李 亮,溫 鑫,郭 娜,殷鴻堯,伍亞軍,馮玉軍
(1.中國石化西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院,新疆烏魯木齊 830011;2.四川大學(xué)高分子研究所,高分子材料工程國家重點(diǎn)實驗室,四川成都 610065)
在石油開采的固井、修井和完井等過程中,常會出現(xiàn)外來液滲入產(chǎn)層或是地層損失,導(dǎo)致產(chǎn)層、儲層污染,使油田產(chǎn)能進(jìn)一步下降[1]。針對這一問題,通常使用機(jī)械封隔器封隔,但是對于射孔井段太長或是產(chǎn)油層間距小及特殊結(jié)構(gòu)的井段卻無法使用機(jī)械封隔器封隔[2]?;瘜W(xué)封堵膠塞則能很好地解決這一難題?;瘜W(xué)封堵膠塞是一類特殊的聚合物材料,利用聚合物溶液在油井中進(jìn)行交聯(lián)后形成凝膠,起到封堵作用。所形成的凝膠能抵抗一定的壓力并保持不破碎,而在一定時間后又能自動降解,解除封堵作用,保證井下通暢。目前用于制備化學(xué)封堵膠塞的聚合物種類較多,且多為水溶性聚合物[3],按來源可分為合成聚合物和生物聚合物[4]。合成聚合物主要以部分水解的聚丙烯酰胺、聚丙烯腈等為主,有著來源廣泛且價格低廉的優(yōu)點(diǎn),但同時合成聚合物本身及其降解產(chǎn)生的低分子化合物會對地層造成不同程度的傷害[5-6]。相對于合成聚合物,生物聚合物具有良好的生物降解性,在封堵及其他作業(yè)完成后能快速降解,有助于改善使用合成聚合物的油層環(huán)境,避免在石油開采時對地層環(huán)境造成污染。此外,有些生物聚合物還具有良好的增黏性能以及耐溫耐鹽的特性。因此,發(fā)展基于生物聚合物的化學(xué)封堵膠塞具有實際意義[5]。
硬葡聚糖是一種典型的生物聚合物,是由真菌小核菌發(fā)酵形成的胞外多糖,分子量可達(dá)數(shù)百萬以上。硬葡聚糖分子鏈上有大量羥基,因而具有良好的水溶性。研究表明,硬葡聚糖分子間和分子內(nèi)都存在氫鍵作用,且具有棒狀剛性的三螺旋形分子結(jié)構(gòu),因此具有良好的熱穩(wěn)定性,而且在較寬的pH范圍內(nèi)也很穩(wěn)定[7-11]。羥基能與金屬離子、氨基樹脂、酚/醛體系或酚醛樹脂、硼酸或硼酸鹽、二醛、環(huán)氧氯丙烷等[12-17]反應(yīng)形成共價鍵。本文使用酚醛樹脂交聯(lián)劑SG-3 在飽和鹽水溶液中與硬葡聚糖交聯(lián)制備化學(xué)封堵膠塞,并用萬能試驗機(jī)和流變儀對所得膠塞的力學(xué)性能進(jìn)行了表征,考察了交聯(lián)溫度、時間、交聯(lián)劑濃度和硬葡聚糖濃度對化學(xué)封堵膠塞性能的影響。
硬葡聚糖,黃河龍生物工程有限公司;SG-3 交聯(lián)劑,主要成分為酚醛樹脂,北京恒聚化工集團(tuán)有限責(zé)任公司;NaCl,分析純,天津市光復(fù)科技有限公司。
BSA2202S 電子天平,賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司;HWCL-3 恒溫水浴鍋,鄭州長城科工貿(mào)有限公司;S212 攪拌器,上海申順生物科技有限公司;SC200-25 超級恒溫槽,上海丙林電子科技有限公司;5966 高低溫萬能材料試驗機(jī),美國英斯特朗公司;MRC302 型流變儀,平板轉(zhuǎn)子PP50,Anton-Paar公司。
(1)化學(xué)封堵膠塞的制備。取適量的硬葡聚糖溶于飽和NaCl 溶液中,再加入一定量的交聯(lián)劑SG-3,攪拌均勻后密封并置于設(shè)定溫度的水浴鍋中加熱設(shè)定量的時間。反應(yīng)完成后,冷卻至室溫,取出樣品即得到交聯(lián)后的化學(xué)膠塞。
