بخشی از مقاله
استفاده از خواص رئولوﮊیکی برای بررسی کمی استحکام ﮊلهای مورد استفاده در عملیات انسداد آب
چکیده
این مقاله به مطالعه و بررسی خواص رئولوﮊیکی ﮊل پلیمر جدید ساخته شـده توسـط کـوپلیمر پلـی اکریـل آمیـد‐استات کروم (III) در شرایط دمایی یکی از مخازن ایران ºC) ۰۹) می پردازد. در ایـن تحقیـق، ابتـدا رفتـار سیـستم ﮊل پلیمری مورد نظر از طریق آزمایش تست بطری (Bottle test) مورد ارزیابی قرار گرفته شد و سپس استحکام ﮊلها مورد کد بندی قرار گرفت. در ادامه با استفاده از خواص رئولوﮊیکی، ویسکوزیته به عنوان یک معیار از استحکام ﮊل ساخته شده اندازه گیری شد و در نهایت با مقایسه بین نتایج تست بطری و رئولوﮊی، یک محدوده از ویسکوزیته برای کدهای مختلـف ارائه گردید. حداقل مقدار کوپلیمر و نسبت مقدار عامل شبکه کننده به پلیمر برای تـشکیل ﮊل مـستحکم ۰۳:۱ و ppm ۰۰۵۵ بدست آمد. همچنین ﮊل بهینه با ترکیب درصد ppm ۰۰۵۹ از کوپلیمر و نسبت ۵:۱ از عامـل شـبکه کننـده بـه کوپلیمر تعیین گردید.
کلید واﮊه ها: ﮊل پلیمر، تست بطری، خواص رئولوﮊیکی، ویسکوزیته
۱‐ مقدمه
امروزه جلوگیری از تولید آب اضافی از چاههای تولیدی نفت و گاز یکی از چالشهای عمده در مهندسی نفت می باشد. ]۱‐۳.[ روشهای شیمیایی و مکانیکی مختلفی برای مقابله با این پدیده پیشنهاد شده است. روشهای مکانیکی معمولاﹰ گران هستند و نیاز به تأسیسات سرچاهی در محل عملیات دارند. روشـهای شـیمیایی مختلفـی نیـز بـرای عملیـات انـسداد آب (Water Shutoff) وجود دارد ]۴.[ یکی از روشهای شیمیایی متداول برای جلوگیری از تولید آب اضافی از چاههای تولیدی، استفاده از سیستم ﮊلهای پلیمری است، که امروزه بطور گسترده ای در جهان و هم چنین در منطقه خاور میانه بکار گرفته شده و نتایج موفقیت آمیزی هم به همراه داشته است]۵.[ مهمترین پارامترهایی که در طراحی سیستمهای ﮊلی بـه منظـور مسدود نمودن مسیرهای تراوا در نظر گرفته می شود زمان انعقاد ﮊل (Gellation Time) و پایداری (مکانیکی و دمـایی) ﮊل تشکیل شده، می باشد ]۶‐۷.[ بنابراین تعیین خواص این ﮊلها از اهمیت ویـژه ای برخـوردار اسـت. دو روش مختلـف بـرای بررسی خواص این ﮊلها وجود دارد. در یکی از این روشها با استفاده از تست بطری می توان استحکام ﮊل و نرخ ﮊل شـدن را به صورت کیفی مورد بررسی قرار داد. در این روش که توسط ] Sydansk۸[ ثبت گردید، زمان تـشکیل شـبکه سـه بعـدی ﮊلی بر اساس میزان استحکام ﮊل، بصورت کدهای الفبایی (ﮊل روان (A,B,C,D,E) ﮊل غیر روان (F,G,H) و ﮊل سفت ((I,J)
بیان می شود. روش دوم استفاده از خواص رئولوﮊیکی است. افراد زیادی بر روی خواص رئولوﮊیکی این مواد تحقیـق نمـوده اند ]۹‐۲۱] Kakadjian et al. .[۹[ تغییرات مدول الاستیک و ویسکوز را با تغییرات زمان ﮊل شدن مورد ارزیابی قـرار داده است. ] Broseta et al.۰۱[ زمان ﮊل شدن را با تغییرات دما، غلظت کوپلیمر، عامل شبکه کننده و وزن مولکـولی کـوپلیمر بررسی کرد. ] Prudhamme et al.۱۱[ با استفاده از تستهای فرکانسی تأکید کرد که در فرکانسهای پایین کمترین شکست در ساختار ﮊل ایجاد می شود. ] Simjoo et al۲۱[ خواص ﮊلهای پلی اکریل آمید‐استات کروم (III) را با اسـتفاده از تـست بطری در شرایط یکی از مخازن ایران مورد ارزیابی قرار داد. پلیمرهای مورد استفاده در تحقیق قبلی ]۳۱[ قابلیت اسـتفاده تا دمای ºC ۵۷ را دارند. در تحقیق حاضر از کوپلیمرهای سولفونه پلی اکریل آمید (شـرکت (SNF اسـتفاده شـده اسـت و ﮊلهای تهیه شده به روش بطری با استفاده از خواص رئولوﮊیکی از لحاظ کمی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
۲‐ آزمایشات
۲‐۱‐ مواد مورد استفاده
در ایـن تحقیـق از کــوپلیمر پلـی اکریـل آمیــد سـولفونه هیـدرولیز شــده (کـوپلیمر اکریـل آمیــد و نمـک ســدیم (Acrylamido Propyl Sulfunated Acid شرکت (AN125) SNF با میـزان هیـدرولیز ۵۲% و وزن مولکـولی ۰۰۰,۰۰۰,۸ استفاده شده است. همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است در این نوع پلیمر گـروه سـولفون جـایگزین گـروه عـاملی آمید (NH2) شده است و این موضوع باعث افزایش مقاومت این نوع پلیمرها در مقابل دما و یونهای دو ظرفیتی مـی شـود.
