周洪濤賈 寒曹金園劉雪輝朱彥光蔣坤鵬（.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 66580；.克拉瑪依市正誠有限公司，新疆克拉瑪依 834000）

引用格式：周洪濤，賈寒，曹金園，等.黏度定量突破真空度法快速測定凍膠強度［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：116-119.

黏度定量突破真空度法快速測定凍膠強度

周洪濤1賈 寒1曹金園2劉雪輝1朱彥光1蔣坤鵬2
（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；
2.克拉瑪依市正誠有限公司，新疆克拉瑪依 834000）

引用格式：周洪濤，賈寒，曹金園，等.黏度定量突破真空度法快速測定凍膠強度［J］.石油鉆采工藝，2015，37（5）：116-119.

摘要：為了快速準確地評價交聯聚合物凍膠強度，將旋轉黏度計法與突破真空度法相結合，提出了黏度定量突破真空度法。該方法先通過測定實驗體系的幾個突破真空度值（BV）與相應黏度，做出標準曲線，之后可以通過測定的該體系其他BV值，從曲線上直接得出對應的體系黏度。以HPAM-鉻凍膠體系為例，研究了不同聚合物質量分數、交聯劑質量分數、溫度和礦化度條件下，凍膠體系BV值與對應黏度的關系，結果表明：在實驗條件范圍內，無論體系的強度是增大或減少，黏度都表現出相應的線性變化關系，從而證實了所提出的黏度定量突破真空度法的可信性。使用瓜膠-有機硼凍膠體系和黃原膠-有機鉻凍膠體系進一步驗證了該方法的普適性，表明該方法可在簡單易行的實驗條件下，準確反映出體系的凍膠強度。

關鍵詞：凍膠強度；測定方法；旋轉黏度計法；突破真空度法；鉻凍膠

目前國內外在油田堵水、調剖處理中使用最多、應用最廣的是聚合物凍膠類調剖劑［1］。在聚合物使用的初期階段，聚丙烯酰胺水溶液（PAM）作為一種優(yōu)良的選擇性調剖堵水劑被現場大量應用，但其降低水相滲透率的效果在高滲透油藏中并不理想。為了克服PAM的上述缺點，目前使用較多的是交聯聚丙烯酰胺調剖劑［2-5］。由于交聯聚合物調剖劑種類繁多，而對其進行篩選、評價過程非常繁瑣， 時間因素對于現場應用又是必須要重點考慮的。因此，在有限的時間內，能夠有效準確地篩選、評價交聯聚合物體系是極其重要的。

成膠強度是凍膠成膠過程重要的性能指標之一，其評價方法較多。一般認為，交聯聚合物溶液凍膠強度是很難測量的，也很難定義，把凍膠向任何機械黏度計內轉移，對凍膠的性能均會產生一定損害，因此，除非這種凍膠允許在黏度計中形成并凝固，否則黏度測量值通常不能代表真實的凍膠強度［6］，這就對測定方法提出了非常高的要求，既要原位準確，又要簡單易行。目前常見的方法主要有觀察法［2］、旋轉黏度計法［7］、突破真空度法［8］、流變參數法［9］。其中，觀察法（凝膠代碼法）簡單易行，但只能定性判斷；旋轉黏度計測定雖然數據準確，但在高速狀態(tài)下易“爬桿”，因而使用范圍有限；突破真空度法操作簡便，但其所測得突破真空度只能認為是一種“半定量”的比較；流變參數法最為準確，但是其操作復雜，所用儀器精密，不利于現場使用?；趯σ陨戏椒ǖ目偨Y比較，將旋轉黏度計法與突破真空度法相結合，提出了一種較為創(chuàng)新性的評價方法。以常見的HPAM-鉻凍膠體系為主要例證，改變多種因素（聚合物質量分數、交聯劑質量分數、溫度、礦化度等）驗證該方法的可信性，之后再使用瓜膠-有機硼凍膠體系和黃原膠-有機鉻凍膠體系進一步驗證了該方法的普適性。

1　實驗部分

1.1 實驗藥品

部分水解的陰離子型聚丙烯酰胺，工業(yè)品，分子量（1 000萬~1 200萬），水解度5%，固含量＞90%；交聯劑重鉻酸鈉；羥丙基瓜爾膠（瓜膠）；黃原膠；硼砂；亞硫酸鈉；氯化鈉。

