鉻型交聯(lián)劑GJL-Ⅰ的研制及性能評(píng)價(jià)

劉貴賓，史黨偉，連宇博，呂俊華，魏亞軍，黃 晨

（西安長(zhǎng)慶化工集團(tuán)有限公司，陜西西安 710018）

1 實(shí)驗(yàn)材料及評(píng)價(jià)方法

1.1 試劑及儀器

藥品：不同廠家生產(chǎn)的六種國(guó)產(chǎn)聚合物（HPAM），均為粉劑，理化參數(shù)（見(jiàn)表 1）；NaCl、MgCl2、CaCl2等均為分析純。

儀器：DHG9123AS型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，嘉興市中新醫(yī)療儀器有限公司；HJ-6A型多頭磁力攪拌器，常州國(guó)華電器有限公司；DV3T型選裝黏度計(jì)，美國(guó)brookfield公司。

表1 實(shí)驗(yàn)用聚合物理化參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

成膠體系溶液的配制：向250 mL廣口瓶中加入200.0 g配液用水，在磁力攪拌下緩慢加入0.4 g聚合物，攪拌2 h后得到基液；然后向上述基液中加入0.4 g交聯(lián)劑，攪拌均勻，然后密封。

凝膠黏度的測(cè)定：將成膠體系溶液配制于250 mL的廣口瓶中，置于60℃恒溫干燥箱中成膠，并用DV3T型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在60℃和6 s-1條件下測(cè)定其黏度。

2 交聯(lián)劑GJL-Ⅰ的合成

將有機(jī)酸加到一個(gè)配有溫度計(jì)、回流冷凝管、熱電偶及磁力攪拌器的三口燒瓶中；在攪拌條件下，往燒瓶中加入稱(chēng)量好的重鉻酸鹽，并使其完全溶解；加入還原劑亞硫酸鹽，升溫至60℃～90℃，恒溫反應(yīng)6 h～8 h；冷卻至室溫，往燒瓶中加入稱(chēng)量好的延緩劑和穩(wěn)定劑，攪拌20 min～40 min，制得有機(jī)鉻交聯(lián)劑GJL-Ⅰ。

有機(jī)鉻交聯(lián)劑GJL-Ⅰ為墨綠色液體，pH值在6～8，Cr3+含量在 3.5%左右。

3 交聯(lián)劑GJL-Ⅰ的性能評(píng)價(jià)

3.1 GJL-Ⅰ的穩(wěn)定性

將鉻型交聯(lián)劑GJL-Ⅰ在-15℃和60℃條件下交替放置 15 d后進(jìn)行性能評(píng)價(jià)[1，2]，評(píng)價(jià)結(jié)果（見(jiàn)表2）。

表2 GJL-Ⅰ穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

從表2可以看出：鉻型交聯(lián)劑GJL-Ⅰ在-15℃和60℃條件下交替放置15 d后，其性能基本沒(méi)有發(fā)生變化，因此該交聯(lián)劑具有很好的穩(wěn)定性。

3.2 不同廠家聚合物對(duì)成膠性能的影響

使用不同廠家聚合物配制HPAM-交聯(lián)劑體系，考察了不同廠家聚合物對(duì)GJL-Ⅰ成膠性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表3）。

表3 不同廠家聚合物對(duì)GJL-Ⅰ成膠性能的影響

從表3可以看出：GJL-Ⅰ與六種不同廠家HPAM均能發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，二者反應(yīng)72 h時(shí)所生成的凝膠黏度可達(dá)到20 000 mPa·s左右，說(shuō)明GJL-Ⅰ對(duì)國(guó)產(chǎn)聚合物的交聯(lián)性能良好，是一種具有普適性的交聯(lián)劑。

3.3 聚合物相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)成膠性能的影響

使用不同相對(duì)分子質(zhì)量聚合物配制HPAM-交聯(lián)劑體系，考察了聚合物相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)GJL-Ⅰ成膠性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖1）。

圖1 聚合物相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)GJL-Ⅰ成膠性能的影響

從圖1可以看出：隨著聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增加，成膠體系黏度逐漸升高。這是由于在聚合物濃度一定的條件下，HPAM相對(duì)分子質(zhì)量越大，其分子鏈上官能團(tuán)數(shù)量越多，官能團(tuán)之間相互碰撞和纏繞的幾率也越大，與交聯(lián)劑形成的體系成膠黏度也就越高[1]。

