表面活性劑濃度對(duì)煤巖潤(rùn)濕性影響的實(shí)驗(yàn)研究

王立輝

摘 ?????要：研究了分子量大小、減阻劑濃度、溫度、礦化度以及pH值對(duì)非離子聚丙烯酰胺減阻性能的影響。結(jié)果表明，在低加量條件下（小于0.1%），不同分子量的非離子聚丙烯酰胺的減阻性能相差不大，非離子聚丙烯酰胺的濃度越大減阻性能越好;有一定的抗溫性能，抗溫臨界點(diǎn)為65 ℃;鈣離子對(duì)其減阻性能有一定的影響，鈣離子越高減阻性能越低，提高減阻劑濃度能提高抗鈣能力;堿性環(huán)境對(duì)非離子聚丙烯酰胺的減阻性能影響很小，幾乎沒有影響，酸性環(huán)境對(duì)其減阻性能影響很大，酸性越強(qiáng)，減阻性能越差。

關(guān) ?鍵 ?詞：非離子聚丙烯酰胺;減阻劑;分子量;濃度;溫度

中圖分類號(hào)：TQ 016 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）01-0056-04

Abstract： The effect of molecular weight， drag reducing agent concentration， temperature， salinity and pH value on the drag reducing properties of nonionic polyacrylamide was studied. The results showed that the molecular weight of non-ionic polyacrylamide had little effect on its drag reduction performance at low dosage， and the higher the concentration of non-ionic polyacrylamide， the better the drag reduction performance; it had a certain temperature resistance， the critical temperature resistance point was 65 ℃; calcium ion had a certain effect on its drag reduction performance， the higher the calcium ion concentration， the worse the drag reduction performance. Increasing drag reducing agent concentration could improve the calcium resistance; alkaline environment had little effect on the drag reduction performance of non-ionic polyacrylamide，while acid environment had a great impact on its drag reduction performance， the stronger the acidity， the worse the drag reduction performance.

Key words： Nonionic polyacrylamide; Drag reducing agent; Molecular weight; Concentration; Temperature

利用化學(xué)添加劑來降低壓裂系統(tǒng)的摩阻，在節(jié)約能源、投資和加速原油的開發(fā)利用方面都具有重要的意義，非離子聚丙烯酰胺減阻劑就是其中較為有效的一種化學(xué)添加劑，是降低能耗非常重要的手段。在石油開發(fā)的過程中，減阻劑應(yīng)用于不同的地層，不同的地層環(huán)境、不同的施工工藝對(duì)其減阻性能產(chǎn)生不同的影響。由于大排量注入，流體的剪切速率很高，高剪切速率下高分子減阻劑會(huì)發(fā)生剪切降解;當(dāng)水中含有鈣金屬離子時(shí)，會(huì)使減阻劑減阻性能降低;地層水pH值的變化也不同程度影響減阻性能;PAM水溶液在低溫下具有非常高的減阻效果，但在高溫條件下，高分子減阻劑會(huì)存明顯降解，從而降低減阻性能;非離子聚丙烯酰胺的濃度不同，減阻性能也會(huì)有差異，通過實(shí)驗(yàn)研究合適的濃度加量，既能達(dá)到減阻效果又能最大程度的降低生產(chǎn)成本。本文采用封閉循環(huán)系統(tǒng)，模擬現(xiàn)場(chǎng)地層條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來探索非離子聚丙烯酰胺分子量大小、減阻劑濃度、溫度、礦化度以及pH值等幾種因素對(duì)非離子聚丙烯酰胺減阻劑減阻性能的影響，從而分析非離子聚丙烯酰胺減阻劑的適用條件，并更好的在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[1-8]。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 ?實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)儀器

1.1.1 ?實(shí)驗(yàn)材料

800萬非離子聚丙烯酰胺、1 000萬非離子聚丙烯酰胺、1 200萬量聚丙烯酰胺（鄭州智遠(yuǎn)化工有限公司）;鹽酸，36%～38%，市售;CaCl2·6H20，分析純，市售;NaOH，分析純，市售;pH試紙;實(shí)驗(yàn)用水：工業(yè)用水[1]。

1.1.2 ?實(shí)驗(yàn)儀器

高溫高壓流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)儀，自制。

1.2 ?實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?分子量對(duì)非離子聚丙烯酰胺減阻性能的影響

