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羧甲基纖維素鈉水溶膠液粘度影響實驗研究

發布日期:2015-03-25 12:29:07

粘度

鉆井液是鉆井工程的“血液”,選擇性能優良和配伍性恰當的處理劑是維持鉆井液性能的首要條件羧甲基纖維素鈉(CMC)是一種在鉆井液中 廣泛使用的油田化學品,聚合度和取代度是決定 CMC性質和用途的主要因素,根據其產品聚合度粘度的不同,分為高粘、中粘和低粘3種,在鉆井液中主要 被用作增粘劑和降濾失劑W。在國內某油田現場應用中發現,CMC膠液在井內完成一個循環后基本不再具有增粘作用。有關CMC粘度的影響,有學者 曾就不同制備條件對CMC產品粘度和不同用途 CMC的流變性能進行過研究[3~。為了明確在鉆井 作業中影響CMC水溶膠粘度的因素,給現場應用提 供一定的技術指導,本文從實驗室角度研究了 CMC 水溶膠的溶脹時間、溶脹溫度、高速剪切作用及 N^CO,的加入量及加入順序對CMC水溶膠粘度的 影響。

1實驗部分
1.1材料、試劑與儀器
N* C03,分析純;MV-CMC ( DS 彡0_ 65 )工業級。
NDJ-丨旋轉粘度計;ZNN-D6六速旋轉粘度計; LCJ型漏斗粘度計;GJSS-B12K變頻高速攪拌機; DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器;JY-10002電 子天平。
1.2實驗方法
1.2.10.1 %和1.0% CMC水溶膠的配制常溫下 稱取一定量的CMC膠粉于燒杯中,緩慢加人60 *€ 蒸餾水中分散,并置于磁力攪拌器中攪拌20 min,使 其充分溶脹后,放置備用M。
1.2.2CMC水溶膠合適溶脹時間的確定稱取 10 g CMC 配制 1.0% 水溶膠液 1 000 mL,用 NDJ-1 粘度計測定CMC水溶膠液的粘度(單位mPa • s), 考察CMC水溶膠粘度與溶脹時間的關系。
1.2.3溫度對CMC水溶膠粘度的影響分別取 1.2. 1節中配制的0. 1% CMC水溶膠500 mL,在 30,40,50,60,70,80,90 t下水浴 30 min,依次使用 漏斗粘度計、NDJ-1粘度計及ZNN-D6六速旋轉粘 度計測試。
取1.2. 1節配制的1. 0% CMC水溶膠500 mL 2份,在90尤下水浴30 min,用NDJ-1粘度計測定 CMC膠液的粘度。記錄水浴前、水浴后和恢復至室 溫時(18丈)的粘度,考察水浴前、后粘度恢復情況。 1.2.4 NajC03的加量與加入順序對CMC水溶膠 粘度的影響取1.2.1節中配制的1.0% CMC水溶 膠500 mL 2份,分別向其中加入水溶膠質量比 0.1%和1.0%的NajCO;,靜置120 min,測試其粘 度。調整CMC與NajCO,的加人順序,先配制 0.1%和1.0%的%0)3溶液,分別向其中加人質 fi比1.0%CMC,分散后靜置溶脹120 min,測試其 粘度。
1.2.5高速機械剪切作用對CMC水溶肢粘度的影 響取1. 2. 1節中配制的1. 0% CMC水溶膠 500 mL 2份置于高速攪拌器中,分別在3 000 r/min 和丨2 000 r/min下測試剪切0,10,20,30 min后的粘 度。
2結果與討論
2.1適宜溶脹時間的確定
CMC作為線性水溶性聚合物,要使其在水溶液
中分子鏈充分伸展,水化基團充分水化,必須經過一 定的溶脹時間才能達到一定的粘度值,圖1顯示了
CMC水溶膠的粘度隨溶脹時間的變化趨勢。
160
030 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
溶脹時間/min
圖1 CMC水溶膠液的溶脹時間與粘度關系曲線
Fig. 1 Relation between the viscosity of CMC hydrosol and its swelling time
