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摘 要:通过研究聚乙二醇400、聚乙二醇2000、聚乙烯比咯烷酮、80A51等聚合物的反应,发现这些聚合物可以有效的降低聚丙烯酰胺、80A51等聚合物的粘度。原因是他们可以通过以氢键为主的几种作用力与聚合物形成高分子络合物,降低了大分子之间的交联作用,阻碍了空间网状结构的形成,同时,也降低了大分子的特性粘度,从而可以有效的降低聚合物溶液的粘度。
关键词:络合 钻井液 聚合物 粘度 试验
中图分类号:TE25 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)04(c)-0003-01
1 钻井液粘度影响因素分析
1.1 聚合物钻井液3种降粘剂及其作用机理
在我国通常可以把降粘剂分为3类。
(1)铁铬木质素磺酸盐,磺甲基栲胶,磺甲基褐煤。磺甲基单宁。主要是一些改性的天然有机化合物。
(2)焦磷酸钠。三聚磷酸钠,六偏磷酸钠,有机硅稀释剂。主要是一些低分子量的无机物和有机硅醇类。
(3)都是共聚物型的降粘剂:VAMA,SSMA,XB-40、XT-501,XW-74等。
共聚物型稀释剂对聚合物钻井液的降粘机理的要点主要有3个,与高聚物形成大分子络合物,拆散了与粘土形成的桥联结构;使高聚物分子收缩、脱水;削弱了高聚物分子之间的交联结构。
1.2 络合反应对钻井液性能的影响
1.2.1 络合反应的降粘作用
在纯水介质中,将浓度为0.4g/L的PVP和HEC以体积比100∶1、91∶1、82∶1、73∶1比例混合。试验结果表明,以不同比例混合的PVP/HEC复合体系的相对粘度低于理论的稀释曲线,即在试验浓度范围内,二者的相互作用对粘度产生了负协同效应。此现象与HPAM/PVP混合体系的结果相反。其原因是HPAM是既含有负电基团又含有酰胺基团的柔性大分子,PVP在水溶液中带有微弱正电荷,微弱的静电吸引使二者相互接近形成大分子复合物,此复合物具有良好的亲水性,在水中大分子链伸展,并相互缠结,从而具有较大的水动力学体积,故使体系粘度升高;而HEC是刚性大分子,其分子主链及侧链上含有多个羟基,易与水形成氢键,使HEC分子具有较大的水动力学体积,故单一HEC溶液粘度较高。PVP的存在破坏了HEC与水间的氢键网络结构,HEC与PVP形成的复合物结构比较紧凑,复合物的水动力学体积比单一组分的小,所以PVP/HEC复合体系的粘度降低。
1.2.2 络合反应的提粘作用
PVP/HPAM混合体系的增比粘度比单一体系增比粘度的简单加和大得多。光谱结果显示,在溶液中二者通过静电力可形成超分子复合物。可以增加聚合物泥浆的粘度,以达到提高原油采收率的目的。
2 试验方法
2.1 溶液配制
分别在大容量瓶中配制1%聚丙烯酰胺溶液,1%80A51溶液,1%聚乙二醇400溶液,1%聚乙二醇2000溶液,1%聚乙烯吡咯烷酮溶液,并静置4～5d,让其充分溶解;配制5%氢氧化钠溶液。
2.2 粘度测定
第1步：浓度为0.8‰的聚丙烯酰胺溶液与浓度为1‰的聚乙二醇溶液混合,测其粘度。用移液管分别取1%聚丙烯酰胺溶液8 mL,1%聚乙二醇400溶液10 mL,将其放入容量瓶中,然后再加入82 mL蒸馏水,使其总量为100 mL,则在混合溶液中聚丙烯酰胺溶液浓度为0.8‰,聚乙二醇400溶液的浓度为1‰。
第2步：将混合溶液充分混合后,加入平式毛细管粘度计中,然后降粘度计放入恒温热水槽(热水槽温度为25℃)中,待温度恒定后按照规则测取混合溶液粘度,测2到3遍。
第3步：在混合溶液中加入氢氧化钠溶液,调节混合溶液的pH值,使pH值大约为9,然后用粘度计测其粘度,测2到3遍。
按照以上步骤,将聚乙二醇400溶液分别换作聚乙二醇2000溶液、聚乙烯吡咯烷酮溶液,将聚丙烯酰胺溶液换作80A51溶液等,就可以测出其他数据。
3 试验结果与讨论
3.1 聚乙二醇400对聚丙烯酰胺溶液粘度的影响
