耐溫耐鹽遇水膨脹橡膠堵劑的制備與性能*

2019-04-30 07:16:30劉曉曉張桂林成衛海李再峰

彈性體 2019年2期

劉曉曉，張瀟，陳康，張桂林，成衛海，李再峰**

(1.青島科技大學生態化工國家重點實驗室培育基地，山東青島 266042；2.中國石化西北油田分公司石油工程技術研究院，新疆維吾爾自治區烏魯木齊 830011；3.山東東營百華石油技術有限公司，山東東營 257100)

近年來，我國大多數油田已進入注水開發的中后期，產水率逐年增加，然而產油率卻逐年降低，因此油井堵水、注水井調剖技術成為提高原油采收率的重要措施[1]。目前采油工程中常采用強凝膠型堵劑，但是強凝膠在地層中易形成堵塞屏障從而喪失流動性[2]。聚合物凝膠類堵劑在高溫高礦化度下不穩定，鹽度的增加會導致凝膠脫水現象的發生[3]。我國西北的塔河油田為裂縫縫洞型巖儲層，具有油藏溫度高(約130 ℃)和礦化度高(2.0×105mg/L)的工況特點，Yang等[4]研究了耐鹽凝膠系統，但仍未達到塔河油田的技術要求。

遇水膨脹橡膠類堵劑具有膨脹后彈性好、強度高等優點，橡膠堵劑逐漸成為塔河油藏采油工藝重要的發展方向。李再峰等[5-6]以聚丙烯酸鈉樹脂(SAP)與聚乙二醇為吸水劑，制備出的遇水膨脹橡膠(WSR)在低于1.0×104mg/L的礦化水中，吸水膨脹行為較好，但未解決吸水劑析出、材料延遲性膨脹等問題。胡曉云等[7]采用聚氨酯(PU)/SAP作為混合吸水劑，制備的WSR材料在低礦化水中表現出良好的吸水膨脹性能，但仍存在吸水樹脂析出、膨脹體積收縮的現象。

現有堵劑難以滿足塔河油藏的施工技術要求，開發出耐溫、耐鹽、延遲膨脹的新型橡膠堵劑具有重要的理論意義和實際應用價值。本文以塔河油田為應用對象，進行了以聚丙烯酰胺(PAM)吸水樹脂和聚醚型PU預聚體協同復合的橡膠堵劑的制備與性能研究，以制備出滿足塔河油藏提高采收率技術要求的新型堵劑。

1 實驗部分

1.1 原料

丁腈橡膠(NBR)：工業品，日本瑞翁公司；氫化丁腈橡膠(HNBR)：工業品，日本瑞翁公司；聚醚型PU預聚體、不飽和單體封端型聚醚PU預聚體：自制；PAM：化學純，山東根榮環境有限公司；固體軟化劑硬脂酸(SA)：化學純，天津市博迪化工有限公司；防老劑445：化學純，廣州金昌盛科技有限公司；增塑劑ZnO：廣州金昌盛科技有限公司；補強劑炭黑、助硫化劑TAIC：羅地亞精細化工添加劑有限公司；硫化劑過氧化二異丙苯(DCP)：化學純，上海方銳達化學品有限公司；對甲苯磺酸：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 儀器及設備

XK-160型開放式煉膠機：上海雙翼橡塑機械有限公司；XB-350×350×12型平板硫化機：青島亞東橡機有限公司；FW100型高速萬能粉碎機：天津泰斯特儀器有限公司； MZ-4102型沖片機、MZ-4000D型電子拉力試驗機、LX-A型邵氏橡膠硬度計：江蘇明珠試驗機械有限公司；510P型紅外光譜儀：美國Nicolet公司。

1.3 礦化水的配制

礦化度通常是指1 L水中所含有的各種鹽分總質量。模擬塔河油藏礦化水，配置的礦化水各鹽分的質量比為m(NaCl)∶m(CaCl2)∶m(MgCl2·6H2O)=7.0∶0.6∶0.4，配制成礦化度為2.0×105mg/L的塔河礦化水。新疆塔河油田油藏地下水的各種離子含量見表1。

