纳米二氧化硅对聚合物凝胶强度的影响

采 用 HAAKERS6000流变仪、一维驱替装置研究了纳米二氧化硅对凝胶溶液和成胶后的凝胶的弹性模量、黏性
模量、屈服值和封堵性能的影响结果表明：随着纳米二氧化硅在凝胶配方中的质量分数从0 增 加 至 4% , 凝
胶溶液黏度从86 mPa，S逐渐增加至141mPa_S, 凝胶溶液的弹性模量从13.5 P a 增 加 至 20 P a、黏性模量由5.4 Pa
第 50卷第5 期 2021年 5 月
当 代化工 Contemporary Chemical Industry
Vol.50，No.5 May，2021
纳米二氧化硅对聚合物凝胶强度的影响
汪成
(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天 津 300459)
摘
要 ：为揭示纳米二氧化硅对聚合物凝胶强度的影响，通过改变纳米二氧化硅在凝胶溶液中质M分数，
1.0
1
1.5
1
2.0
1
2.5
1
3.0
1
4.0
乙酸 铬质量分
数/% 0.125 0.125 0.125 0.125
0.125 0.125 0.125 0.125
黏度/ mPas
86
97
102 110
116 125 137 141
弹性 黏性 模量/Pa 模量/Pa
13.5
5.4
14.0
5.5
14.8
5.8
1 . 2 . 1 不同质量分数纳米二氧化硅凝胶溶液的配制 将 水 加 人 烧 杯 中 ，启 动 搅 拌 器 ，搅拌速率
2 0 0 0 「min' 首先加人纳米二氧化硅颗粒，然后快 速加人部分水解聚内烯酰胺，搅 拌 40 m in 后静置 4 h 待用。 1.2.2凝胶溶液流变性质的测定
使 用 HAAKE RS6 0 0 型流变仪在定剪切速率 170 s' 30 t 条件下用同轴圆筒Z41T i 系统测定不 同质量分数纳米二氧化桂的凝胶溶液的表观黏度
对成胶后的凝胶采用齿板-板PP2 0 进行流变性 质 的 考 察 ，包 括 强 迫 振 荡 应 力 扫 描 、频 率 扫 描 、定 应力定频率扫描、屈服值。实 验 温 度 均 为 3 0 尤。
凝胶黏弹性模量的测定：在定 频 率 0.5 Hz，位力 在 10 ~ 320 Pa对凝胶进行应力扫描。在定应力40 Pa, 定 频 率 0.5 Hz, 对凝胶进行定应力定频率扫描。
增加至7.8 P a 成胶后的凝胶的弹性模量从20.7 P a 增加至205 Pa、黏性模量由3.1 P a 增 加 至 17.55 Pa, 屈服值
从 72 P a 增 加 至 1 020 P a , 凝胶对热水的封堵压力从0.27 MPa增 加 至 3.45 M P a,凝胶的微观网络结构逐渐致密，
纳米材料在油气田开发中应用已久，例如用在 体 材 料 对 凝 胶 强 度 的 影 响 因 此 本 文 研 究 不 同 质
钻完井液、间井 液 、压 裂 液 、调剖堵水剂、驱油剂 量分数纳米二氧化硅对凝胶强度的影响，包括反映
中||_31,其 中 聚 丙 烯 酰 胺 凝 胶 广 泛 用 于 调 剖 、堵 水|4< ，其价 格 低 廉 、中低温下成胶强度和成胶时间
孔洞尺寸变小，说明纳米二氧化硅可以增加凝胶的弹性与强度
关 键 词 ：纳米二氧化挂；凝胶；弹性模量；黏性模量；屈服值
中图分类号：0648.2*3; TE357.46 文献标识码： A 文章编号：1671-0460 ( 2021 ) 05-1086-04
Influence o f Nano-silica on Polym er Gel Strength
15.2
5.8
15.3
6.4
17.6
7.0
17.8
7.4
20.0 7.8
察 ，包括强迫振荡应力扫描、频率 扫 描 、定应力定 频率 扫 描 、屈服值。实 验 温 度 均 为 30
凝胶溶液黏弹性模量的测定：在 定 频 率 0.5 Hz， 应 力 在 0.01 ~ 15 P a 对凝胶进行应力扫描。在线性黏 弹 性 区 选 定 应 力 1 Pa, 定 频 率 0.5 H z下进行频率扫 描 ，从而测定黏弹性模量。 1.2.3凝胶流变性质的测定
1 . 1 实验材料与仪器 纳米二氧化硅，尺 寸 直 径 20 nm的球体颗粒，
强度的调剖堵水剂提出了需求〜81。通常影响聚内烯 江苏天行新材料有限公司；水 解 度 为 2 5 % 的部分水
酰胺凝胶强度的因素有聚丙烯酰胺的质量分数、交 解聚丙烯酰胺，法 国 爱 森 （中丨_ ) 有限公司；乙酸
联剂的质量分数，但斯伦贝谢和H本信州大学的研 究表明纳米材料碳纳米管可以大幅提高堵水调剖剂
在 定 应 力 40 Pa、频 率 0.5 Hz下测定含不同质 量分数纳米二氧化硅成胶后凝胶的弹性模量和黏性 模 量 ，结 果 见 表 2。
表 2 不同质量分数纳米二氧化硅对成胶后凝胶的黏弹性 模量影响
Table 2 T he influence o f different m ass fraction nano-silica
采 用 Z41T i 系统对凝胶溶液进行流变性质的考
on the viscosity, elastic m odulus and viscous m odulus o f polym er solution
配方 编号
1 2
3
4
5
6Байду номын сангаас
7
8
聚合 纳米二 物质1 分 氧化硅质
数/% 量分数/%
1
0
1
0.5
1
第50卷第5 期
汪 成 ：纳 米 二 氧 化 硅 对 聚 合 物 凝 胶 强 度 的 影 响
1087
限 公 司 ；一 维 岩 心 驱 替 模 型 ，江苏海安石油科研仪
器有限公司。 1 . 2 实验方法
表 1 不同质量分数纳米二氧化硅对凝胶溶液黏度、黏弹性 模量的影响
Table 1 T he influence o f different m ass fraction nano-silica
2 结果与讨论
2 . 1 纳米二氧化硅对凝胶溶液流变性质的影响 在 考 察 纳 米 二 氧 化 硅 对 凝 胶 强 度 影 响 前 ，首先
考察纳米二氧化硅对凝胶成胶前的凝胶溶液流变性