1.2 實驗儀器

電熱鼓風干燥箱，上海安亭科學儀器有限公司；JJ-增力電動攪拌器，金壇市醫(yī)療儀器有限公司；GL-802A微型臺式真空泵，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；DV3T黏度計，美國Brookfield公司。

1.3 實驗方法

配置一定濃度的陰離子聚丙烯酰胺溶液，加入一定配比的交聯劑重鉻酸鈉、亞硫酸鈉，攪拌均勻注入藍蓋瓶中，放入設定溫度的電熱鼓風干燥箱內，待凍膠成膠后采用DV3T黏度計測定凍膠的黏度。

采用突破真空度法測定凍膠強度，實驗裝置圖1所示。將裝有已成膠凍膠的藍蓋瓶按圖1所示與突破真空度實驗裝置連接起來；將1 mL的吸量管尖嘴部分插入凍膠液面下1 cm處，開動真空泵，并緩慢調節(jié)旋鈕增大體系真空度，待空氣突破凍膠時，真空表上真空度的最大讀數即凍膠的突破真空度，簡稱BV值（breakthrough vacuum）值；每個樣品重復測定3次，取其算術平均值作為其最終的BV值。BV值越大，強度越高；反之，強度越低。

圖1　 突破真空度實驗裝置

2　結果與討論

2.1 HPAM-鉻凍膠體系

2.1.1 HPAM質量分數的影響 在不同質量分數的HPAM 溶液中加入質量分數為0.6%的重鉻酸鈉和質量分數0.2%的亞硫酸鈉，待體系成膠后，測得室溫條件下，體系的BV值及黏度值（如圖2所示）。

圖2　 HPAM質量分數對體系BV值及體系黏度的影響

由圖2（a）可以看出，隨著HPAM質量分數的增加，鉻凍膠體系的強度增大，黏度增加。這是由于體系中存在一定數量的交聯劑，構成了網絡結構的結點，隨著構成網絡結構的線（即HPAM）的增加，從而形成了很好的凍膠網絡結構［10］。而從圖2（b）可進一步發(fā)現，體系BV值與相應黏度之間存在著線性增長關系，這是在之前的報道中從未提及的。雖然很難從理論上證實二者的相關性，但筆者認為，發(fā)現半定量化的突破真空度法與精確的體系黏度測定之間存在相關性，從側面證明了突破真空度法的可信性。利用這一關系，可以通過測定體系的幾個BV值與相應黏度，做出標準曲線；之后只需測定該體系的其他BV值，就可以對應得到體系的黏度，從而簡化了實驗流程。

2.1.2 交聯劑質量分數的影響 在聚合物質量分數0.5%的條件下，改變體系交聯劑的質量分數，在室溫條件下測得體系BV值及黏度變化曲線見圖3（a），可以看出，隨著交聯劑質量分數的增大，鉻凍膠體系的強度變差（即突破真空度變?。瑫r黏度相應降低。這是由于聚合物和交聯劑之間發(fā)生過度交聯而引發(fā)凝膠局部脫水收縮，破壞了凍膠網絡結構的連續(xù)性，因此鉻凍膠體系的強度隨著交聯劑質量分數的增大而變差。與此同時，體系的黏度也出現了與BV值對應的線性降低現象，見圖3（b）。

圖3　 交聯劑質量分數體系對BV值及體系黏度的影響

2.1.3 溫度的影響 當聚合物質量分數為0.5%、交聯劑質量分數為0.6%時，溫度對體系BV值及黏度的影響如圖4所示。一般來講，隨著溫度的升高，氧化還原反應速度加快，有利于多核羥橋絡離子的形成及其與HPAM交聯反應，因此，體系成凍時間明顯縮短。而之前的相關文獻對于鉻凍膠體系強度受溫度影響的研究結論不盡相同［10-11］。從圖4（a）上可以看出，對于本文研究體系，在所測定的溫度范圍內，BV值及體系黏度都隨著溫度的升高而增大；同時，BV值及體系黏度的增大仍然保持了一定的線性關系（圖4b）。因此筆者認為在一定溫度范圍內，絡離子的形成及與HPAM交聯反應對于鉻凍膠強度的影響占主導地位。當超過一定范圍后，過高的溫度可能會破壞聚合物凍膠的網絡結構，使得凍膠彈性變差，體系易被破壞。

