油田調(diào)驅(qū)用聚合物溶解時(shí)間測定及成膠情況評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

吳 婧

(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)

目前，石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中檢測干粉聚合物溶解時(shí)間是在室內(nèi)攪拌溶解 2 h，然后通過肉眼觀察或過濾因子進(jìn)行判斷,最終結(jié)果只能定性判斷溶解時(shí)間小于、等于或大于 2 h[1]。國內(nèi)也有一些對(duì)定量檢測干粉聚合物溶解程度的研究，例如，旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測黏度法[2-3]，即通過在聚合物攪拌過程中，取不同時(shí)刻的樣品測其黏度變化來判斷溶解時(shí)間；落球法[4-5]通過小球在聚合物溶液中的下落時(shí)間來判斷聚合物的溶解時(shí)間。以上方法會(huì)由于測試時(shí)間間隔和人為取樣的差異常常帶來較大誤差。本文研究的速溶干粉聚合物主要應(yīng)用于油田調(diào)驅(qū)領(lǐng)域，其溶解速度快，因此采用電阻率法[3,6]和流變儀法來測試其聚合物的溶解性能，可評(píng)價(jià)不同時(shí)刻聚合物溶液的溶解變化情況，避免還沒來得及取樣測試，聚合物溶液黏度已經(jīng)完全釋放的問題。

速溶干粉聚合物相對(duì)分子質(zhì)量較小，與交聯(lián)劑復(fù)配的成膠液黏度較低，方便注入，成膠性與穩(wěn)定性良好，施工用量少，調(diào)驅(qū)劑配制流程精簡，有廣泛的應(yīng)用市場。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

DV2T旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，美國Brookfield公司；水浴鍋，德國Julabo公司；ML204電子天平，梅特勒-托得多儀器(上海)有限公司；數(shù)顯恒速攪拌機(jī)，上海歐河機(jī)械設(shè)備有限公司；HAAKERS6000流變儀，德國Thermo公司；DDS307電導(dǎo)率儀，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；恒溫烘箱，德國MEMMERT公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

速溶干粉聚合物，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)80%～90%，相對(duì)分子質(zhì)量為400萬～500萬；酚醛復(fù)合交聯(lián)劑，有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%～30%；自來水；蒸餾水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 電導(dǎo)率法

將攪拌器轉(zhuǎn)速設(shè)置為恒定值 (400 r/min)，轉(zhuǎn)子放入用燒杯稱量好的 600 g 自來水中，轉(zhuǎn)子位于距水面2/3深度處，燒杯放入設(shè)置相應(yīng)恒溫下的水浴鍋內(nèi)；將電導(dǎo)率儀的探針放入自來水中，探頭的黑色金屬片需完全浸入于液體中，讀取自來水的電導(dǎo)率值；打開攪拌器開關(guān)，待轉(zhuǎn)子處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將稱取的 3 g 速溶聚合物沿漩渦壁均勻加入水中,開始記錄不同時(shí)刻的聚合物溶液電導(dǎo)率值。

1.3.2 流變儀法

依次啟動(dòng)流變儀的溫控、測量和電腦控制系統(tǒng)，設(shè)置CR(Controlled rate控制剪切速率)模式、PZ38轉(zhuǎn)子、測試溫度等設(shè)備參數(shù)。在儀器調(diào)零后將事先加熱到目標(biāo)溫度的 50 g 自來水和 0.25 g 干粉聚合物勻速加入測量杯內(nèi)，輕輕放入轉(zhuǎn)子，擰緊杯蓋，待測量臺(tái)恢復(fù)到測量位置后開始測量，在電腦端觀察并保存聚合物黏度隨時(shí)間變化的規(guī)律。

1.3.3 聚合物溶解情況及凍膠成膠性測試

在設(shè)定目標(biāo)溫度條件下，將稱量好的干粉聚合物勻速倒入自來水中。在聚合物攪拌溶解過程中，持續(xù)讀取溶液的電導(dǎo)率值/黏度值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，繪制電導(dǎo)率/黏度隨時(shí)間變化曲線圖，取曲線平穩(wěn)值時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為最終聚合物溶解時(shí)間。

聚合物凍膠的成膠性是指在現(xiàn)場作業(yè)施工規(guī)定時(shí)限下，成膠液是否達(dá)到凍膠調(diào)剖調(diào)驅(qū)所需的強(qiáng)度。室內(nèi)對(duì)聚合物凍膠成膠性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要涉及到成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度。采用SZ36-1油田現(xiàn)場水，按一定比例配制凍膠，放入 90 ℃ 恒溫烘箱內(nèi)，每隔一段時(shí)間采用凍膠圖版法[6](圖1)判斷膠體強(qiáng)度，直至膠體強(qiáng)度不再發(fā)生變化，即為凍膠的最終強(qiáng)度。根據(jù)目標(biāo)油田現(xiàn)場調(diào)驅(qū)施工要求，凍膠成膠時(shí)間為2～5 d，成膠強(qiáng)度LM-及以上。

圖1 凍膠強(qiáng)度評(píng)價(jià)圖版

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電導(dǎo)率法測溶解時(shí)間

不同溫度和不同溶劑條件下干粉聚合物溶液電導(dǎo)率變化情況如圖2所示。由圖2可知，相同測試溫度下，自來水作為溶劑時(shí)聚合物溶液電導(dǎo)率高于蒸餾水溶劑，即溶劑中的離子導(dǎo)體會(huì)影響聚合物溶液的導(dǎo)電性；相同溶劑條件下，45 ℃ 聚合物溶液電導(dǎo)率高于 35 ℃,說明聚合物導(dǎo)電性隨溫度的升高而增加，即溫度升高會(huì)促進(jìn)聚合物溶液中電解質(zhì)的離解；隨著攪拌時(shí)間的增加，聚合物溶液電導(dǎo)率均在前 20 s 內(nèi)快速上升，之后一直處于平穩(wěn)狀態(tài)。理想條件下，電導(dǎo)率步入穩(wěn)定時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為干粉聚合物的溶解時(shí)間[2,4]，但取攪拌 20 s 時(shí)的聚合物溶液進(jìn)行觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)溶液中有較多尚未溶解好的膠團(tuán)，因此對(duì)于本文研究的干粉速溶聚合物，電導(dǎo)率儀法測定溶解時(shí)間存在局限性。

