化學劑組分濃度對聚合物凝膠成膠性能影響研究

董智煜

摘要：為了更好的揭示聚合物凝膠體系的成膠規律，利用布氏粘度儀對不同化學劑濃度下聚合物凝膠體系成膠粘度及成膠時間進行表征。研究結果表明：凝膠體系隨著聚合物以及鉻交聯劑濃度的增加成膠時間下降、成膠強度增加，硫脲作為穩定可以有效的延緩成膠時間而對成膠強度影響較小。綜合考慮成膠時間及成膠強度，最佳的聚合物凝膠體系配方為濃度為2500mg/L的聚合物+質量分數為為0.3%的鉻交聯劑醋酸鉻+質量分數分別為0.03%的硫脲。

關鍵詞：組分濃度；成交時間；成交強度

中圖分類號：TQ 325 文獻標識碼：A 文章編號：

1671-0460（2017）01-0051-03

非均質油藏隨著不斷的深入開發綜合很水率持續升高，大量的研究表面調整非均質油藏吸水剖面，擴大中、低滲透層的波及體積是增加原油產量的重要技術措施。目前，大慶油田采用的聚合物驅油技術可以改善流度比但不能實現非均質油藏的深部調剖。為了實現油藏深部調驅，就需要調剖劑可以運移至油層深部并有效的封堵孔隙介質中的大孔道，這就對調剖劑的性能提出了更高得要求。筆者選擇聚合物凝膠體系作為研究對象，綜合考慮成膠時間及成膠強度，開展了各化學劑組分濃度對聚合物凝膠成膠性能影響規律研究。

1 實驗條件

1.1 實驗材料

實驗用水：人工合成鹽水，礦化度為3700mg/L，模擬大慶油田離子組成；

聚合物：ASHI，有效含量90%，相對分子質量1.6×10⁴；

鉻交聯劑：醋酸鉻，有效質量分數55%，化學純；

穩定劑：硫脲，分析純；

實驗溫度：45℃；

1.2 實驗儀器

磁力攪拌器；電子分析天平；恒溫振蕩水浴；數顯攪拌器；采用Borkoefidl公司生產的布氏粘度儀（美國）。

1.3 實驗方法

凝膠體系配制：將聚合物、鉻交聯劑以及新型穩定劑按照一定的濃度配制聚合物凝膠溶液。通過固定三種化學劑中兩種化學劑的用量，利用單一變量法分別研究各組分濃度對聚合物凝膠體系成膠性能的影響。

成膠性能定義：定義體系從聚合物溶液轉化為聚合物凝膠體系的時間為成膠時間，也可以將溶液配制文成到體系表觀粘度、彈性模量增大的時間段定義為成膠時間。此時，利用布氏粘度儀在6rad/min條件下測定凝膠體系的粘度值作為衡量成膠強度的標準。

評價方法：按設計濃度配置溶液，密封后放入45℃恒溫箱，實驗初期每小時對樣品進行粘度測試，6h候改為每2h測定以此粘度，48h后改為24h測定以此，直至體系成膠。

2 實驗結果分析

2.1 聚合物濃度對調驅劑成膠性能的影響

為了研究聚合物濃度對聚合物凝膠體系成膠性能的影響規律，先固定鉻交聯劑醋酸鉻的質量分數為為0.3%；新型穩定劑硫脲的質量分數為0.03%，通過改變凝膠體系中聚合物濃度分別為1000、1500、2000、2500、3000、3500mg/L。以此評價聚合物濃度對膠體系成膠性能的影響，實驗結果分別如圖1所示。

實驗結果表明：凝膠體系隨著聚合物濃度的增加成膠時間下降、成膠強度增加。當聚合物濃度為1000mg/L時，凝膠體系的成膠時間為25h，成膠粘度只有2080mPa·s，雖然成膠時間長可以保證溶液有效的運移至油層深部，但是成膠強度過低無法滿足非均質油藏的調驅需求。在低質量濃度的聚合物用量情況下，聚合物分子呈現出卷曲的形態，無法有效的發生分子間的交聯，而分子內的交聯使凝膠離子分散在水中而無法形成網狀結構。當進一步增加聚合物濃度時，凝膠體系的成膠時間縮短，成膠性能變強。當聚合物濃度增加至300mg/L時，凝膠體系的成膠時間為17h，成膠粘度只有13568mPa·s。此時聚合物質量濃度過大，聚合物凝膠體系的成膠時間縮短，雖然成膠后強度大幅度提高，但是過快的成膠不利于體系運移至油藏深部無法實現深部調驅。這主要是由于隨著聚合物濃度的增加溶液中羧基的含量增大，這增加了羧基與溶液中醋酸鉻釋放的cr³⁺相互碰撞的幾率，羧基與cr³⁺發生絡合反應形成了網狀結構。聚合物濃度越高，這種絡合反應速度越快，形成的網狀結構越穩定，聚合物高分子鏈互相纏繞、運動阻力明顯增大，凝膠體系粘度增加。

