简述提高聚合物类凝胶调剖剂表观黏度测定复现率的方法

陈芳，赵迪，盛建宇

1.中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院(黑龙江大庆163453)2.中国石油大庆油田有限责任公司第六采油厂(黑龙江大庆163000)

简述提高聚合物类凝胶调剖剂表观黏度测定复现率的方法

陈芳1，赵迪1，盛建宇2

1.中国石油大庆油田有限责任公司采油工程研究院(黑龙江大庆163453)
2.中国石油大庆油田有限责任公司第六采油厂(黑龙江大庆163000)

主要研究了采油用聚合物类凝胶调剖剂黏度的测定方法，分析了影响调剖剂表观黏度的因素，并对解决表观黏度测定复现率低的问题进行了阐述。建议用先进的旋转流变仪测定聚合物凝胶类调剖剂特性黏度的方法提高调剖剂黏度测定的复现性，测试条件为剪切速率是7.0s-1，时间是5min，测试温度45℃。

表观黏度;复现率;调剖剂

目前'聚合物驱油仍然是油田保持持续发展的重要措施。表观黏度是评价聚合物类凝胶调剖剂的重要参数。调剖剂成胶黏度测定的准确性'会直接影响到调剖剂产品的质量'因此也会影响调剖剂的封堵效果和产油量。

黏度是液体的重要物理性质和技术指标之一'黏度的准确测定在许多工业部门和科学研究领域中都具有重要意义，特别是在石油化工、医药、冶金、食品等行业中[1-2］。黏度测定技术一直以来备受关注，有关液体黏度测定方法及装置的研究成果也比较多[3］。黏度计有很多种'有旋转黏度、落球黏度、毛细管黏度等'但用旋转黏度计测定液体黏滞系数是目前最为普遍采用的方法。对目前广泛使用的旋转黏度计的检测机理做了进一步的分析，用具有代表性的旋转柱体测定方法测量调剖剂的表观黏度，并对取样方法进行改进从而提高了调剖剂表观黏度测定复现率。

1 旋转黏度计检测机理分析及其适用条件

旋转流变仪是旋转黏度计的一种'但旋转流变仪和旋转黏度计的结构与性能不相同。

1.1 旋转流变仪的组成及测量原理

流变仪具有独有的电子整流同步电机马达'采用永磁体驱动器'高精度的空气轴承、光学编码盘和法向应力传感器等'使其具有极高的灵敏度和瞬时响应能力。

旋转流变仪的测量原理:旋转流变仪开机后首先要检测零点'然后在半径R1的外筒里同轴地安装半径R2的内筒'内外筒之间充以待测液体，同步电机以稳定的速度旋转'外力使二圆柱体之一匀速转动，而另一柱体静止不动，则在二柱体之间的径向距离上的液体内部将出现速度梯度，于是在液体中产生了内摩擦。由于内摩擦的作用，在旋转柱体上施加一个切应力，利用测量此切应力即可计算液体黏度值。

1.2 旋转流变仪和旋转黏度计的区别

旋转黏度计和旋转流变仪是2种不同的流变学测试仪器。黏度计具有动态特性'只能测定样品在定常流动下的黏度。流变仪具有较好的动态特性'除了能测定样品的黏度之外'还可以测定样品在脉动流动下的触变性和黏弹性等动态流变性[4］。

旋转黏度计的测试方法比较单一'只能测试流体在一定转速条件下的黏度。如低级的6速黏度计只能测试6个固定转速下的黏度。黏度计一般用于测试牛顿流体的表观黏度'测试非牛顿流体时结果偏差很大只能做相对参考。而流变仪测试模式较多'可以给出一个连续的转速或剪切速率的扫描过程'给出完整的流变曲线'测试表观黏度是其最基本的功能;流变仪的优点在于具有很多的测试模式'可以测试黏弹性等性能。如变剪切、变应力、变振幅、变频率等'可获得的流体行为信息:非牛顿性、触变性、流凝性、可膨胀性、假塑性等。

