張靜,蘇延輝,史斌,黃毓祥,鄭曉斌,耿學(xué)禮(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)
油田堵水、調(diào)剖處理中應(yīng)用最為廣泛的是聚合物凍膠類調(diào)剖劑,然而近年來溫敏熱可逆凝膠纖維素醚堵調(diào)體系逐漸成為稠油油藏堵水調(diào)剖的研究熱[1]。纖維素醚的凝膠強(qiáng)度是地層實(shí)現(xiàn)封堵作用最重要的指標(biāo)之一,但是其強(qiáng)度測試方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。評價凍膠強(qiáng)度常用的方法,如觀察法—一種直接、經(jīng)濟(jì)的測試凍膠強(qiáng)度的方法,利用凍膠的強(qiáng)度代碼表判斷欲測凝膠強(qiáng)度的級別[2];旋轉(zhuǎn)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(nèi)[3];突破真空度法—利用空氣突破凍膠時壓力表最大的讀數(shù)代表了凍膠的強(qiáng)度[4]。凍膠的成膠機(jī)理是在高分子溶液中加入交聯(lián)劑,交聯(lián)劑與高分子鏈通過化學(xué)鍵連接形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將液相包在其中,從而使整個體系失去流動性,則轉(zhuǎn)變?yōu)閮瞿z,此過程不具有可逆性,屬于化學(xué)變化。而纖維素醚的凝膠機(jī)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(tuán)作用聚集在一起從而形成凝膠的狀態(tài),此過程是物理變化[5]。雖然兩者成膠機(jī)理不同,但是外觀卻有類似的狀態(tài),即在三維空間上形成不可流動的半固體狀態(tài)。凍膠強(qiáng)度的評價方法是否適用評價纖維素醚凝膠的強(qiáng)度需要探索和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文采用評價凍膠強(qiáng)度的觀察法、旋轉(zhuǎn)法和突破真空法3種傳統(tǒng)方法去評價纖維素醚凝膠的強(qiáng)度,并在此基礎(chǔ)上形成了一種正向壓力突破法。
電熱恒溫水浴鍋,DZKW-S-6,北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;高溫高壓流變儀,MARSⅢ,德國HAAKE公司公司;循環(huán)水式多用真空泵,SHB-III,鞏義市瑞德儀器設(shè)備有限公司;傳感器,DP1701-EL1D1G,寶雞百事得控制技術(shù)有限公司;壓力采集系統(tǒng),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(chuàng)寶蘭氣體有限公司。
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)采用觀察法測試。實(shí)驗(yàn)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(jù)凝膠強(qiáng)度代碼對以上三種不同濃度的纖維素醚水溶液的成膠強(qiáng)度進(jìn)行測試。
(2)采用旋轉(zhuǎn)法測試。本實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)筒中進(jìn)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(shù),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(jù)突破真空度法的原理,我們對此實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了改進(jìn),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(tǒng)測試?yán)w維素醚凝膠的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中凝膠的用量為50 mL,比色管的容量為100 mL,內(nèi)徑為3 cm,插入凝膠中圓管的內(nèi)徑為1 cm,插入深度為3 cm。緩慢開啟氮?dú)馄康拈_關(guān),當(dāng)看到顯示的壓力數(shù)據(jù)突然大幅度下降時,取最高點(diǎn)為突破凝膠所需強(qiáng)度值,每個樣品均操作三次取平均值。
用觀察法評價纖維素醚凝膠強(qiáng)度的結(jié)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(qiáng)度級別為A,隨著溫度的升高強(qiáng)度開始增大,至75 ℃的時候呈現(xiàn)凝膠的狀態(tài),強(qiáng)度級別由B轉(zhuǎn)變?yōu)镈,溫度升高至120 ℃時強(qiáng)度級別為F??芍撛u價方法的評價結(jié)果只是顯示了凝膠的強(qiáng)度級別,而不能用數(shù)據(jù)來表示凝膠的具體強(qiáng)度,即定性而不能定量。該方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、直觀,可以利用此方法廉價的篩選到所需強(qiáng)度的凝膠。
表1 不同溫度下不同濃度纖維素醚凝膠的強(qiáng)度
用旋轉(zhuǎn)法評價纖維素醚凝膠強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。
圖3 不同溫度下纖維素醚的黏度
當(dāng)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(dá)到最大值為46 790 mPa·s,之后強(qiáng)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(xiàn)凝膠并且強(qiáng)度一直增大的現(xiàn)象不符合。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是測試?yán)w維素醚凝膠強(qiáng)度時由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致凝膠破碎,造成后續(xù)溫度下凝膠強(qiáng)度的數(shù)據(jù)不正確。因此,此方法不適合評價纖維素醚凝膠的強(qiáng)度。
用突破真空度法評價纖維素醚凝膠強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示,此種方法不涉及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動,因此可以避免轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動帶來的膠體剪切破碎的問題。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知此方法可以定量測試凝膠的強(qiáng)度,當(dāng)溫度為100 ℃時,濃度為4%的纖維素醚凝膠的強(qiáng)度大于0.1 MPa(真空度最大值),無法測量強(qiáng)度大于0.1 MPa的凝膠的強(qiáng)度,即此方法測試凝膠強(qiáng)度的上限為0.1 MPa。此實(shí)驗(yàn)中纖維素醚凝膠后的強(qiáng)度大于0.1 MPa,所以此方法不適合評價纖維素醚凝膠的強(qiáng)度。
用正向壓力法評價纖維素醚凝膠強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示,可知此方法可以定量測試強(qiáng)度為0.1 MPa以上的凝膠。實(shí)驗(yàn)中采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相對于真空度法中人為讀取數(shù)據(jù)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。
表2 不同溫度下不同濃度的纖維素醚凝膠的強(qiáng)度
表3 不同溫度下不同濃度的纖維素醚凝膠的強(qiáng)度
纖維素醚凝膠強(qiáng)度隨著溫度的升高整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。旋轉(zhuǎn)法和突破真空度法不適用于測定纖維素醚凝膠的強(qiáng)度。觀察法只能定性測定纖維素醚凝膠的強(qiáng)度,新增的正向壓力法可定量測試?yán)w維素醚凝膠的強(qiáng)度。