CMC在水中不斷離解為聚陰離子,分子中水化 基團充分水化,一COO—互相排斥使分子鏈呈伸展 狀態;加之在分散和溶脹的過程中,CMC既可以形 成分子內氫鍵,又可與水分子形成氫鍵,兩方面原因 使得水溶膠液粘度增大,其適宜的溶脹時間應該為 其達到解離平衡的時間。由圖1可知,在120 min 以內,CMC水溶膠液粘度隨溶脹時間的延長而增 大,當溶脹時間大于120 min后,粘度變化不大???見,CMC水溶膠液適宜的溶脹時間為120 min。
2.2溫度對CMC水溶膠液粘度的影響
溫度是分子無規則熱運動劇烈程度的反映,分 子的運動需要克服分子之間的相互作用,而分子之 間的相互作用,如分子間氫鍵、內摩擦、擴散、分子鏈 取向、纏結等都直接影響到粘度的大小m。采用漏 斗粘度計、NDJ-1粘度計及ZNN-D6六速旋轉粘度 計測試了溫度對CMC水溶膠粘度的影響。實驗結 果見表1、圖2和圖3。
表1 CMC水溶膠液在不同溫度下漏斗粘度值
Table 1 Funnel viscosity of CMC hydrosol at different temperatures
溫度/丈漏斗粘度/3
307522
404293
503685
603400
702982
802684
902572
30405060708090
溫度A:
圖2 CMC水溶膠液溫度-流變參數關系曲線 Fig. 2 Relation between temperatures and rheological parameters of CMC hydrosol
由表1和圖2可知,對于CMC水溶膠液,在考 察其溫度與粘度關系時,使用漏斗粘度計和ZNN- D6六速旋轉粘度計測試都得到基本相同的結果:在 30 ~90 T溫度范圍內,隨溫度的升高,CMC水溶膠 液的表觀粘度在不斷下降。用ZNN-D6六速 旋轉粘度計還可得知隨溫度的升高,CMC水溶膠的 動切力(KP)不斷下降,塑性粘度變化幅度較 小c而塑性粘度可反映CMC水溶膠液中液相與 CMC分子之間、CMC分子之間及連續液相之間的內 摩擦作用的強弱,由塑性粘度變化較小及表觀粘度、 動切力大幅度減小說明,隨溫度升髙,分子熱運動加 劇,分子間氫鍵被破壞,分子鏈間的纏結作用被減 弱,CMC分子鏈的溶劑化作用明顯減弱,使分子鏈 伸展受到限制,因而CMC水溶膠的表觀粘度和動切 力減小。
將測試溫度轉換成絕對溫度,對用NDJ-1粘度 計測試粘度值與絕對溫度倒數作圖,見圖3。
由圖3可知,CMC水溶膠的粘度的對數與溫度 的倒數(1/r)之間符合線性關系,說明CMC水溶膠 的表觀粘度隨溫度變化可以用Arrhenius ^經驗公 來表示:
7; = A exp( A EV/RT)
式中,A為與結構有關的常數;為粘流活化 能,表示在固定剪切速率時使一個鏈段克服周闈分 子對它的作用力以便更換位置所需的能為普 適氣體常數;r為絕對溫度。
由圖3可知,在實驗考察范圍內,不隨溫度 變化而改變。由直線的斜率可求得= 12.95 kJ/mol0
取A、B 2份1.0% CMC水溶膠液,在90 T下水 浴30 min,用NDJ-1粘度計測定CMC膠液的粘度。 記錄水浴前、水浴后和恢復至室溫時(丨8 t)的粘 度,結果見表2。
表2 90 t水浴前后及恢復至室溫時粘度測試結果
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
恢復至空溫162.5160
由表2可知,經90 t水溶30 min后,CMC水溶 膠液的粘度降低幅度很大,粘度值下降77. 6%以 上;待溫度恢復至室溫18 時,粘度值可恢復至水 溶前的97%以上,由此可知,CMC水溶膠液在30 ~ 90 T范圍內,由溫度升高所導致的粘度減小是基本 可以恢復的。
2.3 Na2C03的加置與加入順序對CMC水溶膠 粘度的影響
在CMC濃度較低時,其水溶膠液的粘度受pH 值的影響較大[2、同時在鉆井作業中,為了使膨潤 土充分造漿及維持某些處理劑的優良性能,需要適 當調整鉆井液的pH值和沉降除去配漿水中的 Ca2+,Mg2+,常需要添加一定M的%(:0,,但CMC 中的Na+的離解可能會受到Na2C03中Na+的同離 子效應影響,進而可能會影響到CMC水溶膠的粘 度。為此考察了 Na2C03的加量和加人順序對CMC
