堵水剂的制备与性质

中国石油大学（油田化学）实验报告

实验日期： 2015.4.20 成绩：

班级：石工12-1班 学号： 姓名 教师： 孙老师

同组者：

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

4. 悬浮体型堵水剂

悬浮体是指溶解度极小但颗粒直径较大(大于10-5cm)的固体颗粒分散在溶液中所形成的粗分散体系。分散体系中的固体颗粒可以在多孔介质的喉道处产生堵塞作用。油田中常用的分散体型堵水剂是粘土悬浮体型堵水剂。粘土悬浮体中的粘土颗粒可用聚合物(如HPAM)絮凝产生颗粒更大、堵塞作用更好的絮凝体堵水剂。絮凝是聚合物(HPAM)在粘土颗粒间通过桥接吸附形成。

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，粘土。

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

堵剂类型 实验数据及现象 锆冻胶堵剂 硅酸凝胶堵水剂 水玻璃氯化钙沉淀型堵剂 滴加CaCl2迅速生成大量白色沉淀，一段时间后聚集于试管底部 加入质量测定项目 加入质测定项目 分数0.01PH值 量分数凝胶时凝胶强冻胶强度 的HCl或0.1的间（是否挑起） （min） 度（排NaOH（滴） HCL（滴） 出顺序 ） 0 5 强（能挑起） 11 3分20秒 弱（玻璃棒容易插入） 6滴HCl 3 弱（不能挑起） 13 2分5秒 中等（玻璃棒较易插入） 40秒 强（玻璃棒很难插入） 7滴NaOH 9 中（不能挑起） 15 2．实验现象解释。

① 锆冻胶堵水剂。通过实验可以观察到，pH值过高或过低都会影响锆冻胶的形成。原因是体系的pH值可通过影响多核羟桥络离子的形成及HPAM分子中羧基的量，从而影响了锆冻胶的成冻时间和冻胶强度。

②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。活化剂可使水玻璃先变成溶胶而随后又变成凝胶。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

而且，通过实验可以观察到，HCl加入量越大，则越容易胶凝，且凝胶强度也越大。

③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

通过本反应式可知在实验中，当向水玻璃中加入氯化钙溶液即发生反应，形成了白色的硅酸钙沉淀。

六、思考题

1. 解释pH值对锆冻胶生成的影响。

答：pH值可影响多核羟桥络离子的形成及HPAM分子中羧基的量，因为锆冻胶的生成分为四步，先是锆离子络合，然后水解，在水解反应中，生成氢离子，如果值太低，会抑制反应的发生；如果体系的值太大，会有氢氧根离子和羧酸基反应，会抑制进一步羟桥作用的进行。因此，pH值过高或过低都会导致冻胶强度变弱。

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：本实验制备的是碱性硅酸凝胶，因为是将盐酸加入到水玻璃中，盐酸

不足，所以是碱性；如果是将水玻璃加入盐酸中，则盐酸过量，是酸性凝胶。

七、实验总结

通过本次实验的具体操作，我学会了堵水剂的制备原理和简单的制备方法，

同时也了解了堵水剂的一些性质，从而知道了堵水剂的具体使用范围。实验中我与同组者密切合作，认真按照步骤完成了实验，实验重点是操作认真仔细。实验过程中，老师耐心指导，帮助我们顺利完成了实验，谢谢老师的细心指导！

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