通常高分子聚合物只有當(dāng)高分子聚合物的分子量超過一定值后才具有減阻作用[2]，這個(gè)特定的分子量稱為減阻劑作用的起始分子量。為評(píng)價(jià)非離子聚丙烯酰胺的減阻效果，分子量的大小是評(píng)價(jià)其減阻性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一[2]。

在常溫、濃度加量為0.02%的情況下，對(duì)800萬、1 000萬、1 200萬分子量的非離子聚丙烯酰胺的減阻性能進(jìn)行對(duì)比，減阻率的變化如圖2。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在低加量、常溫條件下，溶解前期，分子量小的非離子聚丙烯酰胺減阻率略大，隨時(shí)間的增加，分子量對(duì)減阻率的影響越來越小，最終趨于一致，0.02%濃度的非離子聚丙烯酰胺減阻率趨于60%。高分子溶解后，形成粘稠的溶液，達(dá)到減阻的效果。

從微觀角度分析，分子量小的非離子聚丙烯酰胺溶解速度快，故溶解前期，分子量小的非離子聚丙烯酰胺減阻性能略好。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，分子量大的非離子聚丙烯酰胺充分溶液之后，不同分子量的非離子聚丙烯酰胺的減阻性能趨于一致。綜上所述，在低加量、常溫條件下，分子量的變化對(duì)其減阻性能影響不大。

2.2 ?濃度對(duì)非離子聚丙烯酰胺減阻性能的影響

聚丙烯酰胺減阻劑可以在低加量的條件下達(dá)到很強(qiáng)的減阻效果。但加量過低，則達(dá)不到預(yù)期的減阻效果，加量偏大，就會(huì)增加生產(chǎn)成本。研究非離子聚丙烯酰胺的最佳濃度，節(jié)約成本的情況下達(dá)到預(yù)期的減阻效果非常重要。

在常溫、800萬分子量的條件下，分別對(duì)0.02%、0.04%、0.06%、0.08%濃度的非離子聚丙烯酰胺的減阻性能進(jìn)行對(duì)比。減阻率的變化如圖3。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在加量為0.02%～0.08%條件下，濃度越大，非離子聚丙烯酰胺的減阻性能越好。800萬分子量的非離子聚丙烯酰胺在0.02%、0.04%、0.06%、0.08%四個(gè)濃度下的最終減阻率分別為62%、72%、74%、77%。濃度為0.02%時(shí)，減阻效果相對(duì)較低，濃度為0.04%、0.06%、0.08%時(shí)，減阻效果相差不大，減阻率都大于70%。

從微觀角度分析，減阻劑濃度越大，高分子的微觀分布狀態(tài)越好，減阻效率越高，減阻效果也越好。

2.3 ?溫度對(duì)減阻率的影響

不同的油藏環(huán)境，其溫度差異很大。非離子聚丙烯酰胺溶解后，溫度對(duì)其溶液的粘度幾乎沒有影響。但溫度升高到一定值時(shí)，由于高溫使高分子降解，使得溶液粘度急劇降低。故溫度對(duì)減阻性能的影響也至關(guān)重要。

1200萬分子量的非離子聚丙烯酰胺在不斷升溫的條件下，在不同溫度條件下對(duì)非離子聚丙烯酰胺的減阻性能進(jìn)行對(duì)比。減阻率的變化如圖4。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表面，升溫過程中，在65 ℃之前，常溫減阻率曲線與升溫減阻率曲線幾乎吻合，溫度對(duì)非離子聚丙烯酰胺溶液的減阻性能幾乎沒有影響;溫度達(dá)到65 ℃時(shí)，減阻率為59%，非離子聚丙烯酰胺溶液的減阻性能受到影響，開始緩慢降低;當(dāng)溫度達(dá)到75 ℃時(shí)，減阻率為50%，非離子聚丙烯酰胺溶液的減阻性能開始劇烈降低;最終，溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，在減阻率降低至18%，15 min后，趨于穩(wěn)定，減阻率為20%。

從微觀角度分析，當(dāng)溫度升高至高分子的高溫降解臨界點(diǎn)時(shí)，高分子開始降解，使得非離子聚丙烯酰胺的減阻性能下降。降解程度越大，減阻率下降越多，減阻性能越差。

