簡述提高聚合物類凝膠調剖劑表觀黏度測定復現率的方法

陳芳，趙迪，盛建宇

1.中國石油大慶油田有限責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剖劑表觀黏度測定復現率的方法

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剖劑黏度的測定方法，分析了影響調剖劑表觀黏度的因素，并對解決表觀黏度測定復現率低的問題進行了闡述。建議用先進的旋轉流變儀測定聚合物凝膠類調剖劑特性黏度的方法提高調剖劑黏度測定的復現性，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;復現率;調剖劑

目前'聚合物驅油仍然是油田保持持續發展的重要措施。表觀黏度是評價聚合物類凝膠調剖劑的重要參數。調剖劑成膠黏度測定的準確性'會直接影響到調剖劑產品的質量'因此也會影響調剖劑的封堵效果和產油量。

黏度是液體的重要物理性質和技術指標之一'黏度的準確測定在許多工業部門和科學研究領域中都具有重要意義，特別是在石油化工、醫藥、冶金、食品等行業中[1-2］。黏度測定技術一直以來備受關注，有關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'有旋轉黏度、落球黏度、毛細管黏度等'但用旋轉黏度計測定液體黏滯系數是目前最為普遍采用的方法。對目前廣泛使用的旋轉黏度計的檢測機理做了進一步的分析，用具有代表性的旋轉柱體測定方法測量調剖劑的表觀黏度，并對取樣方法進行改進從而提高了調剖劑表觀黏度測定復現率。

1 旋轉黏度計檢測機理分析及其適用條件

旋轉流變儀是旋轉黏度計的一種'但旋轉流變儀和旋轉黏度計的結構與性能不相同。

1.1 旋轉流變儀的組成及測量原理

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

旋轉流變儀的測量原理:旋轉流變儀開機后首先要檢測零點'然后在半徑R1的外筒里同軸地安裝半徑R2的內筒'內外筒之間充以待測液體，同步電機以穩定的速度旋轉'外力使二圓柱體之一勻速轉動，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部將出現速度梯度，于是在液體中產生了內摩擦。由于內摩擦的作用，在旋轉柱體上施加一個切應力，利用測量此切應力即可計算液體黏度值。

1.2 旋轉流變儀和旋轉黏度計的區別

旋轉黏度計和旋轉流變儀是2種不同的流變學測試儀器。黏度計具有動態特性'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流變性[4］。

旋轉黏度計的測試方法比較單一'只能測試流體在一定轉速條件下的黏度。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'可以給出一個連續的轉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;流變儀的優點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 旋轉黏度計的正確使用方法

根據黏度計的測量原理'為了獲得準確可靠的測量數據必須正確使用旋轉黏度計才能得到正確的測量結果。

1.3.1 黏度計的性能指標必須滿足國家計量檢定規程要求

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

1.3.2 特別注意被測液體溫度

許多人忽視這一點'認為溫度差一點無所謂。但實驗證明:當溫度偏差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定的溫度點附近'精確測量最好不要超過0.1℃。

1.3.3 測量容器的選擇

對應雙筒旋轉黏度計'不同的轉子(內筒)匹配相應的外筒'否則測量結果會偏差巨大。

1.3.4 正確選擇旋轉轉子或調整轉速

如果選擇合適的轉子或轉速使讀數示值在20%～90%之間其相對誤差最小'如果示值超出該范圍'產生的扭矩過大'容易產生蠕變'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子和轉速。

1.3.5 黏度計轉子浸沒液體的深度及氣泡的影響

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

1.3.6 黏度計轉子的清洗

測量的轉子要清潔污物'因為黏度計的轉子表面有嚴重的刮痕時會帶來測量結果的偏差。

2 影響調剖劑表觀黏度測定的因素

表觀黏度是指剪切應力被剪切速率除得的與剪切速率相依的商數[5］。表觀黏度是評價凝膠型調剖劑溶液性能的重要指標。SY/T 5590-2004《調剖劑性能評價方法》[7］標準中要求每次檢測至少做2個平行樣'如能達到相對誤差±5%的要求時'測量結果具有復現性'測量數據可取;若測量2次沒有達到要求'則需要繼續測量直至達到復現要求。

2013年共檢驗調剖劑樣品85組'檢測一個樣品需要測定7個點'對2013年3月至2014年2月以來檢測的85組調剖劑、595個檢測點進行了調查'部分調查結果見表1。

從統計結果可以看出'僅有273個測定點測量2次就能達到復現要求'測定復現率為46%。有322個測定點至少需要測量3次以上才能達到要求'復現率達不到要求的占54%以上'導致檢測樣品時至少要多測量300次以上。

