水溶性聚合物胶液中自由水含量的测定

2019-02-14李炎军岳前升

石油化工 2019年1期

李炎军，胡伟，吴江，代凯，岳前升

（1. 中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057；2. 长江大学化学与环境工程学院，湖北荆州 434023）

钻、完井过程中，水基钻井液中的自由水被认为是造成井壁失稳和储层损害的根本性因素。为了稳定井壁和保护储层，国内学者开发了低自由水钻井液［1-10］和完井液［11］，并取得了较好的应用效果。自由水的测定方法直接关系到低自由水钻井液处理剂的优选、配方组成和性能的优劣。目前，基本采用压滤法测定钻井液处理剂和体系的自由水含量，即测定在一定压力和时间内通过滤纸的滤失量。事实上，采用这种方法，会因实验压力、滤纸类型的不同而出现不同的实验结果，测定的自由水含量只具有相对性。因此，有必要建立一种准确、快速测定水溶性聚合物胶液自由水含量的新方法。

钻井液中的水主要以三种形式存在［12-13］：自由水、吸附水和结晶水。吸附水和结晶水本质上是束缚水，根据杜曼斯基理论［14-15］，束缚水不具备成为溶剂的特性。蔗糖溶液的折光率与其含量存在较好的线性关系，蔗糖溶液折光率的测定可采用阿贝折射法［16］。当把一定质量、一定含量的蔗糖溶液和一定质量、已知总含水量的聚合物胶体溶液混合，聚合物胶液中的自由水会扩散进入蔗糖溶液，使蔗糖溶液的折光率发生变化。通过蔗糖溶液的折光率与含量的线性关系可以计算出蔗糖的含量，从而可以计算出进入蔗糖溶液中的自由水含量，该自由水含量也就是聚合物胶液中的自由水含量。

本工作探讨了采用折光率法测定水溶性聚合物胶液中自由水含量的可行性，测定了不同种类聚合物胶液中的自由水含量，并考察了NaCl对聚合物胶液中自由水含量的影响。

1 实验部分

1.1 材料和仪器

蔗糖、NaCl、无水乙醇：AR，国药集团化学试剂有限公司；黄原胶（XC）、羧甲基纤维素（CMC）、阴离子聚丙烯酰胺（PAM）、吸水树脂（SAP）：工业品生产厂家；蒸馏水；Whatman No.50滤纸。

2WA-J型阿贝折射仪：上海西光实业有限公司；SYP型智能玻璃恒温水浴：河南斯泰仪器有限公司；FA2004型电子分析天平：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；SD3型三联中压滤失仪：青岛海通达专用仪器有限公司。

1.2 实验方法

采用折光率法测定聚合物胶液中自由水的含量：实验温度为25 ℃，将一定质量的聚合物胶液加入到已知质量和含量的蔗糖溶液中，用阿贝折射仪测定混合均匀后溶液的折光率，利用蔗糖溶液的折光率与含量的线性关系计算出混合液中蔗糖的含量，从而计算出聚合物胶液中的自由水含量。

采用压滤法计算不同聚合物胶液中的自由水含量：取20 mL 0.2%（w）的不同聚合物胶液置于滤失仪的失水杯中（由于胶液量少，不会形成致密泥饼，便于自由水出入），在0.7 MPa下滤失5 h，记录的滤液体积近似为胶液中自由水的体积，再进一步计算出自由水含量。

1.3 折光率法测定自由水含量的可行性

1.3.1 蔗糖的含量与折光率的关系

图1为蔗糖的含量与折光率的关系。由图1可见，蔗糖含量与折光率具有良好的线性关系，可作为工作曲线。

图1 蔗糖的含量与折光率的关系Fig.1 Relationship between sucrose content and refractive index.

