纖維素醚凝膠強(qiáng)度的測(cè)定方法

張靜，蘇延輝，史斌，黃毓祥，鄭曉斌，耿學(xué)禮(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

0 引言

油田堵水、調(diào)剖處理中應(yīng)用最為廣泛的是聚合物凍膠類調(diào)剖劑，然而近年來溫敏熱可逆凝膠纖維素醚堵調(diào)體系逐漸成為稠油油藏堵水調(diào)剖的研究熱[1]。纖維素醚的凝膠強(qiáng)度是地層實(shí)現(xiàn)封堵作用最重要的指標(biāo)之一，但是其強(qiáng)度測(cè)試方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)價(jià)凍膠強(qiáng)度常用的方法，如觀察法—一種直接、經(jīng)濟(jì)的測(cè)試凍膠強(qiáng)度的方法，利用凍膠的強(qiáng)度代碼表判斷欲測(cè)凝膠強(qiáng)度的級(jí)別[2]；旋轉(zhuǎn)法—通常用到的儀器有布氏黏度計(jì)和流變儀，布氏黏度計(jì)測(cè)試樣品的溫度限制在90 ℃以內(nèi)[3]；突破真空度法—利用空氣突破凍膠時(shí)壓力表最大的讀數(shù)代表了凍膠的強(qiáng)度[4]。凍膠的成膠機(jī)理是在高分子溶液中加入交聯(lián)劑，交聯(lián)劑與高分子鏈通過化學(xué)鍵連接形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將液相包在其中，從而使整個(gè)體系失去流動(dòng)性，則轉(zhuǎn)變?yōu)閮瞿z，此過程不具有可逆性，屬于化學(xué)變化。而纖維素醚的凝膠機(jī)理是低溫時(shí)，纖維素醚大分子被小分子的水通過氫鍵作用包圍，形成水溶液，隨著溶液的溫度升高，氫鍵作用遭到破壞，纖維素醚大分子通過疏水基團(tuán)作用聚集在一起從而形成凝膠的狀態(tài)，此過程是物理變化[5]。雖然兩者成膠機(jī)理不同，但是外觀卻有類似的狀態(tài)，即在三維空間上形成不可流動(dòng)的半固體狀態(tài)。凍膠強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法是否適用評(píng)價(jià)纖維素醚凝膠的強(qiáng)度需要探索和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文采用評(píng)價(jià)凍膠強(qiáng)度的觀察法、旋轉(zhuǎn)法和突破真空法3種傳統(tǒng)方法去評(píng)價(jià)纖維素醚凝膠的強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上形成了一種正向壓力突破法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

電熱恒溫水浴鍋，DZKW-S-6，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；高溫高壓流變儀，MARSⅢ，德國(guó)HAAKE公司公司；循環(huán)水式多用真空泵，SHB-III，鞏義市瑞德儀器設(shè)備有限公司；傳感器，DP1701-EL1D1G，寶雞百事得控制技術(shù)有限公司；壓力采集系統(tǒng)，山東中石大石儀科技有限公司；比色管，100 mL，天津天科玻璃儀器制造有限公司；耐高溫玻璃瓶，120 mL，德國(guó)肖特玻璃廠；高純氮，天津高創(chuàng)寶蘭氣體有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品及制備

羥丙基甲基纖維素醚，60RT400，泰安瑞泰纖維素有限公司；將2 g、3 g和4 g羥丙基甲基纖維素醚分別溶于80 ℃的50 mL熱水中，攪拌均勻后加入25 ℃的50 mL冷水，樣品完全溶解后形成濃度分別為0.02 g/mL、0.03 g/mL和0.04 g/mL的纖維素醚溶液。

1.3 纖維素醚凝膠強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法

(1)采用觀察法測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中采用的寬口耐高溫玻璃瓶容量均為120 mL，纖維素醚溶液的體積為50 mL。將配制好濃度為0.02 g/mL、0.03 g/mL和0.04 g/mL的纖維素醚溶液置于耐高溫玻璃瓶中，不同溫度下將其倒置，依據(jù)凝膠強(qiáng)度代碼對(duì)以上三種不同濃度的纖維素醚水溶液的成膠強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

(2)采用旋轉(zhuǎn)法測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器采用高溫高壓流變儀，選取濃度為2%的纖維素醚水溶液置于轉(zhuǎn)筒中進(jìn)行測(cè)試，升溫速度是5 ℃/10 min，剪切速率是50 s-1，測(cè)試時(shí)間1 min，升溫范圍40～110 ℃。

(3)采用突破真空度法測(cè)試。將盛有凝膠的比色管按圖1順序連接起來，開啟真空泵，讀取空氣突破凝膠時(shí)壓力表最大讀數(shù)，每個(gè)樣品均操作三次取平均值。

