簡述提高聚合物類凝膠調(diào)剖劑表觀黏度測定復(fù)現(xiàn)率的方法

陳芳，趙迪，盛建宇

1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院(黑龍江大慶163453)2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠(黑龍江大慶163000)

簡述提高聚合物類凝膠調(diào)剖劑表觀黏度測定復(fù)現(xiàn)率的方法

陳芳1，趙迪1，盛建宇2

1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院(黑龍江大慶163453)
2.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠(黑龍江大慶163000)

主要研究了采油用聚合物類凝膠調(diào)剖劑黏度的測定方法，分析了影響調(diào)剖劑表觀黏度的因素，并對解決表觀黏度測定復(fù)現(xiàn)率低的問題進(jìn)行了闡述。建議用先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)流變儀測定聚合物凝膠類調(diào)剖劑特性黏度的方法提高調(diào)剖劑黏度測定的復(fù)現(xiàn)性，測試條件為剪切速率是7.0s-1，時間是5min，測試溫度45℃。

表觀黏度;復(fù)現(xiàn)率;調(diào)剖劑

目前'聚合物驅(qū)油仍然是油田保持持續(xù)發(fā)展的重要措施。表觀黏度是評價聚合物類凝膠調(diào)剖劑的重要參數(shù)。調(diào)剖劑成膠黏度測定的準(zhǔn)確性'會直接影響到調(diào)剖劑產(chǎn)品的質(zhì)量'因此也會影響調(diào)剖劑的封堵效果和產(chǎn)油量。

黏度是液體的重要物理性質(zhì)和技術(shù)指標(biāo)之一'黏度的準(zhǔn)確測定在許多工業(yè)部門和科學(xué)研究領(lǐng)域中都具有重要意義，特別是在石油化工、醫(yī)藥、冶金、食品等行業(yè)中[1-2］。黏度測定技術(shù)一直以來備受關(guān)注，有關(guān)液體黏度測定方法及裝置的研究成果也比較多[3］。黏度計有很多種'有旋轉(zhuǎn)黏度、落球黏度、毛細(xì)管黏度等'但用旋轉(zhuǎn)黏度計測定液體黏滯系數(shù)是目前最為普遍采用的方法。對目前廣泛使用的旋轉(zhuǎn)黏度計的檢測機(jī)理做了進(jìn)一步的分析，用具有代表性的旋轉(zhuǎn)柱體測定方法測量調(diào)剖劑的表觀黏度，并對取樣方法進(jìn)行改進(jìn)從而提高了調(diào)剖劑表觀黏度測定復(fù)現(xiàn)率。

1 旋轉(zhuǎn)黏度計檢測機(jī)理分析及其適用條件

旋轉(zhuǎn)流變儀是旋轉(zhuǎn)黏度計的一種'但旋轉(zhuǎn)流變儀和旋轉(zhuǎn)黏度計的結(jié)構(gòu)與性能不相同。

1.1 旋轉(zhuǎn)流變儀的組成及測量原理

流變儀具有獨(dú)有的電子整流同步電機(jī)馬達(dá)'采用永磁體驅(qū)動器'高精度的空氣軸承、光學(xué)編碼盤和法向應(yīng)力傳感器等'使其具有極高的靈敏度和瞬時響應(yīng)能力。

旋轉(zhuǎn)流變儀的測量原理:旋轉(zhuǎn)流變儀開機(jī)后首先要檢測零點(diǎn)'然后在半徑R1的外筒里同軸地安裝半徑R2的內(nèi)筒'內(nèi)外筒之間充以待測液體，同步電機(jī)以穩(wěn)定的速度旋轉(zhuǎn)'外力使二圓柱體之一勻速轉(zhuǎn)動，而另一柱體靜止不動，則在二柱體之間的徑向距離上的液體內(nèi)部將出現(xiàn)速度梯度，于是在液體中產(chǎn)生了內(nèi)摩擦。由于內(nèi)摩擦的作用，在旋轉(zhuǎn)柱體上施加一個切應(yīng)力，利用測量此切應(yīng)力即可計算液體黏度值。