1.4 新型橡膠堵劑的制備

將定量的NBR或HNBR放入開煉機中進行塑煉，依次加入增塑劑、防老劑、固體軟化劑等小料混煉，然后再依次加入PAM、PU預聚體、硫化劑、助硫化劑、炭黑進行充分混合均勻，經過多次包輥、翻煉、薄通和打三角包等工藝，得到遇水膨脹混煉膠。將混煉膠室溫下放置12 h后，用平板硫化機將其硫化，得到遇水膨脹硫化膠。硫化溫度為150 ℃，硫化時間為18 min。最后用高速萬能粉碎機將硫化好的橡膠試片打碎，得到橡膠顆粒堵劑。

1.5 分析與測試

1.5.1 紅外光譜分析

采用510P型紅外光譜儀，用KBr壓片法對聚醚型PU預聚體和PU/PAM混合物進行特征官能團分析，波數范圍為400～4 000 cm-1。

1.5.2 物理機械性能

扯斷伸長率、拉伸強度和撕裂強度按照GB/T 528—1998進行測試，拉伸速率為500 mm/min；硬度按照GB/T 6031—1998進行測試。

1.5.3 遇水膨脹性能

(1)質量膨脹倍率：將硫化好的橡膠片裁成2 cm×1 cm×0.2 cm試樣小片，稱其初始質量為m0，在130 ℃礦化水中浸泡一定時間后取出，用濾紙吸干橡膠試片表面水分，稱其膨脹后試樣質量為mn，試片的質量增長倍率(Δm)計算公式如式(1)所示。

Δm=(mn-m0)/m0

(1)

(2) 體積膨脹倍率：將硫化好的橡膠片裁成2 cm×1 cm×0.2 cm試樣，測量其初始體積為V0，在130 ℃礦化水中浸泡一定時間后取出，用濾紙吸干橡膠試片表面水分，測量其試樣膨脹后體積Vn，試片的體積增長倍率(ΔV)計算公式如式(2)所示。

ΔV=(Vn-V0)/V0

(2)

2 結果與討論

2.1 物理復合和反應復合WSR的力學性能與吸水膨脹行為

固定其他組分的加入量，將自制封端型聚醚PU預聚體和PAM協同混合,加工出的高分子合金稱作物理復合型WSR；將聚醚型PU預聚體和PAM協同混合，在橡膠加工過程中，聚醚型PU預聚體中的異氰酸基官能團與PAM的胺基發生交聯反應，這種高分子合金為反應復合型WSR。聚醚型PU預聚體與PAM發生反應形成聚集體，與橡膠基體的相容性更好，反應復合型WSR表現出更高的拉伸強度和撕裂強度，以及較低的扯斷伸長率，結果見表2。

表2 物理復合型和反應復合型WSR力學性能的比較1)

1) 配方(質量份)為：NBR 100，ZnO 5,防老劑1.5，固體軟化劑1，助硫化劑2，PAM 140，PU 70(PU類型不同)。

從圖1可以看出，聚醚型PU預聚體在2 273 cm-1處出現一尖銳特征吸收譜帶，該譜帶歸屬為—NCO特征官能團的伸縮振動。當PU預聚體中的—NCO與PAM中的—NH2反應后，2 273 cm-1處的—NCO特征吸收峰完全消失，2 868 ～2 974 cm-1處的吸收譜帶歸屬為—CH2的伸縮振動吸收。

波數/cm-1 圖1 聚醚型PU預聚體和PU/PAM混合物的紅外光譜圖

在反應復合型WSR中，聚醚型PU預聚體中的異氰酸基與PAM中的胺基發生逐步聚合反應，反應原理和反應前后涉及的化學特征官能團的變化如圖2所示。

圖2 反應復合型WSR反應原理

圖1和圖2表明，兩種親水劑相遇后，PAM上的胺基和聚醚型PU預聚體上的異氰酸基完全反應，將PAM粒子通過PU鏈實現共價相連，親水相與橡膠基體形成緊密的融合體。這種反應復合型WSR的特有復合結構使WSR膨脹材料在高礦化水膨脹過程中表現出高倍率、低析出的實驗現象，適宜于高礦化油藏的長期封堵應用。