3.4 GJL-Ⅰ加量對(duì)成膠性能的影響

使用不同GJL-Ⅰ加量配制HPAM-交聯(lián)劑體系，考察了GJL-Ⅰ加量對(duì)其成膠性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖2）。

從圖2可以看出：當(dāng)GJL-Ⅰ加量小于0.4%時(shí)，隨著體系交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間的增長(zhǎng)，體系成膠黏度先升高后趨于穩(wěn)定；當(dāng)GJL-Ⅰ加量為0.4%時(shí)，體系成膠黏度先升高后逐漸降低；當(dāng)GJL-Ⅰ加量小于0.2%時(shí)，72 h體系成膠黏度小于10 000 mPa·s。因此，一定濃度的HPAM與其反應(yīng)所需交聯(lián)劑的量存在一定范圍，隨著交聯(lián)劑加量的增加，交聯(lián)反應(yīng)速率逐漸加快。只有當(dāng)交聯(lián)劑加量在這個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，二者才能形成穩(wěn)定性較好的凝膠。

3.5 礦化度對(duì)成膠性能的影響

使用不同礦化度鹽水配制HPAM-交聯(lián)劑體系，考察了礦化度對(duì)GJL-Ⅰ成膠性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖3）。

從圖3可以看出：礦化度越高，HPAM-交聯(lián)劑體系成膠黏度增長(zhǎng)速度越快，并且體系最大黏度也越高；當(dāng)?shù)V化度高于25 000 mg/L時(shí)，體系成膠黏度隨時(shí)間增長(zhǎng)先升高后緩慢降低。這是由于金屬離子屏蔽了HPAM分子鏈上羧基間的靜電斥力，導(dǎo)致HPAM分子線團(tuán)發(fā)生收縮，進(jìn)而交聯(lián)劑分子不容易進(jìn)入HPAM分子鏈內(nèi)部，發(fā)生在HPAM分子內(nèi)交聯(lián)概率降低，分子間交聯(lián)概率增加，黏度增長(zhǎng)速度加快[2]。當(dāng)金屬離子含量過(guò)高時(shí)，HPAM-交聯(lián)劑反應(yīng)生成的空間結(jié)構(gòu)變得比較緊湊，并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，空間結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，其中包裹的水會(huì)慢慢從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中擠出，逐漸造成脫水現(xiàn)象，從而導(dǎo)致體系黏度降低。

圖2 GJL-Ⅰ加量對(duì)成膠性能的影響

圖3 礦化度對(duì)GJL-Ⅰ成膠性能的影響

3.6 油田污水中的成膠性能

油田污水中含有多種復(fù)雜成分，故對(duì)HPAM及凝膠體系的影響非常明顯。實(shí)驗(yàn)用長(zhǎng)慶油田X聯(lián)合站油田注入水在60℃條件下，對(duì)合成的交聯(lián)劑GJL-Ⅰ進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖4）。

圖4 油田污水中的成膠性能

從圖4可以看出：隨著時(shí)間延長(zhǎng)，體系成膠黏度先逐漸升高后基本保持不變；72 h時(shí)，體系成膠黏度可達(dá)到40 000 mPa·s左右，因此交聯(lián)劑GJL-Ⅰ和HPAM使用現(xiàn)場(chǎng)污水配制所得的交聯(lián)體系具有較好的成膠性能。

4 結(jié)論

本文通過(guò)氧化還原反應(yīng)和絡(luò)合反應(yīng)合成出了一種鉻型交聯(lián)劑GJL-Ⅰ，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出結(jié)論如下：

（1）交聯(lián)劑GJL-Ⅰ凝點(diǎn)低至-24℃，能夠滿(mǎn)足低溫苛刻條件下施工，在-15℃和60℃條件下交替放置15 d后，交聯(lián)劑GJL-Ⅰ交聯(lián)活性保持不變，并能與不同廠家HPAM形成性能較好的凝膠。

（2）交聯(lián)劑GJL-Ⅰ存在最佳使用濃度，加量較小時(shí)，生成的凝膠黏度也較小，無(wú)法封堵地層孔道，加量較大時(shí)，發(fā)生過(guò)交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致凝膠體系穩(wěn)定性變差。

（3）使用現(xiàn)場(chǎng)污水配制的HPAM-GJL-Ⅰ的凝膠體系反應(yīng)所形成的凝膠具有較好的性能，72 h時(shí)體系成膠黏度可達(dá)到40 000 mPa·s左右。