1.2 旋轉(zhuǎn)流變儀和旋轉(zhuǎn)黏度計的區(qū)別

旋轉(zhuǎn)黏度計和旋轉(zhuǎn)流變儀是2種不同的流變學(xué)測試儀器。黏度計具有動態(tài)特性'只能測定樣品在定常流動下的黏度。流變儀具有較好的動態(tài)特性'除了能測定樣品的黏度之外'還可以測定樣品在脈動流動下的觸變性和黏彈性等動態(tài)流變性[4］。

旋轉(zhuǎn)黏度計的測試方法比較單一'只能測試流體在一定轉(zhuǎn)速條件下的黏度。如低級的6速黏度計只能測試6個固定轉(zhuǎn)速下的黏度。黏度計一般用于測試牛頓流體的表觀黏度'測試非牛頓流體時結(jié)果偏差很大只能做相對參考。而流變儀測試模式較多'可以給出一個連續(xù)的轉(zhuǎn)速或剪切速率的掃描過程'給出完整的流變曲線'測試表觀黏度是其最基本的功能;流變儀的優(yōu)點(diǎn)在于具有很多的測試模式'可以測試黏彈性等性能。如變剪切、變應(yīng)力、變振幅、變頻率等'可獲得的流體行為信息:非牛頓性、觸變性、流凝性、可膨脹性、假塑性等。

1.3 旋轉(zhuǎn)黏度計的正確使用方法

根據(jù)黏度計的測量原理'為了獲得準(zhǔn)確可靠的測量數(shù)據(jù)必須正確使用旋轉(zhuǎn)黏度計才能得到正確的測量結(jié)果。

1.3.1 黏度計的性能指標(biāo)必須滿足國家計量檢定規(guī)程要求

使用中的黏度計要進(jìn)行周期檢定'必要時(黏度計使用頻繁或處于合格臨界狀態(tài))要進(jìn)行中間自查以確定其計量性能合格'系數(shù)誤差在允許范圍內(nèi)'否則無法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

1.3.2 特別注意被測液體溫度

許多人忽視這一點(diǎn)'認(rèn)為溫度差一點(diǎn)無所謂。但實(shí)驗(yàn)證明:當(dāng)溫度偏差0.5℃時'有些液體黏度值偏差超過±5%'溫度偏差對黏度影響很大'溫度升高'黏度下降。所以要特別注意將被測液體的溫度恒定在規(guī)定的溫度點(diǎn)附近'精確測量最好不要超過0.1℃。

1.3.3 測量容器的選擇

對應(yīng)雙筒旋轉(zhuǎn)黏度計'不同的轉(zhuǎn)子(內(nèi)筒)匹配相應(yīng)的外筒'否則測量結(jié)果會偏差巨大。

1.3.4 正確選擇旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子或調(diào)整轉(zhuǎn)速

如果選擇合適的轉(zhuǎn)子或轉(zhuǎn)速使讀數(shù)示值在20%～90%之間其相對誤差最小'如果示值超出該范圍'產(chǎn)生的扭矩過大'容易產(chǎn)生蠕變'引起的相對誤差過大'±10%以上'所以一定要正確選擇黏度計的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速。

1.3.5 黏度計轉(zhuǎn)子浸沒液體的深度及氣泡的影響

旋轉(zhuǎn)黏度計對轉(zhuǎn)子浸沒液體的深度有嚴(yán)格的要求'必須用量筒量取。在黏度計轉(zhuǎn)子侵入液體過程中往往帶有氣泡'在黏度計旋轉(zhuǎn)后附在轉(zhuǎn)子下部的氣泡有時無法消去'氣泡的存在會給測量數(shù)據(jù)帶來較大的偏差。

1.3.6 黏度計轉(zhuǎn)子的清洗

測量的轉(zhuǎn)子要清潔污物'因?yàn)轲ざ扔嫷霓D(zhuǎn)子表面有嚴(yán)重的刮痕時會帶來測量結(jié)果的偏差。

2 影響調(diào)剖劑表觀黏度測定的因素

表觀黏度是指剪切應(yīng)力被剪切速率除得的與剪切速率相依的商數(shù)[5］。表觀黏度是評價凝膠型調(diào)剖劑溶液性能的重要指標(biāo)。SY/T 5590-2004《調(diào)剖劑性能評價方法》[7］標(biāo)準(zhǔn)中要求每次檢測至少做2個平行樣'如能達(dá)到相對誤差±5%的要求時'測量結(jié)果具有復(fù)現(xiàn)性'測量數(shù)據(jù)可取;若測量2次沒有達(dá)到要求'則需要繼續(xù)測量直至達(dá)到復(fù)現(xiàn)要求。

