鉻型交聯劑GJL-Ⅰ的研制及性能評價

劉貴賓，史黨偉，連宇博，呂俊華，魏亞軍，黃 晨

（西安長慶化工集團有限公司，陜西西安 710018）

1 實驗材料及評價方法

1.1 試劑及儀器

藥品：不同廠家生產的六種國產聚合物（HPAM），均為粉劑，理化參數（見表 1）；NaCl、MgCl2、CaCl2等均為分析純。

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

表1 實驗用聚合物理化參數

1.2 實驗方法

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交聯劑，攪拌均勻，然后密封。

凝膠黏度的測定：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型旋轉黏度計在60℃和6 s-1條件下測定其黏度。

2 交聯劑GJL-Ⅰ的合成

將有機酸加到一個配有溫度計、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6 h～8 h；冷卻至室溫，往燒瓶中加入稱量好的延緩劑和穩定劑，攪拌20 min～40 min，制得有機鉻交聯劑GJL-Ⅰ。

有機鉻交聯劑GJL-Ⅰ為墨綠色液體，pH值在6～8，Cr3+含量在 3.5%左右。

3 交聯劑GJL-Ⅰ的性能評價

3.1 GJL-Ⅰ的穩定性

將鉻型交聯劑GJL-Ⅰ在-15℃和60℃條件下交替放置 15 d后進行性能評價[1，2]，評價結果（見表2）。

表2 GJL-Ⅰ穩定性評價結果

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

3.2 不同廠家聚合物對成膠性能的影響

使用不同廠家聚合物配制HPAM-交聯劑體系，考察了不同廠家聚合物對GJL-Ⅰ成膠性能的影響，實驗結果（見表3）。

表3 不同廠家聚合物對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均能發生交聯反應，二者反應72 h時所生成的凝膠黏度可達到20 000 mPa·s左右，說明GJL-Ⅰ對國產聚合物的交聯性能良好，是一種具有普適性的交聯劑。

3.3 聚合物相對分子質量對成膠性能的影響

使用不同相對分子質量聚合物配制HPAM-交聯劑體系，考察了聚合物相對分子質量對GJL-Ⅰ成膠性能的影響，實驗結果（見圖1）。

圖1 聚合物相對分子質量對GJL-Ⅰ成膠性能的影響

從圖1可以看出：隨著聚合物相對分子質量的增加，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相對分子質量越大，其分子鏈上官能團數量越多，官能團之間相互碰撞和纏繞的幾率也越大，與交聯劑形成的體系成膠黏度也就越高[1]。

3.4 GJL-Ⅰ加量對成膠性能的影響

使用不同GJL-Ⅰ加量配制HPAM-交聯劑體系，考察了GJL-Ⅰ加量對其成膠性能的影響，實驗結果（見圖2）。

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

3.5 礦化度對成膠性能的影響

使用不同礦化度鹽水配制HPAM-交聯劑體系，考察了礦化度對GJL-Ⅰ成膠性能的影響，實驗結果（見圖3）。

從圖3可以看出：礦化度越高，HPAM-交聯劑體系成膠黏度增長速度越快，并且體系最大黏度也越高；當礦化度高于25 000 mg/L時，體系成膠黏度隨時間增長先升高后緩慢降低。這是由于金屬離子屏蔽了HPAM分子鏈上羧基間的靜電斥力，導致HPAM分子線團發生收縮，進而交聯劑分子不容易進入HPAM分子鏈內部，發生在HPAM分子內交聯概率降低，分子間交聯概率增加，黏度增長速度加快[2]。當金屬離子含量過高時，HPAM-交聯劑反應生成的空間結構變得比較緊湊，并且隨著時間的增長，空間結構變得更加緊湊，其中包裹的水會慢慢從網狀結構中擠出，逐漸造成脫水現象，從而導致體系黏度降低。

圖2 GJL-Ⅰ加量對成膠性能的影響

圖3 礦化度對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雜成分，故對HPAM及凝膠體系的影響非常明顯。實驗用長慶油田X聯合站油田注入水在60℃條件下，對合成的交聯劑GJL-Ⅰ進行了性能評價，實驗結果（見圖4）。

圖4 油田污水中的成膠性能

從圖4可以看出：隨著時間延長，體系成膠黏度先逐漸升高后基本保持不變；72 h時，體系成膠黏度可達到40 000 mPa·s左右，因此交聯劑GJL-Ⅰ和HPAM使用現場污水配制所得的交聯體系具有較好的成膠性能。

4 結論

本文通過氧化還原反應和絡合反應合成出了一種鉻型交聯劑GJL-Ⅰ，并對其性能進行了評價，得出結論如下：

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

（2）交聯劑GJL-Ⅰ存在最佳使用濃度，加量較小時，生成的凝膠黏度也較小，無法封堵地層孔道，加量較大時，發生過交聯反應，導致凝膠體系穩定性變差。

（3）使用現場污水配制的HPAM-GJL-Ⅰ的凝膠體系反應所形成的凝膠具有較好的性能，72 h時體系成膠黏度可達到40 000 mPa·s左右。