圖4　 溫度對體系BV值及體系黏度的影響

2.1.4 礦化度的影響 當聚合物和交聯劑質量分數分別為0.5%和0.6%時，礦化度對體系BV值及黏度的影響見圖5。可以發(fā)現，隨著礦化度的增大，體系BV值及黏度都明顯下降，且二者線性關系較好。對于礦化度的影響，一般認為加鹽可以壓縮雙電層，減少靜電斥力，有利于成膠。但從本文實驗結果分析，認為礦化度的增大使得鹽敏效應在體系中占了主導作用，使得HPAM更加卷曲，不易被交聯。

2.2 其他凍膠體系

由2.1中討論的多因素影響可以看出，對于HPAM-鉻凍膠體系，在不同因素改變的條件下，體系BV值對相應黏度的線性關系一直都保持良好。為了進一步證明提出的體系BV值對相應黏度的線性相關性，選擇了另外2種典型的凍膠體系：瓜膠-有機硼凍膠體系和黃原膠-有機鉻凍膠體系。由圖6、圖7可以看出，通過改變體系聚合物的質量分數，體系的BV值對相應黏度都出現了明顯的增大，其原因與HPAM體系類似。進一步觀察發(fā)現，體系BV值對相應黏度的線性關系良好。因而筆者認為所提出的通過BV值對相應黏度做出標準曲線后，直接通過BV值反推體系黏度的方法是具有普適性的，是一種較為簡易便捷測定體系黏度的新方法。

圖5　 礦化度對體系BV值及體系黏度的影響

圖6　 瓜膠質量分數對體系BV值及體系黏度的影響

3　結論

（1）通過HPAM-鉻凍膠體系、瓜膠-有機硼凍膠體系和黃原膠-有機鉻凍膠體系的反復驗證，筆者將凍膠強度測定中的旋轉黏度計法與突破真空度法相結合，提出的黏度定量突破真空度法測定凍膠強度具有可信性和普適性。

（2）通過黏度定量突破真空度方法，只需測定體系的某幾個BV值與相應黏度，做出標準曲線，之后通過BV值對比即可得到對應的體系黏度。該方法既準確又簡單易行，對現場應用有很大的指導意義。

參考文獻：

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（修改稿收到日期 2015-08-12）

〔編輯 朱 偉〕

Quick measurement of gel strength by breakthrough vacuum value method through viscosity quantification

ZHOU Hongtao1, JIA Han1, CAO Jinyuan2, LIU Xuehui1, ZHU Yanguang1, JIANG Kunpeng2
（1. Petroleum Engineering College, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China;
2. Karamay Zhengcheng Co.Ltd., Karamay 834000, China）

Abstract:Through the combination of rotational viscometer method and breakthrough vacuum value method, the breakthrough vacuum value method through viscosity quantification is presented. Through testing the breakthrough vacuum value (BV) and corresponding viscosity of several systems, the standard curve was made. Then by measuring the other BV values of the system, the viscosity can be directly obtained from the curve. Taking HPAM-chromium gel system as an example, research was conducted on the relation between BV value of gel system and the corresponding viscosity under conditions of mass fractions of various polymers, mass fraction of crosslinking agent, temperature and salinity of the system. It revealed that, within the scope of experimental conditions, viscosity always showed corresponding linear change, no matter the strength of the system increased or decreased, therefore it demonstrates the reliability of breakthrough vacuum value method through viscosity quantification. By the application of hydroxypropyl guar gum-organoboron gel and xanthan gum-chromium gel, the universal adaptation of the method was further demonstrated, showing that this method accurately reflects the gel strength of the system under simple experimental conditions.

Key words:gel strength; measurement method; rotational viscometer method; breakthrough vacuum value method; chromium gel

作者簡介：周洪濤，1969年生。主要研究方向：提高原油采收率，膠體與界面化學，油氣田開發(fā)工程，油田化學，博士，副教授。電話：0532-86981901。E-mail：zhouht@upc.edu.cn。

基金項目：校企合作項目“低滲裂縫油藏選擇性調剖技術研究”（編號：13270502000229）。

doi:10.13639/j.odpt.2015.05.029

文章編號：1000 – 7393（2015）05 – 0116 – 04

文獻標識碼：A

中圖分類號：TE357.4