化学剂组分浓度对聚合物凝胶成胶性能影响研究

董智煜

摘要：为了更好的揭示聚合物凝胶体系的成胶规律，利用布氏粘度仪对不同化学剂浓度下聚合物凝胶体系成胶粘度及成胶时间进行表征。研究结果表明：凝胶体系随着聚合物以及铬交联剂浓度的增加成胶时间下降、成胶强度增加，硫脲作为稳定可以有效的延缓成胶时间而对成胶强度影响较小。综合考虑成胶时间及成胶强度，最佳的聚合物凝胶体系配方为浓度为2500mg/L的聚合物+质量分数为为0.3%的铬交联剂醋酸铬+质量分数分别为0.03%的硫脲。

关键词：组分浓度；成交时间；成交强度

中图分类号：TQ 325 文献标识码：A 文章编号：

1671-0460（2017）01-0051-03

非均质油藏随着不断的深入开发综合很水率持续升高，大量的研究表面调整非均质油藏吸水剖面，扩大中、低渗透层的波及体积是增加原油产量的重要技术措施。目前，大庆油田采用的聚合物驱油技术可以改善流度比但不能实现非均质油藏的深部调剖。为了实现油藏深部调驱，就需要调剖剂可以运移至油层深部并有效的封堵孔隙介质中的大孔道，这就对调剖剂的性能提出了更高得要求。笔者选择聚合物凝胶体系作为研究对象，综合考虑成胶时间及成胶强度，开展了各化学剂组分浓度对聚合物凝胶成胶性能影响规律研究。

1 实验条件

1.1 实验材料

实验用水：人工合成盐水，矿化度为3700mg/L，模拟大庆油田离子组成；

聚合物：ASHI，有效含量90%，相对分子质量1.6×10⁴；

铬交联剂：醋酸铬，有效质量分数55%，化学纯；

稳定剂：硫脲，分析纯；

实验温度：45℃；

1.2 实验仪器

磁力搅拌器；电子分析天平；恒温振荡水浴；数显搅拌器；采用Borkoefidl公司生产的布氏粘度仪（美国）。

1.3 实验方法

凝胶体系配制：将聚合物、铬交联剂以及新型稳定剂按照一定的浓度配制聚合物凝胶溶液。通过固定三种化学剂中两种化学剂的用量，利用单一变量法分别研究各组分浓度对聚合物凝胶体系成胶性能的影响。

成胶性能定义：定义体系从聚合物溶液转化为聚合物凝胶体系的时间为成胶时间，也可以将溶液配制文成到体系表观粘度、弹性模量增大的时间段定义为成胶时间。此时，利用布氏粘度仪在6rad/min条件下测定凝胶体系的粘度值作为衡量成胶强度的标准。

评价方法：按设计浓度配置溶液，密封后放入45℃恒温箱，实验初期每小时对样品进行粘度测试，6h候改为每2h测定以此粘度，48h后改为24h测定以此，直至体系成胶。

2 实验结果分析

2.1 聚合物浓度对调驱剂成胶性能的影响

为了研究聚合物浓度对聚合物凝胶体系成胶性能的影响规律，先固定铬交联剂醋酸铬的质量分数为为0.3%；新型稳定剂硫脲的质量分数为0.03%，通过改变凝胶体系中聚合物浓度分别为1000、1500、2000、2500、3000、3500mg/L。以此评价聚合物浓度对胶体系成胶性能的影响，实验结果分别如图1所示。

实验结果表明：凝胶体系随着聚合物浓度的增加成胶时间下降、成胶强度增加。当聚合物浓度为1000mg/L时，凝胶体系的成胶时间为25h，成胶粘度只有2080mPa·s，虽然成胶时间长可以保证溶液有效的运移至油层深部，但是成胶强度过低无法满足非均质油藏的调驱需求。在低质量浓度的聚合物用量情况下，聚合物分子呈现出卷曲的形态，无法有效的发生分子间的交联，而分子内的交联使凝胶离子分散在水中而无法形成网状结构。当进一步增加聚合物浓度时，凝胶体系的成胶时间缩短，成胶性能变强。当聚合物浓度增加至300mg/L时，凝胶体系的成胶时间为17h，成胶粘度只有13568mPa·s。此时聚合物质量浓度过大，聚合物凝胶体系的成胶时间缩短，虽然成胶后强度大幅度提高，但是过快的成胶不利于体系运移至油藏深部无法实现深部调驱。这主要是由于随着聚合物浓度的增加溶液中羧基的含量增大，这增加了羧基与溶液中醋酸铬释放的cr³⁺相互碰撞的几率，羧基与cr³⁺发生络合反应形成了网状结构。聚合物浓度越高，这种络合反应速度越快，形成的网状结构越稳定，聚合物高分子链互相缠绕、运动阻力明显增大，凝胶体系粘度增加。