在加入不同浓度的聚乙二醇400溶液,pH=7时,混合溶液的粘度是下降的。在混合溶液中,当聚乙二醇400浓度很低时,混合溶液粘度就可以得到大幅度的降低,随着聚乙二醇400的浓度的进一步增加,混合溶液粘度有所提高,再加大聚乙二醇400的浓度,混合溶液的粘度又有所下降,总体上图线呈锯齿状。
聚合物在水溶液中能够通过库仑力、氢键、疏水作用、范德华力等作用力形成络合物,主要是以氢键和疏水作用为主。
3.2 聚乙二醇2000对聚丙烯酰胺溶液粘度的影响
分析可以看出,pH=7时,在混合溶液中,当聚乙二醇2000浓度很低时,聚丙烯酰胺溶液的粘度就有大幅度降低,然后随着聚乙二醇2000浓度的增大,混合液粘度先稍微上升,然后又有所下降,总体上使曲线呈锯齿状,并且后期粘度变化幅度都比较小。聚乙二醇2000的的浓度大小对聚乙二醇的降粘效果影响不大。通过比较分析,pH值对聚乙二醇2000对聚丙烯酰胺的粘度影响有所影响,但影响不大。
3.3 聚乙烯吡咯烷酮对聚丙烯酰胺溶液粘度的影响
试验结果表明,在pH=7的情况下,随着聚乙烯吡咯烷酮浓度的逐步增加,聚丙烯酰胺溶液的粘度稍微有所上升,但是变化幅度很小,基本上趋于稳定,说明聚乙烯吡咯烷酮的浓度大小对降低聚丙烯酰胺粘度的效果影响不大。
在pH=9时,效果不如pH=7时明显。增加聚乙烯吡咯烷酮浓度,聚丙烯酰胺溶液的粘度明显上升,随着聚乙烯吡咯烷酮浓度的进一步增大,曲线先下降,然后上升,但是变化幅度比较小。
由分析可以看出,pH值大小对聚乙烯吡咯烷酮的降粘效果有所影响,pH值较大时降粘效果不明显。
4 结语
聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮在加入很少量时,就可以大幅度降低聚丙烯酰胺溶液的粘度,原因是他们可以与聚丙烯酰胺通过氢键形成高分子络合物。形成络合物后,降低了大分子之间的交联作用,阻碍了空间网状结构的形成,同时,也降低了大分子的特性粘度,从而可以降低聚合物溶液的粘度。
参考文献
[1] 路福绥．SSMA对HPAM蒙脱土泥浆稀释机理研究[J]．油田化学,1988,5(2):88-92．
[2] 张春光．SSMA对海泡石-HPAM体系的稀释作用[J]．油田化学,1988,5(1):1-5．
[3] 杨延莲．PVPHEC分子间缔合作用机理探讨[J]．山东大学学报,2000,35:315．
关键词:络合 钻井液 聚合物 粘度 试验
中图分类号:TE25 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)04(c)-0003-01
1 钻井液粘度影响因素分析
1.1 聚合物钻井液3种降粘剂及其作用机理
在我国通常可以把降粘剂分为3类。
(1)铁铬木质素磺酸盐,磺甲基栲胶,磺甲基褐煤。磺甲基单宁。主要是一些改性的天然有机化合物。
(2)焦磷酸钠。三聚磷酸钠,六偏磷酸钠,有机硅稀释剂。主要是一些低分子量的无机物和有机硅醇类。
(3)都是共聚物型的降粘剂:VAMA,SSMA,XB-40、XT-501,XW-74等。
共聚物型稀释剂对聚合物钻井液的降粘机理的要点主要有3个,与高聚物形成大分子络合物,拆散了与粘土形成的桥联结构;使高聚物分子收缩、脱水;削弱了高聚物分子之间的交联结构。
1.2 络合反应对钻井液性能的影响
1.2.1 络合反应的降粘作用
在纯水介质中,将浓度为0.4g/L的PVP和HEC以体积比100∶1、91∶1、82∶1、73∶1比例混合。试验结果表明,以不同比例混合的PVP/HEC复合体系的相对粘度低于理论的稀释曲线,即在试验浓度范围内,二者的相互作用对粘度产生了负协同效应。此现象与HPAM/PVP混合体系的结果相反。其原因是HPAM是既含有负电基团又含有酰胺基团的柔性大分子,PVP在水溶液中带有微弱正电荷,微弱的静电吸引使二者相互接近形成大分子复合物,此复合物具有良好的亲水性,在水中大分子链伸展,并相互缠结,从而具有较大的水动力学体积,故使体系粘度升高;而HEC是刚性大分子,其分子主链及侧链上含有多个羟基,易与水形成氢键,使HEC分子具有较大的水动力学体积,故单一HEC溶液粘度较高。PVP的存在破坏了HEC与水间的氢键网络结构,HEC与PVP形成的复合物结构比较紧凑,复合物的水动力学体积比单一组分的小,所以PVP/HEC复合体系的粘度降低。