圖2 干粉聚合物溶液電導(dǎo)率與攪拌時(shí)間的關(guān)系曲線(聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%)

2.2 流變儀法測溶解時(shí)間

不同測試溫度下，干粉聚合物溶液黏度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。測試數(shù)據(jù)初期，由于儀器剛啟動(dòng)的緣故，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速尚未達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，受力不均衡，導(dǎo)致黏度值有一個(gè)短時(shí)間快速下降的過程，因此不納入聚合物溶液黏度的變化規(guī)律中。觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干粉聚合物溶液黏度先隨攪拌時(shí)間的增加而大幅增加，之后基本步入穩(wěn)定階段，伴隨小幅波動(dòng)，代表聚合物溶液黏度接近于完全釋放，即聚合物基本處于完全溶解狀態(tài)。由測試結(jié)果可知，0.5%干粉聚合物在 35 ℃ 時(shí)溶解時(shí)間為 7 min，在 45 ℃ 時(shí)溶解時(shí)間為 5.5 min,在 55 ℃ 時(shí)溶解時(shí)間為 4.5 min。溫度的升高有助于干粉聚合物的溶解，可在一定程度上縮短溶解時(shí)間。

圖3 流變儀測試干粉聚合物溶液黏度變化曲線(自來水配制聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%)

分別取 35 ℃、45 ℃、55 ℃ 條件下經(jīng)流變儀測量系統(tǒng)攪拌7、5.5、4 min 時(shí)的干粉聚合物溶液，觀察溶解情況，發(fā)現(xiàn)溶液中聚合物溶解情況良好，沒有膠團(tuán)和魚眼產(chǎn)生，說明通過流變儀測試溶液黏度的變化來判斷干粉聚合物溶解時(shí)間的測試方法可行。

2.3 速溶干粉聚合物特點(diǎn)及成膠情況評(píng)價(jià)

根據(jù)室內(nèi)干粉聚合物溶解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該速溶聚合物在目標(biāo)油田產(chǎn)出液溫度范圍內(nèi)(35～55 ℃)的溶解時(shí)間為4～7 min，不僅大大地縮短了現(xiàn)有海上油田用干粉聚合物的溶解時(shí)間，也可減少常規(guī)干粉聚合物的溶解熟化裝置，為其他作業(yè)施工節(jié)省平臺(tái)空間。用自來水配制聚合物交聯(lián)凍膠體系，配方為0.5%速溶干粉聚合物+0.5%酚醛復(fù)合交聯(lián)劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，肉眼觀察成膠液呈均一黏稠狀、無絮狀物和沉淀物產(chǎn)生，配伍性良好；使用DV-2T旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，00號(hào)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為 6 r/min，測量室溫下成膠液初始黏度值為 105.2 mPa·s，溶液黏度較低，方便現(xiàn)場注入；將復(fù)配的成膠液置于入 90 ℃ 的烘箱進(jìn)行成膠評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 聚合物凍膠成膠實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，隨著速溶干粉聚合物和酚醛復(fù)合交聯(lián)劑的增加，凍膠成膠時(shí)間減短，成膠強(qiáng)度逐步增強(qiáng)，成膠時(shí)間縮短。樣品在烘箱放置3個(gè)月后膠體脫水較少或未脫水。當(dāng)速溶干粉聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，酚醛復(fù)合交聯(lián)劑為0.5%時(shí)，凍膠最終成膠強(qiáng)度達(dá)到了油田調(diào)驅(qū)凍膠需求強(qiáng)度LM-，成膠時(shí)間為 2.5 d，滿足海上油田調(diào)驅(qū)施工要求，且與乳液聚合物用量相比，大大減少了聚合物的用量，可節(jié)約施工成本。

3 結(jié)論

1)電導(dǎo)率法通過聚合物溶液中電解質(zhì)離解的離子導(dǎo)體導(dǎo)電性的變化來判定聚合物的溶解時(shí)間，不同溶劑和不同溫度條件均對(duì)電導(dǎo)率結(jié)果產(chǎn)生影響，但溶液電導(dǎo)率穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間與聚合物溶解時(shí)間情況不相符，因此電導(dǎo)率法判斷本文研究的速溶干粉聚合物溶解時(shí)間不可行。

2) 流變儀法可詳細(xì)記錄速溶干粉聚合物攪拌溶解時(shí)黏度隨時(shí)間的變化情況，避免因取樣產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差。溶劑溫度的升高對(duì)干粉聚合物的溶解有促進(jìn)作用，即溫度升高，干粉聚合物溶解時(shí)間縮短。

3)本文研究的速溶干粉聚合物適用于油田調(diào)驅(qū)，比常規(guī)干粉聚合物相對(duì)分子質(zhì)量小，溶解速度快，可減少膠液配置時(shí)間，精簡調(diào)驅(qū)劑配制流程；比乳液聚合物用量少，能節(jié)約作業(yè)施工成本，成膠強(qiáng)度和穩(wěn)定性均能達(dá)到現(xiàn)場施工要求。