CC BY
24Актуальные проблемы нефти и газа ■ Вып. 3(22) 2018 ■ http://oilgasjournal.ru
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНО-ГЕЛЕВЫХ СИСТЕМ «ТЕМПОСКРИН-ПЛЮС» И «ТЕМПОСКРИН-ЛЮКС» МЕТОДОМ
ИНДЕНТИРОВАНИЯ
В.Б. Демьяновский1,2, А.А. Бохан1,2, Д.А. Каушанский1,2 1 - ИПНГ РАН, 2 - ООО НТФ «Атомбиотех» e-mail: demian20@yandex.ru, anya_bohan@mail.ru, dak@ipng.ru
Технология «Темпоскрин» [1, 2], в основе которой лежит процесс управления потоками подземных флюидов, направлена на решение проблемы высокой обводненности скважин (с целью снижения обводненности добываемой продукции). Управление потоками происходит за счет закачки в пласт вместе с водой системы, содержащей дисперсные гели «Темпоскрин-Плюс» и «Темпоскрин-Люкс».
Применяемые полимеры по своим физико-механическим свойствам занимают промежуточное положение между жидкостью и твердыми телами, и провести между ними границу с использованием существующих методов оказывается затруднительно. В связи с этим, применение метода ротационной вискозиметрии не позволяет корректно оценить их физико-механические свойства, из-за того, что размер гелевых частиц в полимерно-гелевых системах сопоставим с размером зазора между шпинделем и стенками рабочего цилиндра, вследствие чего результаты исследований оказываются неустойчивыми и плохо воспроизводимыми. Применение известных методов в определении модуля упругости требует изготовления образцов определенной стандартной формы, а для гелей системы «Темпоскрин» существующими методами не удается получить стандартную форму.
В данной работе авторы рассматривают возможность использования метода индентирования для изучения механических свойств полимерно-гелевых систем.
Индентирование - это испытание материала методом вдавливания в поверхность образца индентора, которое применяется к нанообъемам материала. Индентирование производится вдавливанием с заданным усилием в изучаемый образец индентора, обладающего известными механическими свойствами - формой и модулем упругости. [3].
В процессе измерения методом индентирования регистрируется изменение глубины проникновения, затем на основании этих данных и известной геометрии наконечника датчика определяется площадь вдавливания. При проведении индентирования измеряются такие параметры, как нагрузка и глубина проникновения. Затем результаты измерений можно отобразить в виде графика, что позволяет получить
зависимость смещения от нагрузки. Полученные графики позволяют определить механические характеристики материала.
В технике индентирования используют инденторы различной формы — в виде цилиндра с плоским торцом, сферы, конуса, пирамиды. Индентор для измерения твердости по Бриннелю и Роквеллу представляет собой шарик; по Виккерсу - усеченную четырехгранную пирамиду; индентор Берковича - трехгранную алмазную пирамиду и т.д.
[3].
В данной работе использован в качестве индентора диск, в котором рабочая поверхность совпадает с рабочей поверхностью цилиндра в теоретической модели. Связь между глубиной проникновения и нормальной силой в дисковом и цилиндрическом инденторе одинаковые. Из-за малого модуля упругости поверхность геля испытывает сильные деформации. При использовании в качестве индентора цилиндра деформация происходит за счет контактирования с боковой поверхностью цилиндра. В случае дискового индентора площадь контакта в процессе индентирования остается постоянной.
В данной работе принято, что связь между глубиной проникновения и нормальной силой определяется формулой [4]
. (1)
где Б - нормальная сила, а - радиус основания диска, Е - приведенный модуль упругости, ё - глубина проникновения диска, V - коэффициент Пуассона (для эластичных материалов коэффициент Пуассона принимается равным 0,5).
Также среднее прижимное давление поверхности индентора к ПГС можно найти из отношения силы к площади поверхности основания диска:
^ = Л . (2)
па2 4 у
За величину безразмерной деформации принимается отношение величины глубины проникновения индентора к радиусу основания диска:
£ = - . (3)
а 4 у
Используя формулы 1-3, рассчитывается механический показатель - модуль упругости:
Е= I . (4)
В качестве примера построена зависимость нагрузки, приложенной к гелю, от деформации образца полимерно-гелевой системы «Темпоскрин-Плюс», с содержанием
геля 100%, приготовленной на воде с минерализацией 17 г/л и концентрацией реагента 2%. Коэффициент линейной корреляции, равный 0,9988 (рис. 1), указывает на линейную зависимость, а следовательно, на возможность использования формулы (4) для определения модуля упругости геля.