1.3.2 聚合物对溶液折光率的影响

几种常见水溶性聚合物胶液的折光率见表1。

表1 不同种类聚合物胶液的折光率Table 1 Refractive indexes of different kinds of polymer glue solutions

由表1可知，在一定质量浓度下，常见的水溶性聚合物胶液的折光率与蒸馏水相同，表明这些水溶性聚合物在一定质量浓度内对蒸馏水的折光率无影响。

由上述结果可知，当聚合物胶液与蔗糖溶液混合时，胶液中的自由水会扩散进入蔗糖溶液从而导致蔗糖溶液的折光率发生变化，而聚合物的存在不会改变溶液的折光率，通过蔗糖溶液折光率与含量的线性关系可以计算出混合后溶液中蔗糖的含量，从而计算出进入蔗糖溶液中的自由水含量。因此，利用折光率法测定聚合物胶液中自由水的含量是可行的。

2 结果与讨论

2.1 折光率法确定蔗糖含量

将5.00 g 0.2%（w）PAM胶液和5.00 g 0.2%（w）SAP胶液分别加入到100.00 g不同含量的蔗糖溶液中，混合静置2 h，测量混合液的折光率，并以此计算胶液中的自由水含量，实验结果见图2。由图2可见，聚合物胶液中的自由水向蔗糖溶液的移动受蔗糖含量的影响，聚合物溶液中的自由水更易向含量高的蔗糖溶液扩散，当蔗糖含量超过50%（w）时，这种差异性已非常小。因此，在使用折光率法测定聚合物胶液中的自由水含量时，蔗糖含量以50%（w）为宜。

图2 不同蔗糖含量下的自由水含量测定值Fig.2 Determination of free water content in different sucrose content.

2.2 折光率法测定聚合物胶液中的自由水含量

将100.00 g 50%（w）的蔗糖溶液与5.00 g不同含量的聚合物胶液混合静置2 h，测定混合溶液的折光率并计算不同含量的聚合物胶液的自由水和束缚水含量，实验结果见表2。由表2可知，不同种类水溶性聚合物胶液中自由水含量有差异，当胶液中聚合物含量较低时，SAP胶液中自由水含量最低，CMC胶液中自由水含量最高，而PAM和XC胶液中自由水含量基本相当。总的来看，随着水溶性聚合物含量的增加，自由水含量降低、束缚水含量提高，说明胶液束缚自由水的能力随聚合物含量的增加而增强。

表2 不同含量聚合物胶液中自由水和束缚水的质量Table 2 Qualities of free water and bound water in different content polymer glue solution

2.3 NaCl对聚合物束缚自由水能力的影响

2.3.1 NaCl对蔗糖溶液折光率的影响

NaCl对蔗糖溶液折光率的影响见图3。由图3可见，折光率与NaCl的含量呈良好的线性关系，可以将其作为测定一定含量聚合物胶液中自由水含量的介质。

2.3.2 NaCl对聚合物胶液中自由水含量的影响

将100.00 g 50%（w）的蔗糖溶液与5.00 g不同NaCl含量的0.3%（w）聚合物胶液混合静置2 h，测定混合溶液的折光率并计算不同NaCl含量时，0.3%（w）聚合物胶液的自由水和束缚水含量，以探究NaCl对聚合物胶液中自由水含量的影响，实验结果见图4和图5。

图3 NaCl对50%（w）蔗糖溶液折光率的影响Fig.3 Effect of NaCl content on refractive index of 50%（w）sucrose solution.

图4 NaCl含量对0.3%（w）PAM胶液中自由水和束缚水含量的影响Fig.4 Effect of NaCl content on free and bound water contentof 0.3%（w）PAM glue solution.

图5 NaCl含量对0.3%（w）SAP胶液中自由水和束缚水含量的影响Fig.5 Effect of NaCl content on free and bound water content of 0.3%（w）SAP glue solution.

由图4和图5可见，NaCl的加入显著影响0.3%（w）PAM胶液和0.3%（w）SAP胶液中的自由水含量，且随NaCl含量的增加，PAM和SAP胶液中的自由水含量逐渐增加、束缚水含量降低。NaCl对聚合物胶液自由水含量的影响与NaCl压缩水溶性聚合物水化膜双电层有关，聚合物双电层压缩直接导致聚合物的水动力学体积减小，使得聚合物胶液中的束缚水含量降低、自由水含量提高。

2.4 折光率法与压滤法实验结果的比较

压滤法与折光率法测得的0.2%（w）聚合物胶液中的自由水含量见图6。由图6可见，压滤法和折光率法所测得的4种聚合物胶液中自由水含量的高低顺序一致：CMC＞PAM＞XC＞SAP，说明在此含量下，SAP束缚自由水的能力优于同含量的其他三种聚合物。压滤法测得的自由水含量高于折光率法，原因在于，除自由水能通过滤纸外，少量的聚合物胶液也会直接通过滤纸，从而导致自由水含量的测定值偏高。因此，折光率法的测定结果更为准确。