2013年共檢驗(yàn)調(diào)剖劑樣品85組'檢測一個樣品需要測定7個點(diǎn)'對2013年3月至2014年2月以來檢測的85組調(diào)剖劑、595個檢測點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查'部分調(diào)查結(jié)果見表1。

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出'僅有273個測定點(diǎn)測量2次就能達(dá)到復(fù)現(xiàn)要求'測定復(fù)現(xiàn)率為46%。有322個測定點(diǎn)至少需要測量3次以上才能達(dá)到要求'復(fù)現(xiàn)率達(dá)不到要求的占54%以上'導(dǎo)致檢測樣品時至少要多測量300次以上。

影響調(diào)剖劑表觀黏度測量結(jié)果的主要因素有:樣品量取不準(zhǔn)確、人員操作不熟練、取樣方法不正確。

3 凝膠類調(diào)剖劑表觀黏度的測定

目前在聚合物特性黏度測定過程中常常會出現(xiàn)各種影響因素，造成特性黏度測定結(jié)果的差異[6］。

調(diào)剖劑表觀黏度的測定采用RS系列的MARS流變儀，剪切速率為7.0s-1'測試溫度為45℃。

將試樣倒入帶恒溫夾套的樣品筒中，待恒溫至所需溫度后，選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速，測定試樣的黏度。每個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次以上測定結(jié)果的平均值。由于聚合物凝膠均為非牛頓型流體，它們的黏度與剪切速率有關(guān)，故測定凝膠時采用密閉系統(tǒng)，采用同一轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速。

針對以上問題'經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)找到兩條解決方法:①改變樣品量取方法;②改變測量參數(shù)。

3.1 改變樣品量取方法

3.1.1 樣品數(shù)量對成膠黏度的影響

在測定調(diào)剖劑溶液黏度時儀器要求樣品加入量為60mL'但由于成膠后的調(diào)剖劑是凝膠狀態(tài)'很難準(zhǔn)確量取60mL。分別量取55～65mL的樣品進(jìn)行黏度值測量'結(jié)果見表2。

從表2中可以看出'取樣數(shù)量的多少對成膠黏度的測定結(jié)果有很大的影響'只有樣品數(shù)量在58～62mL時測定誤差復(fù)現(xiàn)率都符合標(biāo)準(zhǔn)要求;當(dāng)樣品數(shù)量小于57mL或大于63mL時'測定復(fù)現(xiàn)率低'誤差超出標(biāo)準(zhǔn)要求。取樣量的多少直接影響測量數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)性。

表1 調(diào)剖劑表觀黏度測定誤差結(jié)果統(tǒng)計表

3.1.2 取樣方法的改變

經(jīng)過反復(fù)討論、實(shí)驗(yàn)'確定了準(zhǔn)確量取高黏液體體積的取樣方法。通過數(shù)顯密度計測量成膠前調(diào)剖劑溶液的密度'計算稱量60mL樣品所需要的質(zhì)量。經(jīng)過測量調(diào)剖劑溶液密度大多數(shù)都在1.02g/cm3左右'因此60mL樣品即相當(dāng)于60g的樣品。

將燒杯放在電子天平上清零'然后將成膠的樣品倒置'使樣品流出瓶口'并目測樣品數(shù)量大于60g時用鑷子沿著瓶口邊緣迅速將樣品截斷'然后用電子天平進(jìn)行稱重。

3.1.3 人員測試比對

測量人員的操作熟練程度對調(diào)剖劑黏度測量會有一定的影響'針對操作人員熟練程度不同的問題運(yùn)用新的取樣方法進(jìn)行了人員測試比對實(shí)驗(yàn)'實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