(2)化學(xué)封堵膠塞強(qiáng)度初步篩查。將樣品放置在手指上,觀察其形態(tài),如圖1(a)所示,若樣品不發(fā)生較大形變,說明其具有一定的力學(xué)強(qiáng)度,可進(jìn)行下一步測試;若樣品發(fā)生較大形變,如圖1(b)所示,說明其力學(xué)強(qiáng)度太低,則不進(jìn)行下一步測試。
圖1 化學(xué)封堵膠塞樣品力學(xué)性能初步篩查
(3)萬能試驗機(jī)壓縮實驗。將初步篩選出的樣品切成規(guī)整的方塊,用游標(biāo)卡尺測量樣品的長、寬、高,固定壓縮速率為5.00 mm/min,將載荷調(diào)零后開始實驗。當(dāng)測試圖中出現(xiàn)峰值后,即表明樣品已經(jīng)屈服,停止實驗,記錄彈性模量及屈服應(yīng)力,并取3次測試的平均值。
(4)流變力學(xué)性能測試。將試樣切成薄片狀,放在流變儀測試平臺上,設(shè)定測試溫度為20℃,恒定角速度為10 rad/s,在應(yīng)變?yōu)?.01%數(shù)100%的范圍內(nèi)測試樣品的儲能模量(G')和損耗模量(G'')。
(5)抗老化性能測試。將樣品切割成塊狀,放入老化罐中,加入飽和NaCl 溶液,密閉后再放入超級恒溫槽中。將恒溫槽的油浴升溫至120℃,隔8 h將老化罐取出,自然冷卻后取出樣品,觀察其形貌變化,然后再放入120度的油浴中,重復(fù)以上步驟。
聚合物的交聯(lián)受多個因素的影響,包括交聯(lián)時間、溫度、交聯(lián)劑濃度、聚合物濃度等。首先考察了交聯(lián)時間和溫度的影響。固定硬葡聚糖的加量為2%、交聯(lián)劑SG-3的加量為3%,在40、80、120℃下反應(yīng)5、10、15 h 后測定樣品的力學(xué)性能。表1 列出了不同溫度和反應(yīng)時間下所制備樣品的初步篩查結(jié)果。在40℃交聯(lián)5數(shù)15 h后制得的化學(xué)封堵膠塞都略有成形,但力學(xué)強(qiáng)度非常差,放在手指上會產(chǎn)生較大的形變,因而未能通過初步篩查,不再進(jìn)行下一步性能研究。120℃交聯(lián)5數(shù)15 h 后制得的化學(xué)封堵膠塞雖然具有一定的成形,但很容易破碎,因此也不再進(jìn)一步測試其性能。在80℃交聯(lián)5數(shù)15 h后制得的化學(xué)封堵膠塞均具有較好的力學(xué)強(qiáng)度,放在手指上沒有明顯的形變。初步篩查結(jié)果表明,溫度對該化學(xué)封堵膠塞的制備非常重要。低溫和高溫均不利于體系中交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行,會導(dǎo)致樣品不成形,力學(xué)強(qiáng)度差。只有適宜的溫度才會有利于交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行,得到高度交聯(lián)的化學(xué)封堵膠塞。
表1 不同交聯(lián)時間及溫度下制備的化學(xué)封堵膠塞的初步篩選結(jié)果
利用萬能試驗機(jī)壓縮實驗對通過初步篩查的樣品的力學(xué)性能進(jìn)行了表征,結(jié)果見表2。隨反應(yīng)時間的延長,80℃下制備的化學(xué)封堵膠塞的彈性模量和屈服應(yīng)力均表現(xiàn)出一定的下降趨勢。
表2 交聯(lián)時間對化學(xué)封堵膠塞彈性模量和屈服應(yīng)力的影響