调驱剂的深部调驱。在油田调驱过程中，综合考撞的几率虑聚合物吸附、滞留效应、成胶速度，聚合物浓度在2000至3000mg/L的范围内为益，最佳浓度为2500mg/L。聚合物浓度越高，凝胶体系的粘度越大。这是由于浓度增大，溶液中的梭基含量增加，与交联剂释放的cr³⁺碰撞的幾率增加，使二者络合加快，强度加大，即构成了胶体网络结构的结点速度增加，所以，较浓度低的聚合物形成的胶体速度增加，使得成胶速度变快。其次，聚合物浓度的增加高分子链相互缠结的几率明显增大，体系成胶逐渐形成三维稳定结构，分子运动时的阻力增大，最终导致黏度的增加。

2.2 铬交联剂浓度对调驱剂成胶性能的影响

为了研究铬交联剂浓度对聚合物凝胶体系成胶性能的影响规律，先固定聚合物的浓度为2500mg/L；新型稳定剂硫脲的质量分数为0.03%，通过改变凝胶体系中铬交联剂质量分数分别为0.2%、0.3%以及0.4%。以此评价铬交联剂浓度对胶体系成胶性能的影响，实验结果分别如图2所示。

不同浓度的醋酸铬对聚合物凝胶体系成胶性能影响规律结果表明：随着溶液中醋酸铬浓度的增加，聚合物凝胶体系的成胶粘度增大，成胶时间降低。当溶液中醋酸铬的质量分数为0.2%时，凝胶体系的成胶时间为25h，成胶粘度只有7200mPa·s；当醋酸铬的质量分数为0.3%时，凝胶体系的成胶时间降低至19h，成胶粘度增加至9500mPa·s；当进一步提高醋酸铬的质量分数至0.4%，凝胶体系的成胶时间降低至16.5h，成胶粘度升高至10700mPa·s。由图2曲线规律可以得出，当溶液中铬交联剂浓度由0.2%提高至0.3%时，交联剂浓度对凝胶体系的成胶性能影响较大，成胶强度随铬交联剂浓度的提高而大幅度上升；当铬交联剂浓度处于0.3至0.4%之间时，凝胶体系的成胶强度上升幅度趋于平缓。因此当凝胶体系中铬交联剂浓度为0.3%处于拐点，为最佳的浓度值。

醋酸铬属于金属离子螯合剂，其与聚合物在较低的温度时即可形成金属螯合物。醋酸铬在溶液中需要经过络合、水解、羟桥和进一步水解及羟桥作用形成多核羟桥络离子，Cr³⁺可以与聚合物支链上的羧基形成凝胶。溶液中随着醋酸铬的质量分数增加，释放Cr³⁺的速度增加，成胶时间变短。并且形成的网状结构更加稳定，交联密度增强，所以成胶粘度增大。

2.3 硫脲浓度对调驱剂成胶性能的影响

为了研究稳定剂硫脲浓度对聚合物凝胶体系成胶性能的影响规律，先固定聚合物的浓度为2500mg/L；铬交联剂醋酸铬的质量分数为为0.3%；通过改变凝胶体系中硫脲的质量分数分别为0.02%、0.03%、以及0.04%。以此评价硫脲浓度对胶体系成胶性能的影响，实验结果分别如图3所示。

聚合物凝胶体系中硫脲浓度对成胶性能的影响规律表明：随着稳定剂硫脲的质量分数增加，凝胶体系的成胶强度小幅度降低，但成胶时间增大。当硫脲浓度处于0.02%至0.03%之间时，随着硫脲浓度的增加凝胶体系的成胶粘度由9900mPa·s下降至9500mPa·s，降低幅度較小，而此时成胶时间由14h增加至19h；当当硫脲浓度处于0.03%提高至0.03%时，成胶强度下降至8200mPa·s，而成胶时间提高至24h。实验结果表明了：硫脲浓度的增加可以有效的延缓凝胶体系的成胶时间，但是对成胶粘度影响较小。综合考虑成胶时间及成胶强度，当硫脲的质量分数为0.03%，成胶性能最佳。

硫脲作为一种抗氧化剂可以再凝胶体系中起到稳定的作用，延缓了羧基和Cr³⁺的络合反应速度。一方面这是由于硫脲可以抑制溶液中溶解的氧和细菌，防止他们的存在而导致的聚合物降解，起到保护凝胶体系的作用。另一方面，硫脲在溶液中可以可以形成一个半径为0.35nm的螺旋状孔道，孔道内包裹短侧链异构烷烃而形成络合物。脲硫通过形成配位共价键的Cr³⁺-COO^-络合物而保护活性高的Cr³⁺离子，提供延缓交联体系。

3 结束语

凝胶体系随着聚合物以及铬交联剂浓度的增加成胶时间下降、成胶强度增加，硫脲作为稳定可以有效的延缓成胶时间而对成胶强度影响较小。综合考虑成胶时间及成胶强度，最佳的聚合物凝胶体系配方为浓度为2500mg/L的聚合物+质量分数为为0.3%的铬交联剂醋酸铬+质量分数分别为0.03%的硫脲。