水溶膠粘度的影響,實驗結果見表3。
表3 Na2C03的加置與加入順序對CMC水溶膠粘度的影響
Table 3 Effect of dosage of Na2C03and its adding sequence on viscosity of CMC hydrosol
序號膠液組成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
注分別表示向1.0%CMC水溶膠中加入0.1%和1.0%N^COj; 4*,5*分別表示向0.1%和1.0%的N^CO;溶液中加入1.0%
CMCMh表示用NDj-1測試粘度值表示用ZNN-D6測試粘度值。
由表3可知,CMC水溶膠液本身略顯堿性,向 CMC水溶膠液中加入Na2C03或者向Na2C03溶液 中加入CMC都會影響到CMC水溶膠液的粘度,且 以向1.0%的Na2C03溶液中添加CMC,這種粘度影 響更大。
NajCO,對CMC水溶膠液粘度的影響其原因 是:在N^CO,存在下,CMC上面一C00_中的電荷 受到溶液中大量Na+的屏蔽作用,使分子鏈的伸展 受到限制;同時NACO;的加入也使CMC水溶膠液 的pH發生變化,一COONa的離解受到限制, 一 C00_之間的靜電斥力減弱,分子鏈不能充分舒 展,使得表觀粘度降低。
N^CO;的加入順序對CMC水溶膠液粘度影 響,將CMC先溶于水再加Na2C03使粘度下降的幅 度遠遠小于先加Na2C03再加CMC粘度下降的幅 度。其原因可能是CMC在水中已離解為聚陰離子, 分子鏈充分伸展,分子中水化基團充分水化,此時再 加人Na2C03,去水化作用不顯著。而向Na^C03溶 液中添加CMC,由于受到已有Na+的同離子效應, 分子鏈不能充分伸展,水化分散減弱,因而粘度影響 較大。
2.4高速機械剪切對CMC水溶膠液粘度的影響
取2份按1.2.1節所述方法配制的1 • 0% CMC 溶膠液分別在高速攪拌器中置于3 000, 12 000 r/min轉速下攪拌,在0,10,20,30 min時測 定膠液的粘度,記錄數據見表4。
表4不同剪切速率下CMC水溶膠液的粘度
Table 4 Viscosity of CMC hydrosol at different shear rates
粘度/mPa • 8
轉運/(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水溶膠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,粘度減小幅度為18. 9%左右,在 12 000 r/min下剪切30 min,粘度值將下降35%左 右。高速剪切作用一方面可能使CMC分子間締合 結構破壞,另外一方面也可能導致CMC大分子鏈斷 裂[9]。從表4分析可知,高速的剪切作用是導致 CMC水溶膠液粘度降低的主要原因之一。
3結論
(1)CMC水溶膠液的最佳溶脹時間為120 min, 在現場使用過程中,只需將CMC在120 min前預配 即可。
(2)在30 ~90 "C范圍內,CMC水溶膠液的粘度 隨溫度升高而降低,溫度降低后粘度可恢復至97% 以上。此外,CMC水溶膠液粘度對數與溫度倒數之 間呈線性關系,據此可知在此溫度范圍內粘流活化 能A、為一定值,計算得其值為12.95 kj/mol。
(3)Na2C03的加人量和加人順序都會導致 CMC水溶膠液粘度的降低,向充分溶脹的CMC水 溶膠中加入Na2C03比向Na2C03溶液中加人CMC 對粘度影響小。
(4)高速機械剪切作用對CMC粘度的影響較 為顯著,在3 000 r/min下剪切30 min,粘度下降為 18.9%左右,當在12 000 r/min下剪切30min,粘度 下降達35%以上。
 
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