黏度定量突破真空度法快速測定凍膠強(qiáng)度

周洪濤賈 寒曹金園劉雪輝朱彥光蔣坤鵬（.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 66580；.克拉瑪依市正誠有限公司，新疆克拉瑪依 834000）

引用格式：周洪濤，賈寒，曹金園，等.黏度定量突破真空度法快速測定凍膠強(qiáng)度［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：116-119.

黏度定量突破真空度法快速測定凍膠強(qiáng)度

周洪濤1賈 寒1曹金園2劉雪輝1朱彥光1蔣坤鵬2
（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；
2.克拉瑪依市正誠有限公司，新疆克拉瑪依 834000）

引用格式：周洪濤，賈寒，曹金園，等.黏度定量突破真空度法快速測定凍膠強(qiáng)度［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：116-119.

摘要：為了快速準(zhǔn)確地評價(jià)交聯(lián)聚合物凍膠強(qiáng)度，將旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法與突破真空度法相結(jié)合，提出了黏度定量突破真空度法。該方法先通過測定實(shí)驗(yàn)體系的幾個(gè)突破真空度值（BV）與相應(yīng)黏度，做出標(biāo)準(zhǔn)曲線，之后可以通過測定的該體系其他BV值，從曲線上直接得出對應(yīng)的體系黏度。以HPAM-鉻凍膠體系為例，研究了不同聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度和礦化度條件下，凍膠體系BV值與對應(yīng)黏度的關(guān)系，結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，無論體系的強(qiáng)度是增大或減少，黏度都表現(xiàn)出相應(yīng)的線性變化關(guān)系，從而證實(shí)了所提出的黏度定量突破真空度法的可信性。使用瓜膠-有機(jī)硼凍膠體系和黃原膠-有機(jī)鉻凍膠體系進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的普適性，表明該方法可在簡單易行的實(shí)驗(yàn)條件下，準(zhǔn)確反映出體系的凍膠強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：凍膠強(qiáng)度；測定方法；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法；突破真空度法；鉻凍膠

目前國內(nèi)外在油田堵水、調(diào)剖處理中使用最多、應(yīng)用最廣的是聚合物凍膠類調(diào)剖劑［1］。在聚合物使用的初期階段，聚丙烯酰胺水溶液（PAM）作為一種優(yōu)良的選擇性調(diào)剖堵水劑被現(xiàn)場大量應(yīng)用，但其降低水相滲透率的效果在高滲透油藏中并不理想。為了克服PAM的上述缺點(diǎn)，目前使用較多的是交聯(lián)聚丙烯酰胺調(diào)剖劑［2-5］。由于交聯(lián)聚合物調(diào)剖劑種類繁多，而對其進(jìn)行篩選、評價(jià)過程非常繁瑣， 時(shí)間因素對于現(xiàn)場應(yīng)用又是必須要重點(diǎn)考慮的。因此，在有限的時(shí)間內(nèi)，能夠有效準(zhǔn)確地篩選、評價(jià)交聯(lián)聚合物體系是極其重要的。

成膠強(qiáng)度是凍膠成膠過程重要的性能指標(biāo)之一，其評價(jià)方法較多。一般認(rèn)為，交聯(lián)聚合物溶液凍膠強(qiáng)度是很難測量的，也很難定義，把凍膠向任何機(jī)械黏度計(jì)內(nèi)轉(zhuǎn)移，對凍膠的性能均會產(chǎn)生一定損害，因此，除非這種凍膠允許在黏度計(jì)中形成并凝固，否則黏度測量值通常不能代表真實(shí)的凍膠強(qiáng)度［6］，這就對測定方法提出了非常高的要求，既要原位準(zhǔn)確，又要簡單易行。目前常見的方法主要有觀察法［2］、旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法［7］、突破真空度法［8］、流變參數(shù)法［9］。其中，觀察法（凝膠代碼法）簡單易行，但只能定性判斷；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定雖然數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，但在高速狀態(tài)下易“爬桿”，因而使用范圍有限；突破真空度法操作簡便，但其所測得突破真空度只能認(rèn)為是一種“半定量”的比較；流變參數(shù)法最為準(zhǔn)確，但是其操作復(fù)雜，所用儀器精密，不利于現(xiàn)場使用。基于對以上方法的總結(jié)比較，將旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法與突破真空度法相結(jié)合，提出了一種較為創(chuàng)新性的評價(jià)方法。以常見的HPAM-鉻凍膠體系為主要例證，改變多種因素（聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、礦化度等）驗(yàn)證該方法的可信性，之后再使用瓜膠-有機(jī)硼凍膠體系和黃原膠-有機(jī)鉻凍膠體系進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的普適性。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

