纖維素醚凝膠強度的測定方法

張靜，蘇延輝，史斌，黃毓祥，鄭曉斌，耿學禮(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452)

0 引言

油田堵水、調剖處理中應用最為廣泛的是聚合物凍膠類調剖劑，然而近年來溫敏熱可逆凝膠纖維素醚堵調體系逐漸成為稠油油藏堵水調剖的研究熱[1]。纖維素醚的凝膠強度是地層實現封堵作用最重要的指標之一，但是其強度測試方法沒有統一的標準。評價凍膠強度常用的方法，如觀察法—一種直接、經濟的測試凍膠強度的方法，利用凍膠的強度代碼表判斷欲測凝膠強度的級別[2]；旋轉法—通常用到的儀器有布氏黏度計和流變儀，布氏黏度計測試樣品的溫度限制在90 ℃以內[3]；突破真空度法—利用空氣突破凍膠時壓力表最大的讀數代表了凍膠的強度[4]。凍膠的成膠機理是在高分子溶液中加入交聯劑，交聯劑與高分子鏈通過化學鍵連接形成空間網狀結構，將液相包在其中，從而使整個體系失去流動性，則轉變為凍膠，此過程不具有可逆性，屬于化學變化。而纖維素醚的凝膠機理是低溫時，纖維素醚大分子被小分子的水通過氫鍵作用包圍，形成水溶液，隨著溶液的溫度升高，氫鍵作用遭到破壞，纖維素醚大分子通過疏水基團作用聚集在一起從而形成凝膠的狀態，此過程是物理變化[5]。雖然兩者成膠機理不同，但是外觀卻有類似的狀態，即在三維空間上形成不可流動的半固體狀態。凍膠強度的評價方法是否適用評價纖維素醚凝膠的強度需要探索和實驗驗證。本文采用評價凍膠強度的觀察法、旋轉法和突破真空法3種傳統方法去評價纖維素醚凝膠的強度，并在此基礎上形成了一種正向壓力突破法。

1 實驗部分

1.1 主要實驗設備和儀器

電熱恒溫水浴鍋，DZKW-S-6，北京市永光明醫療儀器有限公司；高溫高壓流變儀，MARSⅢ，德國HAAKE公司公司；循環水式多用真空泵，SHB-III，鞏義市瑞德儀器設備有限公司；傳感器，DP1701-EL1D1G，寶雞百事得控制技術有限公司；壓力采集系統，山東中石大石儀科技有限公司；比色管，100 mL，天津天科玻璃儀器制造有限公司；耐高溫玻璃瓶，120 mL，德國肖特玻璃廠；高純氮，天津高創寶蘭氣體有限公司。

1.2 實驗樣品及制備

羥丙基甲基纖維素醚，60RT400，泰安瑞泰纖維素有限公司；將2 g、3 g和4 g羥丙基甲基纖維素醚分別溶于80 ℃的50 mL熱水中，攪拌均勻后加入25 ℃的50 mL冷水，樣品完全溶解后形成濃度分別為0.02 g/mL、0.03 g/mL和0.04 g/mL的纖維素醚溶液。

1.3 纖維素醚凝膠強度測試實驗方法

(1)采用觀察法測試。實驗中采用的寬口耐高溫玻璃瓶容量均為120 mL，纖維素醚溶液的體積為50 mL。將配制好濃度為0.02 g/mL、0.03 g/mL和0.04 g/mL的纖維素醚溶液置于耐高溫玻璃瓶中，不同溫度下將其倒置，依據凝膠強度代碼對以上三種不同濃度的纖維素醚水溶液的成膠強度進行測試。

(2)采用旋轉法測試。本實驗測試儀器采用高溫高壓流變儀，選取濃度為2%的纖維素醚水溶液置于轉筒中進行測試，升溫速度是5 ℃/10 min，剪切速率是50 s-1，測試時間1 min，升溫范圍40～110 ℃。