調驅劑的深部調驅。在油田調驅過程中，綜合考撞的幾率慮聚合物吸附、滯留效應、成膠速度，聚合物濃度在2000至3000mg/L的范圍內為益，最佳濃度為2500mg/L。聚合物濃度越高，凝膠體系的粘度越大。這是由于濃度增大，溶液中的梭基含量增加，與交聯劑釋放的cr³⁺碰撞的幾率增加，使二者絡合加快，強度加大，即構成了膠體網絡結構的結點速度增加，所以，較濃度低的聚合物形成的膠體速度增加，使得成膠速度變快。其次，聚合物濃度的增加高分子鏈相互纏結的幾率明顯增大，體系成膠逐漸形成三維穩定結構，分子運動時的阻力增大，最終導致黏度的增加。

2.2 鉻交聯劑濃度對調驅劑成膠性能的影響

為了研究鉻交聯劑濃度對聚合物凝膠體系成膠性能的影響規律，先固定聚合物的濃度為2500mg/L；新型穩定劑硫脲的質量分數為0.03%，通過改變凝膠體系中鉻交聯劑質量分數分別為0.2%、0.3%以及0.4%。以此評價鉻交聯劑濃度對膠體系成膠性能的影響，實驗結果分別如圖2所示。

不同濃度的醋酸鉻對聚合物凝膠體系成膠性能影響規律結果表明：隨著溶液中醋酸鉻濃度的增加，聚合物凝膠體系的成膠粘度增大，成膠時間降低。當溶液中醋酸鉻的質量分數為0.2%時，凝膠體系的成膠時間為25h，成膠粘度只有7200mPa·s；當醋酸鉻的質量分數為0.3%時，凝膠體系的成膠時間降低至19h，成膠粘度增加至9500mPa·s；當進一步提高醋酸鉻的質量分數至0.4%，凝膠體系的成膠時間降低至16.5h，成膠粘度升高至10700mPa·s。由圖2曲線規律可以得出，當溶液中鉻交聯劑濃度由0.2%提高至0.3%時，交聯劑濃度對凝膠體系的成膠性能影響較大，成膠強度隨鉻交聯劑濃度的提高而大幅度上升；當鉻交聯劑濃度處于0.3至0.4%之間時，凝膠體系的成膠強度上升幅度趨于平緩。因此當凝膠體系中鉻交聯劑濃度為0.3%處于拐點，為最佳的濃度值。

醋酸鉻屬于金屬離子螯合劑，其與聚合物在較低的溫度時即可形成金屬螯合物。醋酸鉻在溶液中需要經過絡合、水解、羥橋和進一步水解及羥橋作用形成多核羥橋絡離子，Cr³⁺可以與聚合物支鏈上的羧基形成凝膠。溶液中隨著醋酸鉻的質量分數增加，釋放Cr³⁺的速度增加，成膠時間變短。并且形成的網狀結構更加穩定，交聯密度增強，所以成膠粘度增大。

2.3 硫脲濃度對調驅劑成膠性能的影響

為了研究穩定劑硫脲濃度對聚合物凝膠體系成膠性能的影響規律，先固定聚合物的濃度為2500mg/L；鉻交聯劑醋酸鉻的質量分數為為0.3%；通過改變凝膠體系中硫脲的質量分數分別為0.02%、0.03%、以及0.04%。以此評價硫脲濃度對膠體系成膠性能的影響，實驗結果分別如圖3所示。

聚合物凝膠體系中硫脲濃度對成膠性能的影響規律表明：隨著穩定劑硫脲的質量分數增加，凝膠體系的成膠強度小幅度降低，但成膠時間增大。當硫脲濃度處于0.02%至0.03%之間時，隨著硫脲濃度的增加凝膠體系的成膠粘度由9900mPa·s下降至9500mPa·s，降低幅度較小，而此時成膠時間由14h增加至19h；當當硫脲濃度處于0.03%提高至0.03%時，成膠強度下降至8200mPa·s，而成膠時間提高至24h。實驗結果表明了：硫脲濃度的增加可以有效的延緩凝膠體系的成膠時間，但是對成膠粘度影響較小。綜合考慮成膠時間及成膠強度，當硫脲的質量分數為0.03%，成膠性能最佳。

硫脲作為一種抗氧化劑可以再凝膠體系中起到穩定的作用，延緩了羧基和Cr³⁺的絡合反應速度。一方面這是由于硫脲可以抑制溶液中溶解的氧和細菌，防止他們的存在而導致的聚合物降解，起到保護凝膠體系的作用。另一方面，硫脲在溶液中可以可以形成一個半徑為0.35nm的螺旋狀孔道，孔道內包裹短側鏈異構烷烴而形成絡合物。脲硫通過形成配位共價鍵的Cr³⁺-COO^-絡合物而保護活性高的Cr³⁺離子，提供延緩交聯體系。

3 結束語

凝膠體系隨著聚合物以及鉻交聯劑濃度的增加成膠時間下降、成膠強度增加，硫脲作為穩定可以有效的延緩成膠時間而對成膠強度影響較小。綜合考慮成膠時間及成膠強度，最佳的聚合物凝膠體系配方為濃度為2500mg/L的聚合物+質量分數為為0.3%的鉻交聯劑醋酸鉻+質量分數分別為0.03%的硫脲。