部分水解的陰離子型聚丙烯酰胺，工業(yè)品，分子量（1 000萬~1 200萬），水解度5%，固含量＞90%；交聯(lián)劑重鉻酸鈉；羥丙基瓜爾膠（瓜膠）；黃原膠；硼砂；亞硫酸鈉；氯化鈉。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海安亭科學(xué)儀器有限公司；JJ-增力電動攪拌器，金壇市醫(yī)療儀器有限公司；GL-802A微型臺式真空泵，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；DV3T黏度計(jì)，美國Brookfield公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

配置一定濃度的陰離子聚丙烯酰胺溶液，加入一定配比的交聯(lián)劑重鉻酸鈉、亞硫酸鈉，攪拌均勻注入藍(lán)蓋瓶中，放入設(shè)定溫度的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，待凍膠成膠后采用DV3T黏度計(jì)測定凍膠的黏度。

采用突破真空度法測定凍膠強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)裝置圖1所示。將裝有已成膠凍膠的藍(lán)蓋瓶按圖1所示與突破真空度實(shí)驗(yàn)裝置連接起來；將1 mL的吸量管尖嘴部分插入凍膠液面下1 cm處，開動真空泵，并緩慢調(diào)節(jié)旋鈕增大體系真空度，待空氣突破凍膠時(shí)，真空表上真空度的最大讀數(shù)即凍膠的突破真空度，簡稱BV值（breakthrough vacuum）值；每個(gè)樣品重復(fù)測定3次，取其算術(shù)平均值作為其最終的BV值。BV值越大，強(qiáng)度越高；反之，強(qiáng)度越低。

圖1　 突破真空度實(shí)驗(yàn)裝置

2　結(jié)果與討論

2.1 HPAM-鉻凍膠體系

2.1.1 HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的HPAM 溶液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的重鉻酸鈉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的亞硫酸鈉，待體系成膠后，測得室溫條件下，體系的BV值及黏度值（如圖2所示）。

圖2　 HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)對體系BV值及體系黏度的影響

由圖2（a）可以看出，隨著HPAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鉻凍膠體系的強(qiáng)度增大，黏度增加。這是由于體系中存在一定數(shù)量的交聯(lián)劑，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)，隨著構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的線（即HPAM）的增加，從而形成了很好的凍膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［10］。而從圖2（b）可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，體系BV值與相應(yīng)黏度之間存在著線性增長關(guān)系，這是在之前的報(bào)道中從未提及的。雖然很難從理論上證實(shí)二者的相關(guān)性，但筆者認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)半定量化的突破真空度法與精確的體系黏度測定之間存在相關(guān)性，從側(cè)面證明了突破真空度法的可信性。利用這一關(guān)系，可以通過測定體系的幾個(gè)BV值與相應(yīng)黏度，做出標(biāo)準(zhǔn)曲線；之后只需測定該體系的其他BV值，就可以對應(yīng)得到體系的黏度，從而簡化了實(shí)驗(yàn)流程。

2.1.2 交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響 在聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的條件下，改變體系交聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，在室溫條件下測得體系BV值及黏度變化曲線見圖3（a），可以看出，隨著交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，鉻凍膠體系的強(qiáng)度變差（即突破真空度變?。?，同時(shí)黏度相應(yīng)降低。這是由于聚合物和交聯(lián)劑之間發(fā)生過度交聯(lián)而引發(fā)凝膠局部脫水收縮，破壞了凍膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，因此鉻凍膠體系的強(qiáng)度隨著交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而變差。與此同時(shí)，體系的黏度也出現(xiàn)了與BV值對應(yīng)的線性降低現(xiàn)象，見圖3（b）。

圖3　 交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)體系對BV值及體系黏度的影響

2.1.3 溫度的影響 當(dāng)聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，溫度對體系BV值及黏度的影響如圖4所示。一般來講，隨著溫度的升高，氧化還原反應(yīng)速度加快，有利于多核羥橋絡(luò)離子的形成及其與HPAM交聯(lián)反應(yīng)，因此，體系成凍時(shí)間明顯縮短。而之前的相關(guān)文獻(xiàn)對于鉻凍膠體系強(qiáng)度受溫度影響的研究結(jié)論不盡相同［10-11］。從圖4（a）上可以看出，對于本文研究體系，在所測定的溫度范圍內(nèi)，BV值及體系黏度都隨著溫度的升高而增大；同時(shí)，BV值及體系黏度的增大仍然保持了一定的線性關(guān)系（圖4b）。因此筆者認(rèn)為在一定溫度范圍內(nèi)，絡(luò)離子的形成及與HPAM交聯(lián)反應(yīng)對于鉻凍膠強(qiáng)度的影響占主導(dǎo)地位。當(dāng)超過一定范圍后，過高的溫度可能會破壞聚合物凍膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得凍膠彈性變差，體系易被破壞。

