在高温油藏调剖、堵水与化学驱油配套技术, 以及稠油蒸汽开采调整吸汽剖面技术中都需要用到耐温堵剂, 藉此来抑制驱替流体窜流, 扩大波及系数, 提高原油采收率。目前, 研发与应用的耐温堵剂主要有无机盐类[1-4]、耐温聚合物类[5-11]、树脂类[12-13]、颗粒类[14-16]。在互穿网络结构复合材料中, 每一种组成相的特性能够被保留, 因而具有单相材料所不能具备的优良的综合性能。本实验以水溶性酚醛树脂、水玻璃和抑水剂为材料, 基于溶胶-凝胶技术开发出一种耐高温的酚醛树脂-水玻璃互穿网络的水基堵剂体系。
按照文献[17]合成水溶性酚醛树脂(SPFR)产品, 平均相对分子质量为592, 其分子结构如图 1所示。
水玻璃(Na2O·mSi2O, m=3.24), 郑州卓达化工有限公司提供; 抑水剂(RWA)为一种耐温高分子材料。
针入深度实验仪器(实验室自制), 针入深度与凝胶强度的关系是针入深度值越小, 凝胶强度越高, 其与代码法存在一定的对应关系(见表 1)[18]。
水溶性酚醛树脂在温度的作用下, 分子链之间的-OH发生脱水缩合反应, 形成树脂本体交联网络; 体系中的水玻璃在水溶性酚醛树脂的作用下, 可形成硅酸凝胶。因此, 水溶性酚醛树脂在形成交联网络的同时, 促使水玻璃形成硅酸凝胶, 导致树脂交联网络与硅酸凝胶之间形成一个互穿网络的凝胶体系, 如图 2所示。合成步骤是将水溶性酚醛树脂、水玻璃和抑水剂按照一定比例进行混合, 搅拌均匀后, 在一定温度条件下放置一段时间。
图 3为90 ℃下, SPFR质量分数为8%和10%时对互穿网络凝胶体系交联性能的影响。当水玻璃质量分数为0~3%时, 体系的交联时间随浓度增加而延长, 交联强度依次增大; 当水玻璃质量分数为3%~5%时, 体系的交联时间随浓度增加而缩短, 交联强度逐步减弱。
图 4为90 ℃下, Na2O·3.24Si2O质量分数为2%和3%时, 不同质量分数的SPFR对互穿网络凝胶体系交联性能的影响。图 4说明, 体系的交联时间随SPFR质量分数增加而缩短, 交联强度随浓度增加而增强。
室内考察了温度对SPFR+Na2O·3.24Si2O交联性能的影响。图 5为10%(w)SPFR+2%(w)Na2O·3.24Si2O和8%(w)SPFR+2%(w)Na2O·3.24Si2O体系的交联强度与析水率随温度的变化。图 5表明, 体系的交联强度随温度升高而增强, 而析水量随温度升高而增加。析水是由于凝胶体系中水溶性酚醛树脂预聚体和水玻璃之间的脱水缩合反应产生的。
由于SPFR+Na2O·3.24Si2O在形成互穿网络凝胶后有析水现象, 为了保持凝胶体系的完整性及封堵效果, 必须对析水进行抑制。图 6为室内筛选的抑水剂RWA的抑制析水能力, 当RWA加量达到总体系质量分数的0.1%以上时, 凝胶体系非常稳定, 无水析出。RWA分子中的基团与预聚体中的羟基作用, 进而抑制羟基与水玻璃中硅羟基之间的脱水缩合反应, 同时还增强了体系的柔韧性和致密性, 抑制了凝胶体系成胶后的脱水现象, 提高了凝胶体系的稳定性。
图 7为7%(w)SPFR+3%(w)Na2O·3.24Si2O+0.15%(w)RWA体系在120~260 ℃下经24 h耐温后凝胶体系的交联强度。当温度为120~240 ℃, 凝胶体系交联强度高, 属于Ⅰ级; 当温度超度240 ℃以后, 交联强度有所下降。
图 8为水溶性酚醛树脂本体交联网络和水溶性酚醛树脂-水玻璃互穿网络结构的ESEM图(放大2 000倍)。水溶性酚醛树脂本体交联可形成三维网络, 但单一的水溶性酚醛树脂本体交联网络结构中存在大孔隙(见图 8(a)), 而在水溶性酚醛树脂中加入水玻璃后, 则可形成互穿网络, 水溶性酚醛树脂-水玻璃互穿网络结构比较致密(见图 8(b))。
(1) 采用水溶性酚醛树脂、水玻璃和抑水剂为材料, 基于溶胶-凝胶方法合成了水溶性酚醛树脂-水玻璃互穿网络结构堵剂。
(2) 互穿网络凝胶体系的交联时间随体系中水溶性酚醛树脂浓度增大而缩短, 交联强度则增强; 互穿网络凝胶体系的交联时间随体系中水玻璃浓度出现先延长后缩短, 交联强度则呈现先增大后减弱的规律。
(3) 利用ESEM分析验证了水溶性酚醛树脂与水玻璃形成互穿网络的结构, 互穿网络结构比单一的水溶性酚醛树脂凝胶结构更加致密。
2016, Vol. 45 Issue (4): 55-58
2016, Vol. 45 Issue (4): 55-58