2 . 2 纳米二氧化硅对成胶后凝胶黏弹性模量的影响 凝 胶 溶 液 与 交 联 剂 乙 酸 铬 、纳 米二氧化硅在
70 t 下 加 热 4 h 形 成 果 冻 状 的 凝 胶 凝 胶 弹 性 模 量 大反映凝胶的刚性和强度大，凝胶的抗变形和抗压 能 力 大 ，在 地 层 中 不 容 易 因 注 入 流 体 压 差 大 ，导致 凝 胶 被 流 体 刺 入 ，从 而 失 去 封 堵 流 体 的 作 用 。黏性 模 量 表 示 样 品 流 动 消 耗 的 能 量 ，一 般 转 变 为 剪 切 热 , 表 征 凝 胶 黏 性 的 大 小 ，黏 性 模 量 大 有 利 于 凝 胶 与 地 层 岩 石 的 粘 结 作 用 ，增 加 凝 胶 耐 注 入 流 体 的 冲 刷 能 力 ，减少凝胶因注人流体驱动而移动位置，从而长 时间保持扩大注人流体波及范围的作用。
on the elastic m odulus and viscous m odulus o f gels
凝胶强度的性能参数— 凝胶的黏度、弹性模量、 黏 性 模 量 、屈 服 值 、封堵压差。
可调 。吉 林 、辽河等部分老油田由于长期水驱及裂 缝 的 影 响 ，注 人 水 主 要 沿 着 油 藏 内 部 的 特 高 渗 大 孔
1 实验部分
道/裂 缝 流 动 ，造 成 水 窜 和 指 进 现 象 ，注人水波及范 围 小 ，严重影响了水驱的采油效果，因而油田对高
铬 溶 液 ，M 药集团化 学 试 剂 北 京 有 限 公 司 。 RS 6000 Hakke流 变 仪 ，赛默飞世尔科技公司;
的耐温、耐压性能，但未研究不同质量分数纳米固 J B 120-S H 强 力 数 显 搅 拌 机 ，上海力晨仪器科技有
基 金 项目 收 稿 曰期 作 者 简介
中国海洋石油总公司项目，多元热流体增效关键技术研究与 应 用 （项目编号：2011ZX05024 YF 2015-01 ) 2021-01-25 汪 成 （1987-)，男，中级工程师，中国石油大学（北 京 ）应用化学专业硕士（2013)，研究方向：油田化学和稠油热采工艺 E-mail：wangcheng2 1 @
WANG Cheng (COSL Oilfield Production Department, Tianjin 300459, China)
Abstract: In order to reveal the influence of nano-silica solid particles on polymer gel strength, gel properties including rheological and viscoelastic properties, yield value and plugging performance were measured separately by HAAKE rheometer and sand-packed tube experiment. The results showed that,when the mass fraction of nano-silica increased from 0 to 4%, the viscosity, elastic modulus and viscous modulus of the gel solution increased. And the elastic modulus, viscous modulus and yield value of the gel increased with the increase of the mass fraction of nano-silica.With the increase of nano-silica in the gel formulation from 0 to 4%, the viscosity of the gel solution increased from 86 mPa s to 141 mPa s, and the elastic modulus of the gel solution increased from 13.5 Pa to 20 Pa, and the viscosity modulus increased from 5.4 Pa to 7.8 Pa. When nano-silica mass fraction increased from 0 to 4%, the elastic modulus of the gel increased from 20.7 Pa to 205 Pa, and the viscosity modulus increased from 3.1 Pa to 17.55 Pa, and the yield value increased from 72 Pa to 1 020 Pa. The nano-silica enhanced plugging pressure of gels from 0.27 MPa to 3.45 MPa, and the microstructure of the gel gradually became compact and the pore size became smaller,which indicated nanoscalc silica could increase the elasticity and strength of the gel. Key words: Nano-silica; Rheological properties of gels; Elastic modulus, Viscous modulus; Yield value
屈服值：测试条件与应力扫描相同，转子采用 Z41T i 系统圆筒测量头。 1.2.4凝胶封堵实验
实 验 温 度 7 0 丈下，用 70 ^热 水测定岩心两端 压 差 ，然 后 注 人 0.2 P V 不同质量分数的二氧化硅凝 胶溶液；在 70 t 下待凝胶成胶后，继续进行热水 驱 替 ，测定岩心两端的压力差。