80℃下反應(yīng)5數(shù)15 h 制得的3 個樣品的動態(tài)流變行為如圖2所示。在較寬的應(yīng)力變化范圍內(nèi),3個樣品的儲能模量(G')都遠(yuǎn)大于損耗模量(G''),說明3個樣品均表現(xiàn)為明顯的彈性行為。反應(yīng)5 h制備的膠塞的G'和G''隨著應(yīng)變的增加顯示出了明顯的變化,這可能是由于反應(yīng)時間較短,膠塞內(nèi)部結(jié)構(gòu)還不夠穩(wěn)定造成的。而延長反應(yīng)時間至10 h 或15 h后,膠塞的G'和G''隨著應(yīng)變的變化都較穩(wěn)定,顯示出明顯的線性黏彈區(qū)。
圖2 80℃下反應(yīng)不同時間制得的化學(xué)封堵膠塞的流變測試結(jié)果
上述結(jié)果表明,交聯(lián)溫度和時間都對膠塞的性能有明顯的影響。如圖3 所示,酚醛樹脂的苯環(huán)上存在有羥甲基,在堿性條件下羥甲基被活化成為氧負(fù)離子,較易與帶有羥基的硬葡聚糖發(fā)生親核取代,從而使得硬葡聚糖分子之間發(fā)生交聯(lián)。該交聯(lián)反應(yīng)是一個放熱且可逆的反應(yīng),而硬葡聚糖的降解反應(yīng)卻是一個吸熱反應(yīng)。在一定溫度下,當(dāng)反應(yīng)剛開始時,交聯(lián)劑濃度大,反應(yīng)主要以交聯(lián)反應(yīng)為主,體系的交聯(lián)度增大。而在一段時間后,交聯(lián)劑逐漸消耗,交聯(lián)反應(yīng)速率下降,然而硬葡聚糖的降解反應(yīng)卻能維持一定的速率,使得膠塞的交聯(lián)度反而有所下降,因此力學(xué)性能會出現(xiàn)下降趨勢。而在一定的時間內(nèi),隨著溫度的升高,會對放熱的交聯(lián)反應(yīng)產(chǎn)生抑制,卻會促進(jìn)吸熱的硬葡聚糖的降解反應(yīng),因而溫度太高反而會抑制交聯(lián)反應(yīng),使得制得的膠塞力學(xué)強(qiáng)度降低;但當(dāng)溫度太低時,整個體系的反應(yīng)速率太慢,因此在一定時間內(nèi)形成的交聯(lián)度小,力學(xué)強(qiáng)度差。
圖3 酚醛樹脂交聯(lián)硬葡聚糖制備化學(xué)封堵膠塞機(jī)理示意圖
在反應(yīng)溫度80℃、反應(yīng)時間15 h 的條件下,研究了交聯(lián)劑SG-3 和硬葡聚糖濃度對化學(xué)封堵膠塞性能的影響。由1%、3%、5%的SG-3和1%、2%、3%硬葡聚糖制得的9 個化學(xué)封堵膠塞均能較好的成形,且具有一定的力學(xué)強(qiáng)度。壓縮測試實驗結(jié)果(表3)表明,9個樣品均具有較好的力學(xué)性能。在相同交聯(lián)劑濃度下,隨著硬葡聚糖濃度升高,膠塞的力學(xué)性能增強(qiáng)。例如當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時,硬葡聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增至3%,膠塞的彈性模量從0.90 MPa 增至5.94 MPa,增大了5.6 倍。這可能是由于1%的交聯(lián)劑加量已經(jīng)足夠高,當(dāng)硬葡聚糖濃度升高后,不僅增加了聚合物分子鏈的密度,同時也增加了交聯(lián)位點(diǎn)數(shù)目,導(dǎo)致膠塞的力學(xué)性能了有了大幅度的提升。交聯(lián)劑濃度對不同硬葡聚糖濃度制備的膠塞性能有不同的影響。當(dāng)硬葡聚糖濃度較低時,交聯(lián)劑濃度對膠塞的力學(xué)性能幾乎沒有影響。當(dāng)硬葡聚糖濃度較高時,膠塞的彈性模量和屈服應(yīng)力均隨交聯(lián)劑濃度的增加而降低。這可能是由于在相同聚合物濃度下,交聯(lián)劑濃度增加導(dǎo)致交聯(lián)密度顯著增加,反而使膠塞變脆,失去韌性,造成力學(xué)性能的降低。