物理復合型WSR和反應復合型WSR在質量濃度為2.0×105mg/L礦化水(130 ℃)中的膨脹行為如圖3所示。

時間/h圖3 物理復合型與反應復合型WSR在礦化水 (2.0×105 mg/L)中吸水膨脹行為

從圖3可以看出，物理復合型WSR在質量濃度為2.0×105mg/L的礦化水中，35 h達到最大膨脹倍率(4倍)，但是隨著浸泡時間的延長，橡膠體系內的吸水劑逐漸表現出析出現象。反應復合型WSR在同樣條件下，35 h達到最大膨脹倍率(4.1倍)，隨著浸泡時間的延長，吸水劑沒有表現出析出現象。

2.2 橡膠基體對WSR力學性能和遇水膨脹行為的影響

HNBR是由NBR高度氫化得到的高飽和彈性體。HNBR自身的硬度比NBR高，以HNBR為基體的WSR表現出更優良的拉伸強度和撕裂強度，以及較低的扯斷伸長率。反應復合型NBR與反應復合型HNBR的WSR力學性能對比如表3所示。

表3 橡膠基體對WSR力學性能的影響1)

1) 配方(質量份)為：ZnO 5,防老劑1.5，固體軟化劑1，助硫化劑2；PAM 140、PU 70為固定值，橡膠基體不同。

將裁好的橡膠試片130 ℃下浸泡在塔河礦化水中，在不同時間段取出并稱其質量，測量體積，圖4是不同橡膠基體在塔河礦化水中的膨脹動力學行為。

由圖4可知，在130 ℃塔河礦化水中，以NBR為基體的WSR在前10 h膨脹緩慢，10 h以后膨脹較快；而以HNBR為基體的WSR在前15 h膨脹緩慢，15 h以后膨脹較快，并且兩者均沒有吸水劑的析出現象。以HNBR為基體WSR表現為更優異的力學性能以及遇水膨脹性能。

時間/h(a) 質量膨脹行為

時間/h(b) 體積膨脹行為圖4 不同橡膠基體在塔河礦化水中的遇水膨脹行為

WSR主要是通過滲透作用吸收水分。與水接觸時，水分子可以通過擴散作用以及毛細作用進入到橡膠內部，與橡膠中的親水性基團形成極強的親和力，從而使橡膠內外形成滲透壓差，促使外界水分子繼續向內部滲透，致使橡膠發生彎曲形變。當橡膠抗形變力和滲透壓達到平衡時，吸水膨脹橡膠可以達到穩定狀態[8]。

2.3 堵劑在塔河礦化水中吸水膨脹性能的規律

用粉碎機將橡膠試片打碎成粒徑為1 mm的橡膠堵劑，增加了水與橡膠材料的接觸面積，吸水劑變得比較容易從橡膠堵劑中析出；而橡膠試片(40 mm×20 mm)的表面積小，內部吸水劑不容易析出，所以橡膠堵劑與橡膠試片相比，橡膠堵劑的體積膨脹倍率低于橡膠試片的體積膨脹倍率。圖5是分別以NBR、HNBR為橡膠基體的堵劑在塔河礦化水中的膨脹情況，其中以NBR為橡膠基體的堵劑在塔河礦化水中22 h達到最大膨脹倍率，體積最大凈膨脹倍率為2.1倍，可以保證吸水劑沒有析出；以HNBR為橡膠基體的堵劑在塔河礦化水中22 h達到最大膨脹倍率，體積最大凈膨脹倍率為2.8倍，同樣可以保證吸水劑不析出，并表現出20 h的延遲膨脹期，WSR吸水膨脹的延遲性難題得到一定程度的改善，基本達到塔河油藏堵劑的技術要求。HNBR為基體的WSR橡膠堵劑表現出更好的高礦化介質膨脹行為，延遲膨脹期明顯，有望滿足縫洞型油藏的應用需求。