(4)采用正向壓力法測(cè)試。根據(jù)突破真空度法的原理，我們對(duì)此實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn)，采用正向壓力突破的方法。將裝有凝膠的比色管按圖2連接起來，采用壓力采集系統(tǒng)測(cè)試?yán)w維素醚凝膠的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中凝膠的用量為50 mL，比色管的容量為100 mL，內(nèi)徑為3 cm，插入凝膠中圓管的內(nèi)徑為1 cm，插入深度為3 cm。緩慢開啟氮?dú)馄康拈_關(guān)，當(dāng)看到顯示的壓力數(shù)據(jù)突然大幅度下降時(shí)，取最高點(diǎn)為突破凝膠所需強(qiáng)度值，每個(gè)樣品均操作三次取平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 觀察法對(duì)測(cè)試?yán)w維素醚凝膠強(qiáng)度的適用性

用觀察法評(píng)價(jià)纖維素醚凝膠強(qiáng)度的結(jié)果如表1所示，以濃度為0.02 g/mL的纖維素醚溶液為例，可知在溫度為65 ℃時(shí)強(qiáng)度級(jí)別為A，隨著溫度的升高強(qiáng)度開始增大，至75 ℃的時(shí)候呈現(xiàn)凝膠的狀態(tài)，強(qiáng)度級(jí)別由B轉(zhuǎn)變?yōu)镈，溫度升高至120 ℃時(shí)強(qiáng)度級(jí)別為F?？芍撛u(píng)價(jià)方法的評(píng)價(jià)結(jié)果只是顯示了凝膠的強(qiáng)度級(jí)別，而不能用數(shù)據(jù)來表示凝膠的具體強(qiáng)度，即定性而不能定量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、直觀，可以利用此方法廉價(jià)的篩選到所需強(qiáng)度的凝膠。

表1 不同溫度下不同濃度纖維素醚凝膠的強(qiáng)度

2.2 旋轉(zhuǎn)法對(duì)測(cè)試?yán)w維素醚凝膠強(qiáng)度的適用性

用旋轉(zhuǎn)法評(píng)價(jià)纖維素醚凝膠強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度下纖維素醚的黏度

當(dāng)溶液加熱到80 ℃的時(shí)候，溶液的黏度為61 mPa·s，之后黏度迅速上升，100 ℃的時(shí)候黏度達(dá)到最大值為46 790 mPa·s，之后強(qiáng)度下降。與之前觀察到的65 ℃時(shí)羥丙基甲基纖維素醚水溶液的黏度開始增大，75 ℃左右時(shí)出現(xiàn)凝膠并且強(qiáng)度一直增大的現(xiàn)象不符合。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是測(cè)試?yán)w維素醚凝膠強(qiáng)度時(shí)由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致凝膠破碎，造成后續(xù)溫度下凝膠強(qiáng)度的數(shù)據(jù)不正確。因此，此方法不適合評(píng)價(jià)纖維素醚凝膠的強(qiáng)度。

2.3 突破真空度法對(duì)測(cè)試?yán)w維素醚凝膠強(qiáng)度的適用性

用突破真空度法評(píng)價(jià)纖維素醚凝膠強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，此種方法不涉及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以避免轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的膠體剪切破碎的問題。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知此方法可以定量測(cè)試凝膠的強(qiáng)度，當(dāng)溫度為100 ℃時(shí)，濃度為4%的纖維素醚凝膠的強(qiáng)度大于0.1 MPa(真空度最大值)，無法測(cè)量強(qiáng)度大于0.1 MPa的凝膠的強(qiáng)度，即此方法測(cè)試凝膠強(qiáng)度的上限為0.1 MPa。此實(shí)驗(yàn)中纖維素醚凝膠后的強(qiáng)度大于0.1 MPa，所以此方法不適合評(píng)價(jià)纖維素醚凝膠的強(qiáng)度。

2.4 正向壓力法對(duì)測(cè)試?yán)w維素醚凝膠強(qiáng)度的適用性

用正向壓力法評(píng)價(jià)纖維素醚凝膠強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可知此方法可以定量測(cè)試強(qiáng)度為0.1 MPa以上的凝膠。實(shí)驗(yàn)中采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對(duì)于真空度法中人為讀取數(shù)據(jù)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。

表2 不同溫度下不同濃度的纖維素醚凝膠的強(qiáng)度

表3 不同溫度下不同濃度的纖維素醚凝膠的強(qiáng)度

3 結(jié)語

纖維素醚凝膠強(qiáng)度隨著溫度的升高整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。旋轉(zhuǎn)法和突破真空度法不適用于測(cè)定纖維素醚凝膠的強(qiáng)度。觀察法只能定性測(cè)定纖維素醚凝膠的強(qiáng)度，新增的正向壓力法可定量測(cè)試?yán)w維素醚凝膠的強(qiáng)度。