1.3 旋转黏度计的正确使用方法

根据黏度计的测量原理'为了获得准确可靠的测量数据必须正确使用旋转黏度计才能得到正确的测量结果。

1.3.1 黏度计的性能指标必须满足国家计量检定规程要求

使用中的黏度计要进行周期检定'必要时(黏度计使用频繁或处于合格临界状态)要进行中间自查以确定其计量性能合格'系数误差在允许范围内'否则无法获得准确数据。

1.3.2 特别注意被测液体温度

许多人忽视这一点'认为温度差一点无所谓。但实验证明:当温度偏差0.5℃时'有些液体黏度值偏差超过±5%'温度偏差对黏度影响很大'温度升高'黏度下降。所以要特别注意将被测液体的温度恒定在规定的温度点附近'精确测量最好不要超过0.1℃。

1.3.3 测量容器的选择

对应双筒旋转黏度计'不同的转子(内筒)匹配相应的外筒'否则测量结果会偏差巨大。

1.3.4 正确选择旋转转子或调整转速

如果选择合适的转子或转速使读数示值在20%～90%之间其相对误差最小'如果示值超出该范围'产生的扭矩过大'容易产生蠕变'引起的相对误差过大'±10%以上'所以一定要正确选择黏度计的转子和转速。

1.3.5 黏度计转子浸没液体的深度及气泡的影响

旋转黏度计对转子浸没液体的深度有严格的要求'必须用量筒量取。在黏度计转子侵入液体过程中往往带有气泡'在黏度计旋转后附在转子下部的气泡有时无法消去'气泡的存在会给测量数据带来较大的偏差。

1.3.6 黏度计转子的清洗

测量的转子要清洁污物'因为黏度计的转子表面有严重的刮痕时会带来测量结果的偏差。

2 影响调剖剂表观黏度测定的因素

表观黏度是指剪切应力被剪切速率除得的与剪切速率相依的商数[5］。表观黏度是评价凝胶型调剖剂溶液性能的重要指标。SY/T 5590-2004《调剖剂性能评价方法》[7］标准中要求每次检测至少做2个平行样'如能达到相对误差±5%的要求时'测量结果具有复现性'测量数据可取;若测量2次没有达到要求'则需要继续测量直至达到复现要求。

2013年共检验调剖剂样品85组'检测一个样品需要测定7个点'对2013年3月至2014年2月以来检测的85组调剖剂、595个检测点进行了调查'部分调查结果见表1。

从统计结果可以看出'仅有273个测定点测量2次就能达到复现要求'测定复现率为46%。有322个测定点至少需要测量3次以上才能达到要求'复现率达不到要求的占54%以上'导致检测样品时至少要多测量300次以上。

影响调剖剂表观黏度测量结果的主要因素有:样品量取不准确、人员操作不熟练、取样方法不正确。

3 凝胶类调剖剂表观黏度的测定

目前在聚合物特性黏度测定过程中常常会出现各种影响因素，造成特性黏度测定结果的差异[6］。

调剖剂表观黏度的测定采用RS系列的MARS流变仪，剪切速率为7.0s-1'测试温度为45℃。

将试样倒入带恒温夹套的样品筒中，待恒温至所需温度后，选择适当的转子和转速，测定试样的黏度。每个实验数据均为3次以上测定结果的平均值。由于聚合物凝胶均为非牛顿型流体，它们的黏度与剪切速率有关，故测定凝胶时采用密闭系统，采用同一转子和转速。

针对以上问题'经过大量实验找到两条解决方法:①改变样品量取方法;②改变测量参数。

3.1 改变样品量取方法

3.1.1 样品数量对成胶黏度的影响

在测定调剖剂溶液黏度时仪器要求样品加入量为60mL'但由于成胶后的调剖剂是凝胶状态'很难准确量取60mL。分别量取55～65mL的样品进行黏度值测量'结果见表2。

从表2中可以看出'取样数量的多少对成胶黏度的测定结果有很大的影响'只有样品数量在58～62mL时测定误差复现率都符合标准要求;当样品数量小于57mL或大于63mL时'测定复现率低'误差超出标准要求。取样量的多少直接影响测量数据复现性。

表1 调剖剂表观黏度测定误差结果统计表

3.1.2 取样方法的改变

经过反复讨论、实验'确定了准确量取高黏液体体积的取样方法。通过数显密度计测量成胶前调剖剂溶液的密度'计算称量60mL样品所需要的质量。经过测量调剖剂溶液密度大多数都在1.02g/cm3左右'因此60mL样品即相当于60g的样品。