ویسکوزیته این پلیمر در غلظتها و نرخ کرنشهای مختلف در شکل ۲ نشان داده شده است. عامل شبکه کننده در ایـن کـار استات کروم (Cr(CH3Coo)3) (III) می باشد کـه از شـرکت Carlo Erba تهیـه گردیـده و اسـتات بـه عنـوان لیگانـد ایـن کمپلکس شناخته می شود. آب دو بار تقطیر (Distilled Water) به عنوان حلال برای تهیه محلولهای مختلف مورد استفاده قرار گرفت. از دستگاه Rheolab QC Anton Paar (مخروط (اسپیندل)‐استوانه) به منظور ارزیابی خواص رئولوﮊیکی ﮊلهـای ساخته شده استفاده گردید.
شکل ۱: ساختار کوپلیمر پلی اکریل آمید سولفونه
۲‐۲‐ آزمایشهای تست بطری و رئولوﮊیکی
بطور کلی ﮊل پلیمر شامل یک پلیمر قابل حل در آب، عامل ایجاد کننده شبکه ﮊلی و حلال (آب) اسـت. بـه صـورت ساده زمانی که پلیمر با آب مخلوط شده و با یک یون فلزی یا عامل آلی به عنوان عامل شبکه ساز ترکیـب شـود، محـصول بدست آمده ﮊلانت نامیده می شود. در این تحقیق ابتدا محلول کوپلیمر توسط آب مقطر ساخته شده و سپس عامل شـبکه کننده به آن اضافه گردیده و توسط مگنت همزده می شود تا یک مخلوط همگن بدست آید. با توجه به اینکه لیگاند استات
سیار ضعیف می باشد کروم از آن جدا شده و با گروه سولفون کوپلیمر واکنش می دهد و در نتیجه تحـت شـرایط دمـایی مورد نظر و بعد از مدت زمانی یک شبکه سه بعـدی مـستحکم را تـشکیل مـی دهـد. مخلـوط در دمـای ºC ۰۹ در Ovenنگهداری شده و در بازه های مختلف زمانی مورد ارزیابی قرار گرفت. در روش تست بطری با وارونه کردن بطری و بر اسـاس میزان پایین آمدن ﮊلانت داخل بطری، استحکام آن کدبندی A) الی (J شد. در جداول ۱ الی ۸ ترکیـب درصـد محلولهـای ساخته شده نشان داده شده است. سپس ازمایشات در فاز دوم توسط دستگاه رئومتر مورد ارزیابی قرار گرفتند. ابتدا نمونـه ها تهیه گردید و سپس بعد از یک ماه ۰۲ سانتیمتر مکعب از آن برداشته شد و در داخل استوانه رئومتر قـرار داده شـد. در ادامه اسپیندل به آرامی در داخل استوانه و ﮊل قرار داده شده و به دسـتگاه متـصل گردیـد. در ایـن حـین آزمـایش دمـای محفظه استوانه ای در دمای ºC ۰۹ ثابت نگه داشته شد. در نهایت ویسکوزیته ﮊلهای تهیه شده در نرخ کرنش ۰۱ الـی 1/s ۰۰۲ اندازه گیری شد (اشکال ۱ الی ۸).
۳‐ نتایج و بحث
با توجه به جداول ۱ الی ۸ می توان نتیجه گرفت که با افزایش زمان (Aging)، افزایش غلظت استات کروم و پلیمر (یا هر دو با هم) استحکام ﮊلهای ساخته شده افزایش می یابد ولی همانطور که از جداول ۱ الی ۴ مشاهده می شود هر ترکیبی نمی تواند یک ﮊل مستحکم (کد (H-I را تشکیل دهد و برای تشکیل یک ﮊل مستحکم به یک حـداقل غلظـت از کـوپلیمر نیاز است که در این تحقیق این مقدار برای کوپلیمر مورد استفاده برابر با ppm ۰۰۵۵ بدست آمد. با توجه به اشکال ۲ الـی ۹ می توان به این نتیجه رسید که ﮊلهای تهیه شده در نرخ کرنش 1/s ۰۰۲ به یک محدوده تقریباﹰ ثابـت مـی رسـند. ایـن موضوع به دلیل تغییر ساختار ﮊل و در نتیجه از هم گسیخته شدن شبکه سه بعدی ﮊل می باشد. نتایج نشان می دهد کـه افزایش نسبت عامل شبکه کننده به کوپلیمر همیشه مطلوب نبوده و مقرون به صرفه نیست زیرا بعد از یک نـسبت خـاص، مقدار استحکام (ویسکوزیته) تغییر چندانی نمی کند. با توجه به نتایج بدست آمده این نسبت خاص می تواند برابر با ۰۲:۱ تعیین گردد. اگرچه ترکیب درصد ppm ۰۰۵۷ از کوپلیمر و نسبت ۲:۱ از کوپلیمر به عامل شبکه کننده مطلوب به نظر می رسد ولی با توجه به گران بودن عامل شبکه کننده و همچنین زمان بندش طولانی این ترکیب (یک ماه) می توان بـه ایـن نتیجه رسید که در شرایط دمایی مخزن ﮊل بهینه دارای ترکیب درصد ppm ۰۰۵۹ از کوپلیمر و نسبت ۵:۱ از عامل شبکه کننده به کوپلیمر می باشد؛ زیرا زمان تزریق ﮊلانت باید کوتاه باشد و همچنین در حین تزریق مشکل بندش نباید در داخل چاه اتفاق بیقتد.
