油田調(diào)驅(qū)用聚合物溶解時間測定及成膠情況評價實驗

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)標準中檢測干粉聚合物溶解時間是在室內(nèi)攪拌溶解 2 h，然后通過肉眼觀察或過濾因子進行判斷,最終結(jié)果只能定性判斷溶解時間小于、等于或大于 2 h[1]。國內(nèi)也有一些對定量檢測干粉聚合物溶解程度的研究，例如，旋轉(zhuǎn)黏度計測黏度法[2-3]，即通過在聚合物攪拌過程中，取不同時刻的樣品測其黏度變化來判斷溶解時間；落球法[4-5]通過小球在聚合物溶液中的下落時間來判斷聚合物的溶解時間。以上方法會由于測試時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，可評價不同時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 實驗部分

1.1 實驗設(shè)備

DV2T旋轉(zhuǎn)黏度計，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，上海歐河機械設(shè)備有限公司；HAAKERS6000流變儀，德國Thermo公司；DDS307電導(dǎo)率儀，上海儀電科學儀器股份有限公司；恒溫烘箱，德國MEMMERT公司。

1.2 實驗材料

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

1.3 實驗方法

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)動時，將稱取的 3 g 速溶聚合物沿漩渦壁均勻加入水中,開始記錄不同時刻的聚合物溶液電導(dǎo)率值。

1.3.2 流變儀法

依次啟動流變儀的溫控、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)實驗測試數(shù)據(jù)，繪制電導(dǎo)率/黏度隨時間變化曲線圖，取曲線平穩(wěn)值時對應(yīng)的時間即為最終聚合物溶解時間。

聚合物凍膠的成膠性是指在現(xiàn)場作業(yè)施工規(guī)定時限下，成膠液是否達到凍膠調(diào)剖調(diào)驅(qū)所需的強度。室內(nèi)對聚合物凍膠成膠性能的評價指標主要涉及到成膠時間和成膠強度。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)，每隔一段時間采用凍膠圖版法[6](圖1)判斷膠體強度，直至膠體強度不再發(fā)生變化，即為凍膠的最終強度。根據(jù)目標油田現(xiàn)場調(diào)驅(qū)施工要求，凍膠成膠時間為2～5 d，成膠強度LM-及以上。

圖1 凍膠強度評價圖版

2 實驗結(jié)果

2.1 電導(dǎo)率法測溶解時間

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，即溫度升高會促進聚合物溶液中電解質(zhì)的離解；隨著攪拌時間的增加，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)定時所對應(yīng)的時間即為干粉聚合物的溶解時間[2,4]，但取攪拌 20 s 時的聚合物溶液進行觀察時，發(fā)現(xiàn)溶液中有較多尚未溶解好的膠團，因此對于本文研究的干粉速溶聚合物，電導(dǎo)率儀法測定溶解時間存在局限性。

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

2.2 流變儀法測溶解時間

不同測試溫度下，干粉聚合物溶液黏度與時間的關(guān)系曲線如圖3所示。測試數(shù)據(jù)初期，由于儀器剛啟動的緣故，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速尚未達到設(shè)定的目標轉(zhuǎn)速，受力不均衡，導(dǎo)致黏度值有一個短時間快速下降的過程，因此不納入聚合物溶液黏度的變化規(guī)律中。觀察實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干粉聚合物溶液黏度先隨攪拌時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，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 ℃ 時溶解時間為 7 min，在 45 ℃ 時溶解時間為 5.5 min,在 55 ℃ 時溶解時間為 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)量分數(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間的測試方法可行。

2.3 速溶干粉聚合物特點及成膠情況評價

根據(jù)室內(nèi)干粉聚合物溶解實驗結(jié)果，該速溶聚合物在目標油田產(chǎn)出液溫度范圍內(nèi)(35～55 ℃)的溶解時間為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)量分數(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，00號轉(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 ℃ 的烘箱進行成膠評價實驗，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 聚合物凍膠成膠實驗結(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，凍膠成膠時間減短，成膠強度逐步增強，成膠時間縮短。樣品在烘箱放置3個月后膠體脫水較少或未脫水。當速溶干粉聚合物質(zhì)量分數(shù)為0.5%，酚醛復(fù)合交聯(lián)劑為0.5%時，凍膠最終成膠強度達到了油田調(diào)驅(qū)凍膠需求強度LM-，成膠時間為 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間，不同溶劑和不同溫度條件均對電導(dǎo)率結(jié)果產(chǎn)生影響，但溶液電導(dǎo)率穩(wěn)定時對應(yīng)的時間與聚合物溶解時間情況不相符，因此電導(dǎo)率法判斷本文研究的速溶干粉聚合物溶解時間不可行。

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

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)干粉聚合物相對分子質(zhì)量小，溶解速度快，可減少膠液配置時間，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，成膠強度和穩(wěn)定性均能達到現(xiàn)場施工要求。