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羧甲基纤维素钠水溶胶液粘度影响实验研究

发布日期:2015-03-25 12:29:07

粘度

钻井液是钻井工程的“血液”,选择性能优良和配伍性恰当的处理剂是维持钻井液性能的首要条件羧甲基纤维素钠(cmc)是一种在钻井液中 广泛使用的油田化学品,聚合度和取代度是决定 CMC性质和用途的主要因素,根据其产品聚合度粘度的不同,分为高粘、中粘和低粘3种,在钻井液中主要 被用作增粘剂和降滤失剂W。在国内某油田现场应用中发现,CMC胶液在井内完成一个循环后基本不再具有增粘作用。有关CMC粘度影响,有学者 曾就不同制备条件对CMC产品粘度和不同用途 CMC的流变性能进行过研究[3~。为了明确在钻井 作业中影响CMC水溶胶粘度的因素,给现场应用提 供一定的技术指导,本文从实验室角度研究了 CMC 水溶胶的溶胀时间、溶胀温度、高速剪切作用及 N^CO,的加入量及加入顺序对CMC水溶胶粘度的 影响。

1实验部分
1.1材料、试剂与仪器
N* C03,分析纯;MV-CMC ( DS 彡0_ 65 )工业级。
NDJ-丨旋转粘度计;ZNN-D6六速旋转粘度计; LCJ型漏斗粘度计;GJSS-B12K变频高速搅拌机; DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器;JY-10002电 子天平。
1.2实验方法
1.2.10.1 %和1.0% CMC水溶胶的配制常温下 称取一定量的CMC胶粉于烧杯中,缓慢加人60 *€ 蒸馏水中分散,并置于磁力搅拌器中搅拌20 min,使 其充分溶胀后,放置备用M。
1.2.2CMC水溶胶合适溶胀时间的确定称取 10 g CMC 配制 1.0% 水溶胶液 1 000 mL,用 NDJ-1 粘度计测定CMC水溶胶液的粘度(单位mPa • s), 考察CMC水溶胶粘度与溶胀时间的关系。
1.2.3温度对CMC水溶胶粘度的影响分别取 1.2. 1节中配制的0. 1% CMC水溶胶500 mL,在 30,40,50,60,70,80,90 t下水浴 30 min,依次使用 漏斗粘度计、NDJ-1粘度计及ZNN-D6六速旋转粘 度计测试。
取1.2. 1节配制的1. 0% CMC水溶胶500 mL 2份,在90尤下水浴30 min,用NDJ-1粘度计测定 CMC胶液的粘度。记录水浴前、水浴后和恢复至室 温时(18丈)的粘度,考察水浴前、后粘度恢复情况。 1.2.4 NajC03的加量与加入顺序对CMC水溶胶 粘度的影响取1.2.1节中配制的1.0% CMC水溶 胶500 mL 2份,分别向其中加入水溶胶质量比 0.1%和1.0%的NajCO;,静置120 min,测试其粘 度。调整CMC与NajCO,的加人顺序,先配制 0.1%和1.0%的%0)3溶液,分别向其中加人质 fi比1.0%CMC,分散后静置溶胀120 min,测试其 粘度。
1.2.5高速机械剪切作用对CMC水溶肢粘度的影 响取1. 2. 1节中配制的1. 0% CMC水溶胶 500 mL 2份置于高速搅拌器中,分别在3 000 r/min 和丨2 000 r/min下测试剪切0,10,20,30 min后的粘 度。
2结果与讨论
2.1适宜溶胀时间的确定
CMC作为线性水溶性聚合物,要使其在水溶液
中分子链充分伸展,水化基团充分水化,必须经过一 定的溶胀时间才能达到一定的粘度值,图1显示了
CMC水溶胶的粘度随溶胀时间的变化趋势。
160
030 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
溶胀时间/min
图1 CMC水溶胶液的溶胀时间与粘度关系曲线
Fig. 1 Relation between the viscosity of CMC hydrosol and its swelling time
CMC在水中不断离解为聚阴离子,分子中水化 基团充分水化,一COO—互相排斥使分子链呈伸展 状态;加之在分散和溶胀的过程中,CMC既可以形 成分子内氢键,又可与水分子形成氢键,两方面原因 使得水溶胶液粘度增大,其适宜的溶胀时间应该为 其达到解离平衡的时间。由图1可知,在120 min 以内,CMC水溶胶液粘度随溶胀时间的延长而增 大,当溶胀时间大于120 min后,粘度变化不大。可 见,CMC水溶胶液适宜的溶胀时间为120 min。