表3 交聯(lián)劑SG-3和硬葡聚糖加量對化學(xué)封堵膠塞性能的影響
流變測試結(jié)果(圖4)表明,1%、2%和3%硬葡聚糖制備的膠塞在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)G'和G''都較穩(wěn)定,且G'遠(yuǎn)大于G'',說明所制備的膠塞顯示出明顯的彈性體行為,具有較好的力學(xué)性能??傮w而言,化學(xué)封堵膠塞的力學(xué)性能隨著硬葡聚糖濃度增加而增加。當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,硬葡聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)從1%增至3%,化學(xué)封堵膠塞的G'從800 Pa增至4000 Pa 左右。當(dāng)硬葡聚糖濃度較高時,化學(xué)封堵膠塞的G'隨交聯(lián)劑濃度的增加而增加。這也是由于交聯(lián)劑濃度過高,交聯(lián)密度大,因此膠塞的彈性行為越明顯。
圖4 不同濃度的硬葡聚糖和交聯(lián)劑反應(yīng)制得的化學(xué)封堵膠塞的流變測試結(jié)果
根據(jù)以上分析可知,硬葡聚糖和交聯(lián)劑加量對化學(xué)封堵膠塞力學(xué)性能的影響較大。硬葡聚糖濃度較低時,參加交聯(lián)的聚合物較少,因而難以得到力學(xué)性能較好的膠塞。交聯(lián)劑的濃度越高,相同情況下的交聯(lián)密度就越大,這會增加膠塞的彈性行為,但同時也會使膠塞的韌性降低,在較高壓力下容易導(dǎo)致膠塞破碎。
圖5 在高溫高鹽環(huán)境下老化過程中膠塞形貌隨時間的變化
硬葡聚糖加量為3%、交聯(lián)劑加量為1%時制備的化學(xué)封堵膠塞既具有較好的力學(xué)強(qiáng)度又具有較好的韌性,因此選擇該樣品進(jìn)行老化實驗。將膠塞切割成塊狀樣條,放入老化罐中并加滿飽和NaCl水溶液,在120℃下老化,模擬井下地層高溫高鹽環(huán)境,每隔8 h 取出,樣品的形貌變化見圖5。在開始老化40 h內(nèi)樣品都保持較好的形狀,并具有一定的強(qiáng)度。但在老化56 h 后,樣品發(fā)生明顯的變形,但仍保持有一定的強(qiáng)度。老化64 h 后,樣品變黏,并有部分黏附在老化罐壁上。老化72 h后,樣品已經(jīng)不具有固定的形狀,幾乎完全降解。在高溫高鹽環(huán)境下,一方面可能硬葡聚糖分子鏈會發(fā)生降解,另一方面交聯(lián)位點(diǎn)也會發(fā)生分解,因此導(dǎo)致膠塞逐漸變形、變黏,直到最后完全溶解在溶液中。老化實驗結(jié)果表明,由硬葡聚糖和酚醛樹脂交聯(lián)劑制備的化學(xué)封堵膠塞具有良好的耐鹽抗溫性,并且能在模擬地層水環(huán)境下逐漸降解,在油田修井等作業(yè)中具有潛在應(yīng)用。
以酚醛樹脂為交聯(lián)劑,在飽和NaCl水溶液中與硬葡聚糖反應(yīng)制得化學(xué)封堵膠塞。研究了交聯(lián)溫度、時間、交聯(lián)劑濃度和硬葡聚糖濃度對膠塞力學(xué)性能的影響。其中,交聯(lián)溫度和硬葡聚糖濃度的影響非常大,并對其影響機(jī)理進(jìn)行了分析。在飽和NaCl 溶液和120℃環(huán)境下,化學(xué)封堵膠塞具有較好的抗鹽性能和一定的抗老化性能,且具有良好的生物降解性,有望應(yīng)用于飽和鹽水中高溫的地層環(huán)境。