1.2.2 络合反应的提粘作用
PVP/HPAM混合体系的增比粘度比单一体系增比粘度的简单加和大得多。光谱结果显示,在溶液中二者通过静电力可形成超分子复合物。可以增加聚合物泥浆的粘度,以达到提高原油采收率的目的。
2 试验方法
2.1 溶液配制
分别在大容量瓶中配制1%聚丙烯酰胺溶液,1%80A51溶液,1%聚乙二醇400溶液,1%聚乙二醇2000溶液,1%聚乙烯吡咯烷酮溶液,并静置4～5d,让其充分溶解;配制5%氢氧化钠溶液。
2.2 粘度测定
第1步：浓度为0.8‰的聚丙烯酰胺溶液与浓度为1‰的聚乙二醇溶液混合,测其粘度。用移液管分别取1%聚丙烯酰胺溶液8 mL,1%聚乙二醇400溶液10 mL,将其放入容量瓶中,然后再加入82 mL蒸馏水,使其总量为100 mL,则在混合溶液中聚丙烯酰胺溶液浓度为0.8‰,聚乙二醇400溶液的浓度为1‰。
第2步：将混合溶液充分混合后,加入平式毛细管粘度计中,然后降粘度计放入恒温热水槽(热水槽温度为25℃)中,待温度恒定后按照规则测取混合溶液粘度,测2到3遍。
第3步：在混合溶液中加入氢氧化钠溶液,调节混合溶液的pH值,使pH值大约为9,然后用粘度计测其粘度,测2到3遍。
按照以上步骤,将聚乙二醇400溶液分别换作聚乙二醇2000溶液、聚乙烯吡咯烷酮溶液,将聚丙烯酰胺溶液换作80A51溶液等,就可以测出其他数据。
3 试验结果与讨论
3.1 聚乙二醇400对聚丙烯酰胺溶液粘度的影响
在加入不同浓度的聚乙二醇400溶液,pH=7时,混合溶液的粘度是下降的。在混合溶液中,当聚乙二醇400浓度很低时,混合溶液粘度就可以得到大幅度的降低,随着聚乙二醇400的浓度的进一步增加,混合溶液粘度有所提高,再加大聚乙二醇400的浓度,混合溶液的粘度又有所下降,总体上图线呈锯齿状。
聚合物在水溶液中能够通过库仑力、氢键、疏水作用、范德华力等作用力形成络合物,主要是以氢键和疏水作用为主。
3.2 聚乙二醇2000对聚丙烯酰胺溶液粘度的影响
分析可以看出,pH=7时,在混合溶液中,当聚乙二醇2000浓度很低时,聚丙烯酰胺溶液的粘度就有大幅度降低,然后随着聚乙二醇2000浓度的增大,混合液粘度先稍微上升,然后又有所下降,总体上使曲线呈锯齿状,并且后期粘度变化幅度都比较小。聚乙二醇2000的的浓度大小对聚乙二醇的降粘效果影响不大。通过比较分析,pH值对聚乙二醇2000对聚丙烯酰胺的粘度影响有所影响,但影响不大。
3.3 聚乙烯吡咯烷酮对聚丙烯酰胺溶液粘度的影响
试验结果表明,在pH=7的情况下,随着聚乙烯吡咯烷酮浓度的逐步增加,聚丙烯酰胺溶液的粘度稍微有所上升,但是变化幅度很小,基本上趋于稳定,说明聚乙烯吡咯烷酮的浓度大小对降低聚丙烯酰胺粘度的效果影响不大。
在pH=9时,效果不如pH=7时明显。增加聚乙烯吡咯烷酮浓度,聚丙烯酰胺溶液的粘度明显上升,随着聚乙烯吡咯烷酮浓度的进一步增大,曲线先下降,然后上升,但是变化幅度比较小。
由分析可以看出,pH值大小对聚乙烯吡咯烷酮的降粘效果有所影响,pH值较大时降粘效果不明显。
4 结语
聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮在加入很少量时,就可以大幅度降低聚丙烯酰胺溶液的粘度,原因是他们可以与聚丙烯酰胺通过氢键形成高分子络合物。形成络合物后,降低了大分子之间的交联作用,阻碍了空间网状结构的形成,同时,也降低了大分子的特性粘度,从而可以降低聚合物溶液的粘度。
参考文献
[1] 路福绥．SSMA对HPAM蒙脱土泥浆稀释机理研究[J]．油田化学,1988,5(2):88-92．
[2] 张春光．SSMA对海泡石-HPAM体系的稀释作用[J]．油田化学,1988,5(1):1-5．
[3] 杨延莲．PVPHEC分子间缔合作用机理探讨[J]．山东大学学报,2000,35:315．