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

3 凝膠類調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各種影響因素，造成特性黏度測定結果的差異[6］。

調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，選擇適當的轉子和轉速，測定試樣的黏度。每個實驗數據均為3次以上測定結果的平均值。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，故測定凝膠時采用密閉系統，采用同一轉子和轉速。

針對以上問題'經過大量實驗找到兩條解決方法:①改變樣品量取方法;②改變測量參數。

3.1 改變樣品量取方法

3.1.1 樣品數量對成膠黏度的影響

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

從表2中可以看出'取樣數量的多少對成膠黏度的測定結果有很大的影響'只有樣品數量在58～62mL時測定誤差復現率都符合標準要求;當樣品數量小于57mL或大于63mL時'測定復現率低'誤差超出標準要求。取樣量的多少直接影響測量數據復現性。

表1 調剖劑表觀黏度測定誤差結果統計表

3.1.2 取樣方法的改變

經過反復討論、實驗'確定了準確量取高黏液體體積的取樣方法。通過數顯密度計測量成膠前調剖劑溶液的密度'計算稱量60mL樣品所需要的質量。經過測量調剖劑溶液密度大多數都在1.02g/cm3左右'因此60mL樣品即相當于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用新的取樣方法進行了人員測試比對實驗'實驗結果見表3。

從表3中可以看出改變取樣方法后'不同取樣人取樣量的準確度明顯提高'都在58～62g'減少了人員之間的取樣誤差。這一方法的運用對提高調剖劑表觀黏度測定復現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個檢測點中'該方法得到成功應用。

3.2 改變測量參數

根據調剖劑黏度的大小選擇適合的轉子和轉速'正確選擇旋轉轉子和調整轉速'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'產生的扭矩過大'容易產生蠕變'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子和轉速。

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'在同等試驗條件下'改變剪切參數'采用正交試驗設計'選取最佳剪切參數。按正交表4進行正交試驗'試驗結果見表5。

從表5中可以看出:第5號實驗的誤差值最低'符合標準要求'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果。

表2 樣品數量對成膠黏度的影響

表3 人員取樣比對表

表4 剪切參數的因素位級表

表5 正交試驗

4 實驗結論

通過上述兩項措施的實施'采用同一儀器對調剖劑成膠黏度進行測定'但是測試曲線卻發生了明顯的改變。改進前后調剖劑測定結果對比圖見圖1。

從圖1可以看出改進前調剖劑黏度測試曲線上下波動很明顯'黏度測定結果很難達到標準相對誤差±5%要求。運用改進后的方法再進行表觀黏度測

圖1 改進前后調剖劑成膠黏度測試曲線對比圖

定時曲線的平穩度明顯得到改善'測出樣品的2次復現率明顯提高'達到標準要求。

2014年6月以后檢測的調剖劑數據進行統計'結果見表6。

共統計469個檢測點'其中385個檢測點'僅需測定2次就達到復現要求'復現率為82%。

通過以上實驗與討論'建議用先進的旋轉流變儀測定聚合物凝膠類調剖劑特性黏度的方法可以提高調剖劑黏度測定的復現性'在理論上和實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 改進后調剖劑成膠黏度測定誤差結果統計表

[1］INALEM M，MAFFETTONE P.Morphology estmi ation from NormalStress M easurem en ts for D ilute Imm iscib le polymer blends[J］.Rheologica Acta(S0035-4511)，2003，42(1): 158-165.

[2］M I I'M ISH INARI K.Non-N ewtonian F low Behaviour of Gellan Gum Aqueous So lutions[J］.Colloid and Polymer Science(S0303-402X)，1999，277(8):727-734.

[3］高桂麗'李大勇'石德全.液體黏度測定方法及裝置研究現狀與發展趨勢簡述[J］.化工自動化及儀表'2006'33(2): 65-70.

[4］矯正.關于旋轉黏度計/流變儀的命名和分類[J］.中國血液流變學雜志'2004'14(2):240-242.

[5］劉元俊'陳惠釗'李珍.聚合物黏度的測量標準及特性黏數的獲得[J］.工程塑料應用'1997'25(4):36-39.

[6］劉加好.干法腈綸聚合物特性黏度測定的影響因素[J］.齊魯石油化工'2011'39(2):156-159.

[7］SY/T 5590-2004調剖劑性能評價方法[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'主要從事油田化學入井流體質量檢驗、調剖及油層保護等方面的研究工作。