從表3中可以看出改變?nèi)臃椒ê?不同取樣人取樣量的準(zhǔn)確度明顯提高'都在58～62g'減少了人員之間的取樣誤差。這一方法的運(yùn)用對提高調(diào)剖劑表觀黏度測定復(fù)現(xiàn)率起到了良好的效果。在2014年6月至2014年10月檢測的67組樣品'496個檢測點(diǎn)中'該方法得到成功應(yīng)用。

3.2 改變測量參數(shù)

根據(jù)調(diào)剖劑黏度的大小選擇適合的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速'正確選擇旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和調(diào)整轉(zhuǎn)速'使測量值在20%～90%之間'其相對誤差最小;如果測量值超出該范圍'產(chǎn)生的扭矩過大'容易產(chǎn)生蠕變'引起的相對誤差過大'在±10%以上'所以一定要正確選擇黏度計的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速。

測量時間的長短直接影響表觀黏度的誤差值。原來方法:剪切時間2min，剪切速率6.0s-1。同一樣品'在同等試驗(yàn)條件下'改變剪切參數(shù)'采用正交試驗(yàn)設(shè)計'選取最佳剪切參數(shù)。按正交表4進(jìn)行正交試驗(yàn)'試驗(yàn)結(jié)果見表5。

從表5中可以看出:第5號實(shí)驗(yàn)的誤差值最低'符合標(biāo)準(zhǔn)要求'即剪切時間5min、剪切速率7.0s-1。

從以上問題的分析中看出，用旋轉(zhuǎn)黏度計測量聚合物凝膠時黏度時，必須選取該液體最佳的剪切時間和剪切速率才能得到理想的結(jié)果。

表2 樣品數(shù)量對成膠黏度的影響

表3 人員取樣比對表

表4 剪切參數(shù)的因素位級表

表5 正交試驗(yàn)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過上述兩項(xiàng)措施的實(shí)施'采用同一儀器對調(diào)剖劑成膠黏度進(jìn)行測定'但是測試曲線卻發(fā)生了明顯的改變。改進(jìn)前后調(diào)剖劑測定結(jié)果對比圖見圖1。

從圖1可以看出改進(jìn)前調(diào)剖劑黏度測試曲線上下波動很明顯'黏度測定結(jié)果很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)相對誤差±5%要求。運(yùn)用改進(jìn)后的方法再進(jìn)行表觀黏度測

圖1 改進(jìn)前后調(diào)剖劑成膠黏度測試曲線對比圖

定時曲線的平穩(wěn)度明顯得到改善'測出樣品的2次復(fù)現(xiàn)率明顯提高'達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2014年6月以后檢測的調(diào)剖劑數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計'結(jié)果見表6。

共統(tǒng)計469個檢測點(diǎn)'其中385個檢測點(diǎn)'僅需測定2次就達(dá)到復(fù)現(xiàn)要求'復(fù)現(xiàn)率為82%。

通過以上實(shí)驗(yàn)與討論'建議用先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)流變儀測定聚合物凝膠類調(diào)剖劑特性黏度的方法可以提高調(diào)剖劑黏度測定的復(fù)現(xiàn)性'在理論上和實(shí)際操作上都是可行的'測試條件為剪切速率是7.0s-1'時間是5min'測試溫度45℃。

表6 改進(jìn)后調(diào)剖劑成膠黏度測定誤差結(jié)果統(tǒng)計表

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[7］SY/T 5590-2004調(diào)剖劑性能評價方法[S］.

The main methods for measuring the viscosity of polymer gel profile control agents are studied，and the factors affecting the apparent viscosity of profile gel profile control agents are analyzed.It is held that the to use advanced rotational rheometer can improve the reproduction of determining the apparent viscosity of polymer gel profile control agents.The the determination of the apparent viscosity should be carried out under the conditions of the 7.0s-1shearing rate and 45℃and 5min determining time.

apparent viscosity;reproduction rate;profile control agent

尉立崗

2014-11-26

陳芳(1966-)'女'主要從事油田化學(xué)入井流體質(zhì)量檢驗(yàn)、調(diào)剖及油層保護(hù)等方面的研究工作。