纤维素醚凝胶强度的测定方法

2021-02-27张静苏延辉史斌黄毓祥郑晓斌耿学礼中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津300452

化工管理 2021年4期

张静，苏延辉，史斌，黄毓祥，郑晓斌，耿学礼(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

0 引言

油田堵水、调剖处理中应用最为广泛的是聚合物冻胶类调剖剂，然而近年来温敏热可逆凝胶纤维素醚堵调体系逐渐成为稠油油藏堵水调剖的研究热[1]。纤维素醚的凝胶强度是地层实现封堵作用最重要的指标之一，但是其强度测试方法没有统一的标准。评价冻胶强度常用的方法，如观察法—一种直接、经济的测试冻胶强度的方法，利用冻胶的强度代码表判断欲测凝胶强度的级别[2]；旋转法—通常用到的仪器有布氏黏度计和流变仪，布氏黏度计测试样品的温度限制在90 ℃以内[3]；突破真空度法—利用空气突破冻胶时压力表最大的读数代表了冻胶的强度[4]。冻胶的成胶机理是在高分子溶液中加入交联剂，交联剂与高分子链通过化学键连接形成空间网状结构，将液相包在其中，从而使整个体系失去流动性，则转变为冻胶，此过程不具有可逆性，属于化学变化。而纤维素醚的凝胶机理是低温时，纤维素醚大分子被小分子的水通过氢键作用包围，形成水溶液，随着溶液的温度升高，氢键作用遭到破坏，纤维素醚大分子通过疏水基团作用聚集在一起从而形成凝胶的状态，此过程是物理变化[5]。虽然两者成胶机理不同，但是外观却有类似的状态，即在三维空间上形成不可流动的半固体状态。冻胶强度的评价方法是否适用评价纤维素醚凝胶的强度需要探索和实验验证。本文采用评价冻胶强度的观察法、旋转法和突破真空法3种传统方法去评价纤维素醚凝胶的强度，并在此基础上形成了一种正向压力突破法。

1 实验部分

1.1 主要实验设备和仪器

电热恒温水浴锅，DZKW-S-6，北京市永光明医疗仪器有限公司；高温高压流变仪，MARSⅢ，德国HAAKE公司公司；循环水式多用真空泵，SHB-III，巩义市瑞德仪器设备有限公司；传感器，DP1701-EL1D1G，宝鸡百事得控制技术有限公司；压力采集系统，山东中石大石仪科技有限公司；比色管，100 mL，天津天科玻璃仪器制造有限公司；耐高温玻璃瓶，120 mL，德国肖特玻璃厂；高纯氮，天津高创宝兰气体有限公司。

1.2 实验样品及制备

羟丙基甲基纤维素醚，60RT400，泰安瑞泰纤维素有限公司；将2 g、3 g和4 g羟丙基甲基纤维素醚分别溶于80 ℃的50 mL热水中，搅拌均匀后加入25 ℃的50 mL冷水，样品完全溶解后形成浓度分别为0.02 g/mL、0.03 g/mL和0.04 g/mL的纤维素醚溶液。

1.3 纤维素醚凝胶强度测试实验方法

(1)采用观察法测试。实验中采用的宽口耐高温玻璃瓶容量均为120 mL，纤维素醚溶液的体积为50 mL。将配制好浓度为0.02 g/mL、0.03 g/mL和0.04 g/mL的纤维素醚溶液置于耐高温玻璃瓶中，不同温度下将其倒置，依据凝胶强度代码对以上三种不同浓度的纤维素醚水溶液的成胶强度进行测试。

(2)采用旋转法测试。本实验测试仪器采用高温高压流变仪，选取浓度为2%的纤维素醚水溶液置于转筒中进行测试，升温速度是5 ℃/10 min，剪切速率是50 s-1，测试时间1 min，升温范围40～110 ℃。

(3)采用突破真空度法测试。将盛有凝胶的比色管按图1顺序连接起来，开启真空泵，读取空气突破凝胶时压力表最大读数，每个样品均操作三次取平均值。

(4)采用正向压力法测试。根据突破真空度法的原理，我们对此实验方法进行了改进，采用正向压力突破的方法。将装有凝胶的比色管按图2连接起来，采用压力采集系统测试纤维素醚凝胶的强度。实验中凝胶的用量为50 mL，比色管的容量为100 mL，内径为3 cm，插入凝胶中圆管的内径为1 cm，插入深度为3 cm。缓慢开启氮气瓶的开关，当看到显示的压力数据突然大幅度下降时，取最高点为突破凝胶所需强度值，每个样品均操作三次取平均值。

2 实验结果与讨论

2.1 观察法对测试纤维素醚凝胶强度的适用性

用观察法评价纤维素醚凝胶强度的结果如表1所示，以浓度为0.02 g/mL的纤维素醚溶液为例，可知在温度为65 ℃时强度级别为A，随着温度的升高强度开始增大，至75 ℃的时候呈现凝胶的状态，强度级别由B转变为D，温度升高至120 ℃时强度级别为F。可知该评价方法的评价结果只是显示了凝胶的强度级别，而不能用数据来表示凝胶的具体强度，即定性而不能定量。该方法的优点是操作简单、直观，可以利用此方法廉价的筛选到所需强度的凝胶。

表1 不同温度下不同浓度纤维素醚凝胶的强度

2.2 旋转法对测试纤维素醚凝胶强度的适用性

用旋转法评价纤维素醚凝胶强度实验结果如图3所示。

图3 不同温度下纤维素醚的黏度

当溶液加热到80 ℃的时候，溶液的黏度为61 mPa·s，之后黏度迅速上升，100 ℃的时候黏度达到最大值为46 790 mPa·s，之后强度下降。与之前观察到的65 ℃时羟丙基甲基纤维素醚水溶液的黏度开始增大，75 ℃左右时出现凝胶并且强度一直增大的现象不符合。出现这种现象的原因是测试纤维素醚凝胶强度时由于转子的转动导致凝胶破碎，造成后续温度下凝胶强度的数据不正确。因此，此方法不适合评价纤维素醚凝胶的强度。

2.3 突破真空度法对测试纤维素醚凝胶强度的适用性

用突破真空度法评价纤维素醚凝胶强度实验结果如表2所示，此种方法不涉及转子的转动，因此可以避免转子的转动带来的胶体剪切破碎的问题。由上述实验结果可知此方法可以定量测试凝胶的强度，当温度为100 ℃时，浓度为4%的纤维素醚凝胶的强度大于0.1 MPa(真空度最大值)，无法测量强度大于0.1 MPa的凝胶的强度，即此方法测试凝胶强度的上限为0.1 MPa。此实验中纤维素醚凝胶后的强度大于0.1 MPa，所以此方法不适合评价纤维素醚凝胶的强度。