頁巖氣壓裂用抗鹽速溶滑溜水降阻劑的制備及性能評價

王海波

摘 要：在頁巖氣開采過程中，需要對儲層進行壓裂體積改造，使其產生裂縫導流，從而提高產采收率，滑溜水壓裂技術逐漸成為國內外頁巖氣開采主要增產技術。本文以丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化銨為共聚單體，偶氮二異丁脒鹽酸鹽為引發劑，自制聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為分散劑，采用分散聚合法制備了陽離子型聚丙烯酰胺水包水乳液降阻劑，考察了適宜的聚合條件，并利用FTIR、激光粒度儀、Waring混調器、黏度保留率和摩阻測試系統對聚合物分子結構、乳液性狀和性能進行測試、評價。

關鍵詞：頁巖氣;壓裂;降阻劑;分散聚合;抗鹽

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

①AM：工業級，天津百世化工公司;②DADMAC：工業級，上海德茂化工有限公司;③V-50：分析純，上海滬宇生物科技有限公司;④P-DMC：自制，分子量2.3× 105。

1.2 聚合物制備

在三口燒瓶中加入適宜濃度的分散介質與分散劑P-DMC，攪拌待完全溶解，后依次加入單體AM、DADMAC，攪拌均勻后置于液氮中進行冷凍抽真空，然后充入氮氣至常壓，重復三次。然后將體系置于水浴鍋中緩慢升溫，同時加裝冷凝管進行冷凝，待升溫至反應溫度后，加入引發劑V-50開始反應。一定時間后反應結束，體系呈乳白色液體狀，停止加熱并繼續攪拌待溫度降至室溫。取聚合物乳液加入丙酮破乳，并用無水乙醇洗滌3次，提純、干燥得到白色聚合物固體粉末，裝袋密封備用。

1.3 抗鹽性能評價

分別用不同礦化度鹽水和清水配制0.2%（w）聚合物溶液，測試黏度，鹽水聚合物溶液與清水聚合物溶液的黏度比值即為黏度保留率，以此評價聚合物抗鹽性能[1]。鹽水的礦化度分別為5g、10g、15g、20g和30g/L。

1.4 降阻性能評價

采用密閉循環管路摩阻測試系統測試評價降阻劑降阻性能。對比清水流動摩阻與0.2%（w）聚合物流體的流動摩阻，由管路壓降代入式（1）計算降阻率（DR）：

DR=（ΔpH2O-Δp）/ΔpH2O×100%? ? ? ?（1）

式中，ΔpH2O為清水在測試系統中的壓降，MPa;Δp為聚合物流體在測試系統中的壓降，MPa[1]。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗結果

2.1.1 單體配比對聚合物性能的影響

單體配比直接影響聚合物的抗鹽性能，在n（AM）﹕n（DADMAC）由4：1增長到8：1的過程中，聚合物抗鹽性能呈逐漸降低趨勢，黏度保持率由78.01%降低至55.16%，而相對分子質量由6.39×105增加到1.01×106。這是因為DADMAC加量的增加使共聚物分子鏈上通過接枝形成的具有抗鹽性能的季銨鹽基團數目增加，抑制分子在高礦化度環境中發生水解和分子鏈蜷曲的能力增強，同時分子鏈上形成更多大側基，使流體力學體積增大，宏觀表現為抗鹽性能增強;而由于在共聚反應中DADMAC的競聚率較低，其加量的提高必然導致聚合度的降低，因此分子量也降低[2]。