2.2温度对CMC水溶胶液粘度的影响
温度是分子无规则热运动剧烈程度的反映,分 子的运动需要克服分子之间的相互作用,而分子之 间的相互作用,如分子间氢键、内摩擦、扩散、分子链 取向、缠结等都直接影响到粘度的大小m。采用漏 斗粘度计、NDJ-1粘度计及ZNN-D6六速旋转粘度 计测试了温度对CMC水溶胶粘度的影响。实验结 果见表1、图2和图3。
表1 CMC水溶胶液在不同温度下漏斗粘度值
Table 1 Funnel viscosity of CMC hydrosol at different temperatures
温度/丈漏斗粘度/3
307522
404293
503685
603400
702982
802684
902572
30405060708090
温度A:
图2 CMC水溶胶液温度-流变参数关系曲线 Fig. 2 Relation between temperatures and rheological parameters of CMC hydrosol
由表1和图2可知,对于CMC水溶胶液,在考 察其温度与粘度关系时,使用漏斗粘度计和ZNN- D6六速旋转粘度计测试都得到基本相同的结果:在 30 ~90 T温度范围内,随温度的升高,CMC水溶胶 液的表观粘度在不断下降。用ZNN-D6六速 旋转粘度计还可得知随温度的升高,CMC水溶胶的 动切力(KP)不断下降,塑性粘度变化幅度较 小c而塑性粘度可反映CMC水溶胶液中液相与 CMC分子之间、CMC分子之间及连续液相之间的内 摩擦作用的强弱,由塑性粘度变化较小及表观粘度、 动切力大幅度减小说明,随温度升髙,分子热运动加 剧,分子间氢键被破坏,分子链间的缠结作用被减 弱,CMC分子链的溶剂化作用明显减弱,使分子链 伸展受到限制,因而CMC水溶胶的表观粘度和动切 力减小。
将测试温度转换成绝对温度,对用NDJ-1粘度 计测试粘度值与绝对温度倒数作图,见图3。
由图3可知,CMC水溶胶的粘度的对数与温度 的倒数(1/r)之间符合线性关系,说明CMC水溶胶 的表观粘度随温度变化可以用Arrhenius ^经验公 来表示:
7; = A exp( A EV/RT)
式中,A为与结构有关的常数;为粘流活化 能,表示在固定剪切速率时使一个链段克服周闱分 子对它的作用力以便更换位置所需的能为普 适气体常数;r为绝对温度。
由图3可知,在实验考察范围内,不随温度 变化而改变。由直线的斜率可求得= 12.95 kJ/mol0
取A、B 2份1.0% CMC水溶胶液,在90 T下水 浴30 min,用NDJ-1粘度计测定CMC胶液的粘度。 记录水浴前、水浴后和恢复至室温时(丨8 t)的粘 度,结果见表2。
表2 90 t水浴前后及恢复至室温时粘度测试结果
Table 2 Viscosity of CMC hydrosol at room temperature, before and after 90water bath
粘度
A份B份
水浴前167.5167.5
水浴后37.534.5
恢复至空温162.5160
由表2可知,经90 t水溶30 min后,CMC水溶 胶液的粘度降低幅度很大,粘度值下降77. 6%以 上;待温度恢复至室温18 时,粘度值可恢复至水 溶前的97%以上,由此可知,CMC水溶胶液在30 ~ 90 T范围内,由温度升高所导致的粘度减小是基本 可以恢复的。
2.3 Na2C03的加置与加入顺序对CMC水溶胶 粘度的影响
在CMC浓度较低时,其水溶胶液的粘度受pH 值的影响较大[2、同时在钻井作业中,为了使膨润 土充分造浆及维持某些处理剂的优良性能,需要适 当调整钻井液的pH值和沉降除去配浆水中的 Ca2+,Mg2+,常需要添加一定M的%(:0,,但CMC 中的Na+的离解可能会受到Na2C03中Na+的同离 子效应影响,进而可能会影响到CMC水溶胶的粘 度。为此考察了 Na2C03的加量和加人顺序对CMC
水溶胶粘度的影响,实验结果见表3。