将烧杯放在电子天平上清零'然后将成胶的样品倒置'使样品流出瓶口'并目测样品数量大于60g时用镊子沿着瓶口边缘迅速将样品截断'然后用电子天平进行称重。

3.1.3 人员测试比对

测量人员的操作熟练程度对调剖剂黏度测量会有一定的影响'针对操作人员熟练程度不同的问题运用新的取样方法进行了人员测试比对实验'实验结果见表3。

从表3中可以看出改变取样方法后'不同取样人取样量的准确度明显提高'都在58～62g'减少了人员之间的取样误差。这一方法的运用对提高调剖剂表观黏度测定复现率起到了良好的效果。在2014年6月至2014年10月检测的67组样品'496个检测点中'该方法得到成功应用。

3.2 改变测量参数

根据调剖剂黏度的大小选择适合的转子和转速'正确选择旋转转子和调整转速'使测量值在20%～90%之间'其相对误差最小;如果测量值超出该范围'产生的扭矩过大'容易产生蠕变'引起的相对误差过大'在±10%以上'所以一定要正确选择黏度计的转子和转速。

测量时间的长短直接影响表观黏度的误差值。原来方法:剪切时间2min，剪切速率6.0s-1。同一样品'在同等试验条件下'改变剪切参数'采用正交试验设计'选取最佳剪切参数。按正交表4进行正交试验'试验结果见表5。

从表5中可以看出:第5号实验的误差值最低'符合标准要求'即剪切时间5min、剪切速率7.0s-1。

从以上问题的分析中看出，用旋转黏度计测量聚合物凝胶时黏度时，必须选取该液体最佳的剪切时间和剪切速率才能得到理想的结果。

表2 样品数量对成胶黏度的影响

表3 人员取样比对表

表4 剪切参数的因素位级表

表5 正交试验

4 实验结论

通过上述两项措施的实施'采用同一仪器对调剖剂成胶黏度进行测定'但是测试曲线却发生了明显的改变。改进前后调剖剂测定结果对比图见图1。

从图1可以看出改进前调剖剂黏度测试曲线上下波动很明显'黏度测定结果很难达到标准相对误差±5%要求。运用改进后的方法再进行表观黏度测

图1 改进前后调剖剂成胶黏度测试曲线对比图

定时曲线的平稳度明显得到改善'测出样品的2次复现率明显提高'达到标准要求。

2014年6月以后检测的调剖剂数据进行统计'结果见表6。

共统计469个检测点'其中385个检测点'仅需测定2次就达到复现要求'复现率为82%。

通过以上实验与讨论'建议用先进的旋转流变仪测定聚合物凝胶类调剖剂特性黏度的方法可以提高调剖剂黏度测定的复现性'在理论上和实际操作上都是可行的'测试条件为剪切速率是7.0s-1'时间是5min'测试温度45℃。

表6 改进后调剖剂成胶黏度测定误差结果统计表

[1］INALEM M，MAFFETTONE P.Morphology estmi ation from NormalStress M easurem en ts for D ilute Imm iscib le polymer blends[J］.Rheologica Acta(S0035-4511)，2003，42(1): 158-165.

[2］M I I'M ISH INARI K.Non-N ewtonian F low Behaviour of Gellan Gum Aqueous So lutions[J］.Colloid and Polymer Science(S0303-402X)，1999，277(8):727-734.

[3］高桂丽'李大勇'石德全.液体黏度测定方法及装置研究现状与发展趋势简述[J］.化工自动化及仪表'2006'33(2): 65-70.

[4］矫正.关于旋转黏度计/流变仪的命名和分类[J］.中国血液流变学杂志'2004'14(2):240-242.

[5］刘元俊'陈惠钊'李珍.聚合物黏度的测量标准及特性黏数的获得[J］.工程塑料应用'1997'25(4):36-39.

[6］刘加好.干法腈纶聚合物特性黏度测定的影响因素[J］.齐鲁石油化工'2011'39(2):156-159.

[7］SY/T 5590-2004调剖剂性能评价方法[S］.

The main methods for measuring the viscosity of polymer gel profile control agents are studied，and the factors affecting the apparent viscosity of profile gel profile control agents are analyzed.It is held that the to use advanced rotational rheometer can improve the reproduction of determining the apparent viscosity of polymer gel profile control agents.The the determination of the apparent viscosity should be carried out under the conditions of the 7.0s-1shearing rate and 45℃and 5min determining time.

apparent viscosity;reproduction rate;profile control agent

尉立岗

2014-11-26

陈芳(1966-)'女'主要从事油田化学入井流体质量检验、调剖及油层保护等方面的研究工作。