2.1.2 分散介質濃度對聚合物性能的影響

固定單體配比n（AM）：n（DADMAC）=6：1，單體加量為體系總質量的40%，分散劑加量為單體總質量的6%，引發劑加量為單體總質量的0.2%，反應溫度60℃，考察不同分散介質濃度對乳液表觀黏度、相對分子量、抗鹽性能和穩定性的影響。當分散介質中乙醇占比不斷增大時，聚合物乳液的表觀黏度先持續降低后略有升高，抗鹽性能和相對分子量呈持續微弱降低趨勢，這是因為乙醇是聚合產物的不良溶劑，當分散介質中乙醇量較低時聚合產物的醇析效應較弱，分子析出的臨界鏈長較長，相應地分子量也較大，分子鏈較為舒展，宏觀表現為表觀黏度較大;隨著乙醇含量增加，聚合物醇析效應增強，分子析出的臨界鏈長變短，分子量降低，分子鏈更加收縮，因此表觀黏度降低。

2.1.3 分散劑加量對聚合物性能的影響

隨著分散劑加量的提高，乳液表觀黏度隨之增大，是因為分散劑也是一種水溶性高聚物，其加量提高必然導致體系黏度增大，體系黏度適度增加可強化聚合過程凝膠效應，有利于分子量的提高，而黏度過高則會限制單體自由基的移動，無法生成高分子量聚合物。此外，分散劑附著于聚合物顆粒上，其空間位阻和靜電排斥同時作用防止粒子發生聚并，保持體系穩定。分散劑加量過低則隔離作用較弱，體系易破乳形成膠塊;加量過多則會導致體系黏度過高而對聚合物性能和乳液性狀都產生不利影響。因此確定分散劑加量較佳條件為8%。

2.2 乳液形貌及粒徑分析

將乳液用50%的乙醇水溶液稀釋后用顯微鏡進行形貌分析，放大倍數為200倍，分析結果見圖1。由圖中可以看出聚合物粒子基本呈球狀，分散較均勻，粒徑較均一;采用激光粒度儀分析粒子粒徑及粒徑分布，結果顯示粒子有效當量直徑為216.8nm，粒徑分布為0.052，粒徑分布較窄[3]。

2.3 聚合物速溶性能

用Waring混調器在轉速2500r/min條件下用清水配制質量分數0.5%（按有效固含量計）的聚合物溶液，該體系在不同溶解時間下的表觀黏度見表1。由表中可看出聚合物乳液速溶性能極佳，可在10min內完全溶解。

2.4 聚合物降阻性能

摩阻測試管路為管長2.0m、管徑20.5mm的光滑不銹鋼管，分別用渦輪流量傳感器、壓差傳感器測定流體流量、壓差。分別測試清水和質量分數0.05%、0.1%和0.2%（按有效固含量計）聚合物溶液流體在不同流量下的壓差（見圖2），計算降阻率。由圖2看出，聚合物流體相比于清水流體降阻效果明顯，降阻率隨聚合物質量分數增加呈現先增大后逐漸穩定的趨勢，且增大流量有利于提高降阻率。當流量為2.8L/s時清水壓差為52.1kPa，質量分數0.2%的聚合物溶液壓差為17.5kPa，降阻率達到66.4%[4]。

3 結束語

綜上所述，聚合物乳液具有優良的抗鹽性能和極佳的速溶效果，在礦化度30000mg/L的模擬水中黏度保持率可達78.6%;質量分數0.5%（按有效固含量計）的聚合物乳液可在10min內完全溶解。聚合物乳液的降阻效果明顯，質量分數0.2%（按有效固含量計）的聚合物流體在流量2.8L/s條件下降阻率最高可達66.4%，可有效降低流動摩阻。

參考文獻：

[1]李旭暉，郭麗梅，管保山等.一種抗鹽型丙烯酰胺共聚物的合成與評價[J].石油化工，2017，46（10）：1313-1318.

[2]孟磊，周福建，劉曉瑞等.滑溜水用減阻劑室內性能測試與現場摩阻預測[J].鉆井液與完井液，2017，34（3）：105-110.

[3]陳馥，何雪梅，卜濤等.耐鹽減阻劑的制備及性能評價[J].精細石油化工，2018，35（1）：51-55.

[4]車玉菊.耐溫抗鹽型丙烯酰胺共聚物的合成及性質研究[D].濟南：山東大學，2010.