堵水剂的制备与性质.doc

中国石油大学油田化学实验报告
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实验六 堵水剂的制备与性质

一．实验目的
1. 学会几种堵水剂的制备方法。
2. 掌握几种堵水剂的形成机理及其使用性质。

二．实验原理
堵水剂是指从油、水井注入地层，能减少地层产出水的物质。从油井注入地层的堵水剂称油井堵水剂(或简称堵水剂)，从水井注入地层的堵水剂称为调剖剂。
常用的堵水剂有冻胶型堵水剂、凝胶型堵水剂、沉淀型堵水剂和分散体型堵水剂，这些堵水剂的形成机理和使用性质各不相同。
1. 冻胶型堵水剂
冻胶(如锆冻胶)是由高分子(如HPAM)溶液转变而来，交联剂(如锆的多核羟桥络离子)可以使高分子间发生交联，形成网络结构，将液体(如水)包在其中，从而使高分子溶液失去流动性，即转变为冻胶。
锆冻胶是油田常用的冻胶型堵水剂。锆冻胶是由锆的多核羟桥络离子与HPAM中的羧基发生交联反应而形成的。体系的pH值可影响多核羟桥络离子的形成及HPAM分子中羧基的量，因此，pH值可影响锆冻胶的成冻时间和冻胶强度。
2. 凝胶型堵水剂
凝胶是由溶胶转变而来。当溶胶由于种种原因(如电解质加入引起溶胶粒子部分失去稳定性而产生有限度聚结)形成网络结构，将液体包在其中，从而使整个体系失去流动性时，即转变为凝胶。油田堵水中常用的是硅酸凝胶。硅酸凝胶由硅酸溶胶转化而来，硅酸溶胶由水玻璃(又名硅酸钠，分子式Na2O·mSO2)与活化剂反应生成。活化剂是指可使水玻璃先变成溶胶而随后又变成凝胶的物质。盐酸是常用的活化剂，它与水玻璃的反应如下:

Na2O·mSiO2 + 2HCl → H2O·mSiO2 + 2NaCl

由于制备方法不同，可得两种硅酸溶胶，即酸性硅酸溶胶和碱性硅酸溶胶。这两种硅酸溶胶都可在一定的条件(如温度、pH值和硅酸含量)下，在一定时间内胶凝。
评价硅酸凝胶堵水剂常用两个指标，即胶凝时间和凝胶强度。胶凝时间是指硅酸体系自生成至失去流动性的时间。凝胶强度是指凝胶单位表面积上所能承受的压力。
3. 沉淀型堵水剂
沉淀型堵水剂由两种可反应产生沉淀的物质组成。水玻璃-氯化钙是油田最常用的沉淀型堵水剂，它通过如下反应产生沉淀:

Na2O·mSiO2 + CaCl2 → CaO2·mSiO2 + 2NaCl

三．实验仪器与药品
1. 仪器
100ml烧杯，10ml具塞刻度试管，5ml、25ml量筒，玻璃棒，广泛pH试纸。
2. 药品
聚丙烯酰胺，氧氯化锆，水玻璃，氯化钙，盐酸。

四．实验步骤
1. 锆冻胶堵水剂的制备与性质
取3个100ml烧杯，用量筒各加入质量分数为5×10-3的聚丙烯酰胺水溶液20ml,其中一个烧杯中滴加6滴质量分数为1×10-2的盐酸，另一烧杯中滴加7滴质量分数为1×10-2的NaOH，搅拌均匀，用广泛pH试纸测定三个烧杯中聚丙烯酰胺溶液的pH值，然后向三份聚丙烯酰胺溶液中分别加入2ml质量分数为5×10-3的ZrOCl2溶液(注意:边用玻璃棒搅拌，边缓慢加入)，观察并记录冻胶形成的现象(注意记录成冻时间)和冻胶的强度(用玻璃棒挑起程度衡量)。
2. 硅酸凝胶堵水剂的制备与性质
取三支10ml具塞刻度试管，加入质量分数为0.1的水玻璃5ml，用滴管向三支试管中依次加入质量分数为0.1的盐酸10滴、12滴、15滴并摇匀，观察凝胶的生成并记录胶凝时间，待三支试管中全部胶凝后用玻璃棒插入凝胶，从玻璃棒插入的难易排出三种凝胶强度的顺序。
3. 水玻璃—氯化钙沉淀型堵水剂的制备与性质
取一支10ml的具塞刻度试管，加入质量分数为0.1的水玻璃5ml，然后用滴管逐滴加入质量分数为0.1的氯化钙溶液，摇匀，观察硅酸钙沉淀的生成情况。

五．实验结果处理
用表格形式表达实验现象与数据，并解释实验现象。
堵剂类型

锆冻胶堵剂

硅酸凝胶堵剂
水玻璃-氯化钙沉淀型堵剂

实验数据与现象
加入质量分数1×10-2的HCl或NaOH
（滴）

pH值

成冻时间（min）
冻胶强度（是否挑起）
加入质量分数0.1的HCl
（滴）

胶凝时间（min）

胶凝强度

随着CaCl2的加入，沉淀量增加
0
3
0
完全
挑起
12
9’15”
较弱
6（HCl）
4
0
挑不起
14
7’9”
较强
4（NaOH）
9
0
部分
挑起
16
1’
最强
实验现象解释：
1. 锆冻胶堵剂：体系的PH值影响锆冻胶的成冻时间和冻胶强度。酸性、碱性都不利于迅速成胶，降低冻胶的强度。中性是最适宜生成高强度冻胶的环境。
2. 硅酸凝胶堵剂：硅酸凝胶形成机理为: Na2O·mSiO2 + 2HCl → H2O·mSiO2 + 2NaCl，所加HCl越多反应越充分则所形成凝胶的时间越短，强度越高。
3. 水玻璃-氯化钙沉淀型堵剂：原理: Na2O·mSiO2 + CaCl2 → CaO2·mSiO2 + 2NaCl，水玻璃中一加入氯化钙就会立即产生白色沉淀。
六、思考题
1. 解释pH值对锆冻胶生成的影响。
答：pH在适当范围内生成锆冻胶强度最大。锆冻胶形成过程，先是Zr离子络合，络合物水解，再进一步水解和羟桥作用，生成锆的多核羟桥络离子与HPAM中的羧基发生交联反应而形成锆冻胶。在水解和羟桥作用过程中有氢离子的生成，若要使反应加快，加入适量的碱。但是PH对HPAM分子中羧基的量有影响，PH越大，HPAM分子中羧基的量越大，羧基的量过少或过多都会影响锆冻胶的结构强度，所以总体影响不一定。只有在合适的PH值，才会生成最稳定的锆冻胶。
2. 本实验中制备的硅酸凝胶是碱性硅酸凝胶还是酸性硅酸凝胶，解释原因。
答：本实验中制备的硅酸凝胶是碱性硅酸凝胶，实验过程中是将盐酸滴加到水玻璃中制得，因此反应在硅酸过剩的情况下进行，胶粒表面带负电，形成碱性硅酸凝胶。
七、 实验总结
通过本实验我学会堵水剂的制备方法，掌握了几种堵水剂的形成机理及其使用性质，增强了动手能力，认真观察了实验现象，收获很多。感谢老师的指导！