Деформация
Рис. 1. Зависимость напряжения от деформации образца Темпоскрин-Плюс при прямой нагрузке индентора
Реагент смешивается со 100 мл дистиллированной воды в разных пропорциях при непрерывном перемешивании при комнатной температуре в цилиндрическом сосуде объемом 200 мл и диаметром 50 мм. Через 60 минут, после прекращения перемешивания, реагент в порошкообразном виде разбухает, образуя гидрогели в водной среде.
В качестве исходных образцов полимера использованы промышленные порошкообразные реагенты «Темпоскрин», «Темпоскрин-Плюс», «Темпоскрин-Люкс». В качестве водной среды использованы водно-солевые растворы, моделирующие пластовую воду хлор-кальциевого типа - типичные для области применения этих реагентов.
Приготовленные образцы были испытаны методом индентирования. В качестве индентора использован диск диаметром 28 мм, соосно закрепленный на стержне диаметром 2 мм. Для приготовленных полимерно-гелевых систем визуально определялась доля геля. На рис. 2 представлена фотография образцов полимерно-гелевой системы
«Темпоскрин-Плюс» и «Темпоскрин-Люкс», приготовленных на пластовой воде с минерализацией 17 г/л и концентрацией реагента 2%.
Рис. 2. Образцы полимерно-гелевой системы: а - «Темпоскрин-Плюс»; б - «Темпоскрин-Люкс»
Для проведения испытания использовалась установка, схема которой представлена на рис. 3.
Рис.3. Схема установки для исследований механических свойств гелей методом индентирования: 1 - индентор с диском у основания, 2 - гель под нагрузкой, 3 - весы, 4 - шкала, 5 - линейный электропривод
В установке использованы лабораторные весы марки UNIGRAM ЕТ-300П. Время стабилизации показаний весов при изменении нагрузки от 0 до 200 грамм - не более 5 сек.
Механические испытания проводись с помощью измерения показаний весов при перемещении индентора вдоль его оси с интервалом 5 мм, при этом перемещения производились в прямом (нагрузка) и обратном (разгрузка) направлении.
В табл. 1 приведены результаты измерения модуля упругости систем «Темпоскрин» с использованием метода индентирования и расчета модуля по формуле (4). Как видно из приведенных данных, значительные модули упругости (400-500 Па) показывают только системы с содержанием реагента 2% и долей геля, близкой к 100% (+-5%). Это связано с тем, что в разбавленных полимерно-гелевых системах отдельные гелевые частицы не связаны между собой и при нагрузке индентором выдавливаются из объема образца, находящегося под индентором.
Таблица 1
Результаты определения модулей упругости полимерно-гелевых систем
типа «Темпоскрин»
Состав полимерно-гелевой системы
№ Тип реагента Концентрация реагента,% Тип соли Концентрация соли,% Модуль упругости, Па Доля геля, %
1 Темпоскрин 1 NaCl 2 3 47
2 Темпоскрин 1 NaCl 5 5 44
3 Темпоскрин 1 CaCl2 2 0 34
4 Темпоскрин 1 CaCl2 5 0 37
5 Темпоскрин-Плюс 1 Дистиллированная вода 0 520 100
6 Темпоскрин-Люкс 1 Дистиллированная вода 0 425 94
7 Темпоскрин-Плюс 2 NaCl 5 565 100
8 Темпоскрин-Люкс 2 NaCl 5 0 100
9 Темпоскрин-Плюс 2 CaCl2 5 0 56
10 Темпоскрин-Люкс 2 CaCl2 5 26 91
Проделанная работа позволяет сделать вывод о возможности использования метода индентирования для определения упругих свойств полимерно-гелевых систем. Также
этим методом можно оценить силу взаимодействия между дисперсными гелевыми частицами в этих системах.
Статья написана в рамках выполнения государственного задания (тема «Фундаментальный базис инновационных технологий нефтяной и газовой промышленности», № АААА-А16-116031750016-3).
ЛИТЕРАТУРА
1. Каушанский Д.А., Демьяновский В.Б. Инновационная технология ограничения водопритока в добывающих скважинах «Темпоскрин-Плюс» [Электронный ресурс] // Актуальные проблемы нефти и газа: Науч. сет. изд. 2018. Вып. 1(20). 9 с. - Режим доступа: http://www.oilgasiournal.ru (Дата обращения 30.10.2018).
2. Каушанский Д.А. Улучшение показателей разработки нефтяных месторождений при использовании полимерно-гелевых систем «Темпоскрин» // Геология, геофизика и разработка нефтяных и газовых месторождений, 2008, № 7. С. 36-46.
3. ГОСТ Р 8.748-2011 Государственная система обеспечения единства измерений. Металлы и сплавы. Измерение твердости и других характеристик материалов при инструментальном индентировании. Часть 1. Метод испытаний.
4. Лукьянова А.Н. Моделирование контактного взаимодействия деталей: учеб. пособие. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2012. 87 с.