圖4　 溫度對體系BV值及體系黏度的影響

2.1.4 礦化度的影響 當(dāng)聚合物和交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%和0.6%時(shí)，礦化度對體系BV值及黏度的影響見圖5?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著礦化度的增大，體系BV值及黏度都明顯下降，且二者線性關(guān)系較好。對于礦化度的影響，一般認(rèn)為加鹽可以壓縮雙電層，減少靜電斥力，有利于成膠。但從本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，認(rèn)為礦化度的增大使得鹽敏效應(yīng)在體系中占了主導(dǎo)作用，使得HPAM更加卷曲，不易被交聯(lián)。

2.2 其他凍膠體系

由2.1中討論的多因素影響可以看出，對于HPAM-鉻凍膠體系，在不同因素改變的條件下，體系BV值對相應(yīng)黏度的線性關(guān)系一直都保持良好。為了進(jìn)一步證明提出的體系BV值對相應(yīng)黏度的線性相關(guān)性，選擇了另外2種典型的凍膠體系：瓜膠-有機(jī)硼凍膠體系和黃原膠-有機(jī)鉻凍膠體系。由圖6、圖7可以看出，通過改變體系聚合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，體系的BV值對相應(yīng)黏度都出現(xiàn)了明顯的增大，其原因與HPAM體系類似。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，體系BV值對相應(yīng)黏度的線性關(guān)系良好。因而筆者認(rèn)為所提出的通過BV值對相應(yīng)黏度做出標(biāo)準(zhǔn)曲線后，直接通過BV值反推體系黏度的方法是具有普適性的，是一種較為簡易便捷測定體系黏度的新方法。

圖5　 礦化度對體系BV值及體系黏度的影響

圖6　 瓜膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)對體系BV值及體系黏度的影響

3　結(jié)論

（1）通過HPAM-鉻凍膠體系、瓜膠-有機(jī)硼凍膠體系和黃原膠-有機(jī)鉻凍膠體系的反復(fù)驗(yàn)證，筆者將凍膠強(qiáng)度測定中的旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)法與突破真空度法相結(jié)合，提出的黏度定量突破真空度法測定凍膠強(qiáng)度具有可信性和普適性。

（2）通過黏度定量突破真空度方法，只需測定體系的某幾個(gè)BV值與相應(yīng)黏度，做出標(biāo)準(zhǔn)曲線，之后通過BV值對比即可得到對應(yīng)的體系黏度。該方法既準(zhǔn)確又簡單易行，對現(xiàn)場應(yīng)用有很大的指導(dǎo)意義。

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（修改稿收到日期 2015-08-12）

〔編輯 朱 偉〕

Quick measurement of gel strength by breakthrough vacuum value method through viscosity quantification

ZHOU Hongtao1, JIA Han1, CAO Jinyuan2, LIU Xuehui1, ZHU Yanguang1, JIANG Kunpeng2
（1. Petroleum Engineering College, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China;
2. Karamay Zhengcheng Co.Ltd., Karamay 834000, China）

Abstract:Through the combination of rotational viscometer method and breakthrough vacuum value method, the breakthrough vacuum value method through viscosity quantification is presented. Through testing the breakthrough vacuum value (BV) and corresponding viscosity of several systems, the standard curve was made. Then by measuring the other BV values of the system, the viscosity can be directly obtained from the curve. Taking HPAM-chromium gel system as an example, research was conducted on the relation between BV value of gel system and the corresponding viscosity under conditions of mass fractions of various polymers, mass fraction of crosslinking agent, temperature and salinity of the system. It revealed that, within the scope of experimental conditions, viscosity always showed corresponding linear change, no matter the strength of the system increased or decreased, therefore it demonstrates the reliability of breakthrough vacuum value method through viscosity quantification. By the application of hydroxypropyl guar gum-organoboron gel and xanthan gum-chromium gel, the universal adaptation of the method was further demonstrated, showing that this method accurately reflects the gel strength of the system under simple experimental conditions.

Key words:gel strength; measurement method; rotational viscometer method; breakthrough vacuum value method; chromium gel

作者簡介：周洪濤，1969年生。主要研究方向：提高原油采收率，膠體與界面化學(xué)，油氣田開發(fā)工程，油田化學(xué)，博士，副教授。電話：0532-86981901。E-mail：zhouht@upc.edu.cn。

基金項(xiàng)目：校企合作項(xiàng)目“低滲裂縫油藏選擇性調(diào)剖技術(shù)研究”（編號：13270502000229）。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.029

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0116 – 04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TE357.4