2.4 ?鈣離子對(duì)減阻率的影響

不同的油藏環(huán)境，其礦化度差異很大。當(dāng)?shù)貙铀锈}離子含量較高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響非離子聚丙烯酰胺的減阻性能。因此，對(duì)抗鹽性能的評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

2.5 ?pH對(duì)減阻率的影響

不同的油藏環(huán)境，地層水pH值也不盡相同，加之不同的生產(chǎn)工藝（如酸化）也會(huì)對(duì)地層水的pH值產(chǎn)生很大影響。因此，其抗酸堿性能的評(píng)價(jià)也很重要。

將1 200萬分子量的非離子聚丙烯酰胺置于pH=10的環(huán)境中，用酸逐步中和至中性，再逐漸酸化到pH值為4。在pH不斷連續(xù)變化的條件下，對(duì)非離子聚丙烯酰胺的減阻性能進(jìn)行對(duì)比。減阻率的變化如圖7。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，堿性環(huán)境對(duì)非離子聚丙烯酰胺溶液的減阻性能影響很小。酸性環(huán)境對(duì)非離子聚丙烯酰胺溶液的減阻性能影響很大，且酸性越強(qiáng)，非離子聚丙烯酰胺溶液的減阻率降低速度越快。在pH大于7時(shí)，減阻率比正常情況略低;pH為6時(shí)，減阻率為65%;pH為5時(shí)，減阻率為60%;pH為4時(shí)，減阻率為49%。

從微觀角度分析，堿性環(huán)境中，氫氧根離子幾乎不與非離子聚丙烯酰胺高分子發(fā)生反應(yīng)，減阻率與正常情況無異;酸性環(huán)境中，氫離子與高分子上的羥基發(fā)生反應(yīng)，影響高分子的微觀結(jié)構(gòu)，使其減阻率降低。

3 ?結(jié) 論

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)非離子聚丙烯酰胺的減阻性能評(píng)價(jià)可知，在0.02%～0.08%加量條件下，不同分子量的非離子聚丙烯酰胺的減阻性能相差不大，最終減阻率都趨于60;非離子聚丙烯酰胺的濃度越大減阻性能越好，0.06%、0.08%濃度的減阻率最好，分別為72%、74%;非離子聚丙烯酰胺有一定的抗溫性能，抗溫臨界點(diǎn)為65 ℃，溫度65 ℃時(shí)，減阻性能不受影響，溫度大于65 ℃時(shí)，溫度越高，減阻性能越差;鈣離子對(duì)其減阻性能有一定的影響，鈣離子越高減阻性能越低，提高減阻劑濃度能有效提高抗鈣能力，減阻劑濃度越高，抗鈣能力越強(qiáng)0.06%、0.08%濃度抗鹽新能相近;堿性環(huán)境對(duì)非離子聚丙烯酰胺的減阻性能影響很小，幾乎沒有影響，酸性環(huán)境對(duì)其減阻性能影響很大，酸性越強(qiáng)，減阻性能越差。

參考文獻(xiàn)：

[1]李洋，文守成，劉文碩.陰離子型聚丙烯酰胺減阻性能評(píng)價(jià)及影響因素研究[J].化學(xué)工程師，2016，30（11）：86-88.

[2]李江鵬，逯毅，韓磊，張群正.淺談?dòng)推窚p阻劑的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].廣東化工，2014，41（14）：97-98.

[3]曹彩虹.對(duì)聚丙烯酰胺分子量測(cè)定方法的探討[J].當(dāng)代化工研究，2018（04）：69-70.

[4]楊博，孫賓賓.聚丙烯酰胺合成研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工，2017，46（02）：286-288.

[6] 王磊，王丹，賴小娟，馬少云，蔣緯.一種疏水締合聚丙烯酰胺作為壓裂液減阻劑的性能研究[J].現(xiàn)代化工，2016，36（10）：113-116+118.

[7]張文龍，伊卓，杜凱，祝綸宇，劉希，林蔚然.水溶性減阻劑在頁巖氣滑溜水壓裂中的應(yīng)用進(jìn)展[J].石油化工，2015，44（01）：121-126.

[8]梁雙. 微管中聚丙烯酰胺的減阻特性研究[D].浙江大學(xué)，2017.