表3 Na2C03的加置与加入顺序对CMC水溶胶粘度的影响
Table 3 Effect of dosage of Na2C03and its adding sequence on viscosity of CMC hydrosol
序号胶液组成y4K,/( mPa •s) AV2/( mPa * s)PV/(mP& • s)VP/P&pH
11.0% CMC160.040.024.012.38.67
21.0% CMC+0. l%Na2C03106.033.522.511.510.88
31.0% CMC + 1.0%Na2CO3127.536.823.512.011.83
40.1% N^COj +1.0% CMC92.532.022,011.210.94
51.0% +1.0%CMC60.024.519.09.711.97
注分别表示向1.0%CMC水溶胶中加入0.1%和1.0%N^COj; 4*,5*分别表示向0.1%和1.0%的N^CO;溶液中加入1.0%
CMCMh表示用NDj-1测试粘度值表示用ZNN-D6测试粘度值。
由表3可知,CMC水溶胶液本身略显碱性,向 CMC水溶胶液中加入Na2C03或者向Na2C03溶液 中加入CMC都会影响到CMC水溶胶液的粘度,且 以向1.0%的Na2C03溶液中添加CMC,这种粘度影 响更大。
NajCO,对CMC水溶胶液粘度的影响其原因 是:在N^CO,存在下,CMC上面一C00_中的电荷 受到溶液中大量Na+的屏蔽作用,使分子链的伸展 受到限制;同时NACO;的加入也使CMC水溶胶液 的pH发生变化,一COONa的离解受到限制, 一 C00_之间的静电斥力减弱,分子链不能充分舒 展,使得表观粘度降低。
N^CO;的加入顺序对CMC水溶胶液粘度影 响,将CMC先溶于水再加Na2C03使粘度下降的幅 度远远小于先加Na2C03再加CMC粘度下降的幅 度。其原因可能是CMC在水中已离解为聚阴离子, 分子链充分伸展,分子中水化基团充分水化,此时再 加人Na2C03,去水化作用不显著。而向Na^C03溶 液中添加CMC,由于受到已有Na+的同离子效应, 分子链不能充分伸展,水化分散减弱,因而粘度影响 较大。
2.4高速机械剪切对CMC水溶胶液粘度的影响
取2份按1.2.1节所述方法配制的1 • 0% CMC 溶胶液分别在高速搅拌器中置于3 000, 12 000 r/min转速下搅拌,在0,10,20,30 min时测 定胶液的粘度,记录数据见表4。
表4不同剪切速率下CMC水溶胶液的粘度
Table 4 Viscosity of CMC hydrosol at different shear rates
粘度/mPa • 8
转運/(r • mm ) ■0 min10 min20 min30 min
3 00034.528.027,528.0
12 00034.024.522.521.5
由表4可知,CMC水溶胶液在不同的剪切速率 下,粘度均有不同程度的降低,在3 000 r/min下剪
切30 min,粘度减小幅度为18. 9%左右,在 12 000 r/min下剪切30 min,粘度值将下降35%左 右。高速剪切作用一方面可能使CMC分子间缔合 结构破坏,另外一方面也可能导致CMC大分子链断 裂[9]。从表4分析可知,高速的剪切作用是导致 CMC水溶胶液粘度降低的主要原因之一。
3结论
(1)CMC水溶胶液的最佳溶胀时间为120 min, 在现场使用过程中,只需将CMC在120 min前预配 即可。
(2)在30 ~90 "C范围内,CMC水溶胶液的粘度 随温度升高而降低,温度降低后粘度可恢复至97% 以上。此外,CMC水溶胶液粘度对数与温度倒数之 间呈线性关系,据此可知在此温度范围内粘流活化 能A、为一定值,计算得其值为12.95 kj/mol。
(3)Na2C03的加人量和加人顺序都会导致 CMC水溶胶液粘度的降低,向充分溶胀的CMC水 溶胶中加入Na2C03比向Na2C03溶液中加人CMC 对粘度影响小。
(4)高速机械剪切作用对CMC粘度的影响较 为显著,在3 000 r/min下剪切30 min,粘度下降为 18.9%左右,当在12 000 r/min下剪切30min,粘度 下降达35%以上。