(3)采用突破真空度法測試。將盛有凝膠的比色管按圖1順序連接起來，開啟真空泵，讀取空氣突破凝膠時壓力表最大讀數，每個樣品均操作三次取平均值。

(4)采用正向壓力法測試。根據突破真空度法的原理，我們對此實驗方法進行了改進，采用正向壓力突破的方法。將裝有凝膠的比色管按圖2連接起來，采用壓力采集系統測試纖維素醚凝膠的強度。實驗中凝膠的用量為50 mL，比色管的容量為100 mL，內徑為3 cm，插入凝膠中圓管的內徑為1 cm，插入深度為3 cm。緩慢開啟氮氣瓶的開關，當看到顯示的壓力數據突然大幅度下降時，取最高點為突破凝膠所需強度值，每個樣品均操作三次取平均值。

2 實驗結果與討論

2.1 觀察法對測試纖維素醚凝膠強度的適用性

用觀察法評價纖維素醚凝膠強度的結果如表1所示，以濃度為0.02 g/mL的纖維素醚溶液為例，可知在溫度為65 ℃時強度級別為A，隨著溫度的升高強度開始增大，至75 ℃的時候呈現凝膠的狀態，強度級別由B轉變為D，溫度升高至120 ℃時強度級別為F。可知該評價方法的評價結果只是顯示了凝膠的強度級別，而不能用數據來表示凝膠的具體強度，即定性而不能定量。該方法的優點是操作簡單、直觀，可以利用此方法廉價的篩選到所需強度的凝膠。

表1 不同溫度下不同濃度纖維素醚凝膠的強度

2.2 旋轉法對測試纖維素醚凝膠強度的適用性

用旋轉法評價纖維素醚凝膠強度實驗結果如圖3所示。

圖3 不同溫度下纖維素醚的黏度

當溶液加熱到80 ℃的時候，溶液的黏度為61 mPa·s，之后黏度迅速上升，100 ℃的時候黏度達到最大值為46 790 mPa·s，之后強度下降。與之前觀察到的65 ℃時羥丙基甲基纖維素醚水溶液的黏度開始增大，75 ℃左右時出現凝膠并且強度一直增大的現象不符合。出現這種現象的原因是測試纖維素醚凝膠強度時由于轉子的轉動導致凝膠破碎，造成后續溫度下凝膠強度的數據不正確。因此，此方法不適合評價纖維素醚凝膠的強度。

2.3 突破真空度法對測試纖維素醚凝膠強度的適用性

用突破真空度法評價纖維素醚凝膠強度實驗結果如表2所示，此種方法不涉及轉子的轉動，因此可以避免轉子的轉動帶來的膠體剪切破碎的問題。由上述實驗結果可知此方法可以定量測試凝膠的強度，當溫度為100 ℃時，濃度為4%的纖維素醚凝膠的強度大于0.1 MPa(真空度最大值)，無法測量強度大于0.1 MPa的凝膠的強度，即此方法測試凝膠強度的上限為0.1 MPa。此實驗中纖維素醚凝膠后的強度大于0.1 MPa，所以此方法不適合評價纖維素醚凝膠的強度。

2.4 正向壓力法對測試纖維素醚凝膠強度的適用性

用正向壓力法評價纖維素醚凝膠強度實驗結果如表3所示，可知此方法可以定量測試強度為0.1 MPa以上的凝膠。實驗中采用的數據采集系統相對于真空度法中人為讀取數據使實驗結果更準確。

表2 不同溫度下不同濃度的纖維素醚凝膠的強度

表3 不同溫度下不同濃度的纖維素醚凝膠的強度

3 結語

纖維素醚凝膠強度隨著溫度的升高整體呈現逐漸增大的趨勢。旋轉法和突破真空度法不適用于測定纖維素醚凝膠的強度。觀察法只能定性測定纖維素醚凝膠的強度，新增的正向壓力法可定量測試纖維素醚凝膠的強度。