝膠體系的強度，使其黏度增大；而隨著交聯(lián)劑B添加量的進一步增大，復(fù)合交聯(lián)凝膠體系由于過度交聯(lián)而使得凝膠體系不穩(wěn)定，出現(xiàn)脫水，并且隨著交聯(lián)劑B添加量的增大，凝膠體系黏彈性變差，膠體整體容易發(fā)生斷鏈，導(dǎo)致黏度下降。因此，優(yōu)選交聯(lián)劑B的質(zhì)量濃度為25 mg/L。

圖2 交聯(lián)劑B添加量對弱凝膠體系黏度的影響

Fig.2EffectoftheamountofcrosslinkingagentBontheviscosityofweakgelsystem

綜上可知，優(yōu)選的復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系(以下簡稱“體系1”)的配方為：HPAM、氯化銨、交聯(lián)劑A、交聯(lián)劑B的質(zhì)量濃度分別: 1000、3000、300、25 mg/L。

2.3 復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系的抗鹽性

弱凝膠的抗鹽性是考察弱凝膠體系能否有效進行現(xiàn)場應(yīng)用的一項重要指標。圖3所示為復(fù)合凝膠體系(體系1)與僅含交聯(lián)劑A的凝膠體系(體系2，不含交聯(lián)劑B，其余成分同體系1)在不同礦化度鹽水中成膠黏度的對比。所使用的鹽水均由氯化鈉和氯化鈣配制，且Ca2+的含量均為2000 mg/L。從圖3中可以看出，復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系的黏度遠高于單一交聯(lián)弱凝膠體系的黏度；隨著礦化度的增加，兩個體系黏度都有所降低，但復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系在高礦化度鹽水中仍具有很高的黏度；與單一交聯(lián)弱凝膠體系相比，在相同礦化度鹽水中成膠后，復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系的黏度是單一交聯(lián)弱凝膠體系黏度的8～10倍，在礦化度高達80 g/L的鹽水中，其成膠黏度仍達到36.4 Pa·s，表明復(fù)合交聯(lián)凝膠體系的抗鹽性優(yōu)于單一交聯(lián)的凝膠體系。這是由于復(fù)合交聯(lián)形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的大大增強了弱凝膠的穩(wěn)定性。

圖3 不同礦化度鹽水中兩種凝膠體系的成膠黏度

Fig.3Viscositychangesoftwokindsofweakgelatdifferentsalinities

2.4 復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系的耐溫性

分別將體系1、體系2于不同溫度下放置24 h后，測其黏度，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著溫度的升高，兩個體系的黏度均呈下降趨勢。這是由于高溫下聚丙烯酰胺分子鏈發(fā)生熱降解作用，使得聚丙烯酰胺與交聯(lián)劑的交聯(lián)性能變差，從而使弱凝膠體系黏度有所降低[7]。由圖4中還可看出，在相同的溫度條件下，體系1黏度是體系2黏度的3～4倍，且在105 ℃下依舊保持30 Pa·s左右的黏度。這是由于交聯(lián)劑B的加入使體系1形成了互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而使復(fù)合交聯(lián)凝膠體系具有優(yōu)良的耐溫性。

圖4 不同溫度下兩種凝膠體系的黏度變化

Fig.4Viscositychangesoftwokindsofweakgelatdifferenttemperatures

2.5 復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系的長期穩(wěn)定性

弱凝膠的長期穩(wěn)定性是弱凝膠的重要性能。將體系1放入老化罐中，置于75 ℃電熱恒溫箱中，定期測其黏度，結(jié)果如圖5所示。由圖5中可見，隨著時間的推移，該復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系的黏度呈下降趨勢，但經(jīng)過120 d后，其黏度仍為初始黏度的80%以上，表明該復(fù)合交聯(lián)體系具有良好的長期穩(wěn)定性。

圖5 復(fù)合交聯(lián)弱凝膠黏度隨時間的變化Fig.5 Viscosity changes of weak gel at different times

3 結(jié)論

(1)復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系的優(yōu)選配方為：HPAM、氯化銨、酚醛復(fù)合交聯(lián)劑、有機金屬絡(luò)合物交聯(lián)劑的質(zhì)量濃度分別為1000、3000、300、25 mg/L。

(2)合成的復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系耐鹽性好，在礦化度高達80g/L的鹽水中，其黏度仍達到36.4Pa·s，復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系在同一礦化度鹽水中的成膠黏度是單一交聯(lián)弱凝膠體系成膠黏度的8～10倍。

(3)合成的復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系具有良好的耐溫性，在105℃的高溫下，黏度仍達到30Pa·s，在同一溫度下，其黏度是單一交聯(lián)弱凝膠體系黏度的3～4倍。

(4)合成的復(fù)合交聯(lián)弱凝膠體系具有良好的長期穩(wěn)定性，在75 ℃下老化120 d，其黏度依舊能保持在初始黏度的80%以上。

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