減阻劑乳液的合成與性能評價

王娟娟，劉通義，趙眾從，孫昆，任順順，彭明明

(1.中國石化東北油氣分公司工程技術(shù)研究院，吉林 長春 130062;2.西南石油大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500;3.中石化中原石油工程有限公司井下特種作業(yè)公司，河南 濮陽 457001)

縫網(wǎng)壓裂技術(shù)是頁巖氣開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一，為了在儲層中形成壓裂縫網(wǎng)，頁巖氣開發(fā)必須進行大排量、大液量壓裂施工。在設(shè)備功率一定的情況下，壓裂用滑溜水在井筒中摩阻高，用于造縫的有效功率就小，將會限制裂縫的形成和延伸，影響壓裂施工效果［1］，高效減阻劑的使用也就成為提高施工效果的關(guān)鍵。

減阻劑是一種用于降低流體管道湍流阻力的水溶性或油溶性試劑，國內(nèi)常用的減阻劑有羥丙基胍膠、高分子量聚丙烯酰胺等［2］。羥丙基胍膠減阻劑是一種半乳甘露聚糖，容易被微生物降解，降阻效果也一般。常規(guī)的高分子量聚丙烯酰胺又存在溶解速度慢、對水質(zhì)要求高等問題。

本文根據(jù)高分子聚合物減阻原理，研發(fā)了一種不含有機溶劑、速溶、降阻率高的水溶性減阻劑乳液，并對其性能進行了評價。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、過硫酸銨(APS)、亞硫酸氫鈉(SB)、硫酸銨(AS)、氫氧化鈉、乙醇均為分析純;穩(wěn)定劑BC20、單體B-10 為自制;高純氮氣(99.999%)。

WQF-520 傅里葉變換紅外光譜儀;RS6000 高級流變儀;流動回路摩阻測試系統(tǒng)，自制。

1.2 減阻劑的合成

去離子水中溶解3 g 穩(wěn)定劑BC20、15 g 硫酸銨、0.05 g EDTA-2Na、15.8 g AM、4.5 g AA 和2.3 g單體B-10，倒入四口燒瓶中。將燒瓶置于恒溫水浴中，裝上冷凝管、溫度計、攪拌器、氮氣導(dǎo)管，通氮氣除氧30 min 后加入引發(fā)劑，恒溫40 ℃反應(yīng)8 h，得到白色膠乳狀產(chǎn)品。

1.3 測試評價

1.3.1 FTIR 將降阻劑乳液用無水乙醇沉淀出高分子聚合物，并反復(fù)洗滌，真空干燥至恒重。采用KBr 壓片法制樣，進行紅外光譜測試。

1.3. 2 特性粘數(shù)測定 將烘干的試樣用1.00 mol/L 的氯化鈉溶液配制0.1 g/L 的聚合物溶液，在(30 ±0.01)℃的恒溫水浴中，用烏式粘度計測定特性粘數(shù)。

1.3.3 溶解性 將1 000 mL 自來水(自來水總礦化度≤500 mg/L)倒入Warring 混調(diào)器樣品杯中，調(diào)整混調(diào)器轉(zhuǎn)速至旋渦見底，快速滴加5. 00 mL(0.5%)減阻劑乳液，旋渦閉合時間即為溶解時間。

1.3.4 粘彈性 使用流變儀測定，采用C60/1°Ti錐平板測試系統(tǒng)，錐板直徑60 mm，錐角1°，兩板間隙0.104 mm，在30 ℃、2 Hz、0.1 Pa 下測定。

1.3.5 耐溫耐剪切性能 使用流變儀測定，采用高溫密閉測試系統(tǒng)，測量轉(zhuǎn)子為PZ38，轉(zhuǎn)子直徑38 mm，在65 ℃、170 s－1下測試。

1.3.6 降阻性能測試 采用流動回路摩阻測試系統(tǒng)對減阻劑進行降阻測試，與清水作對比，向清水中加入一定濃度的減阻劑。選用8 mm 的管路進行測試，記錄流體通過管路后的摩阻壓降，計算減阻率［3］。

式中 η——降阻率，%;

ΔP水——清水通過測試管路時的壓降，MPa;

ΔP——同一流量下減阻劑水溶液通過測試管路時的壓降，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR 分析

減阻劑乳液中聚合物的FTIR 光譜見圖1。

由圖1 可知，3 426 cm－1處為—CONH2的N—H的伸縮振動吸收峰;2 933 cm－1處為C—H 的反對稱伸縮振動吸收峰;1 681 cm－1處為—CONH2的伸縮振動吸收峰;1 567 cm－1和1 407 cm－1處分別為—COO—的反對稱和對稱伸縮振動吸收峰;1 178 cm－1和1 039 cm－1為—SO3－的 吸收 峰。由以上分析可知，3 種單體發(fā)生了共聚合反應(yīng)，生成了目標產(chǎn)物。

圖1 減阻劑FTIR 光譜圖Fig.1 FTIR spectrum of DRA

2.2 穩(wěn)定劑濃度對乳液特性粘數(shù)和穩(wěn)定性影響

穩(wěn)定劑BC20 是一種陰離子型聚合物，在共聚物的生成過程中，共聚物微顆粒被吸附分散在穩(wěn)定劑表面，提供空間障礙作用和靜電排斥作用，使得減阻劑乳液具有良好的分散穩(wěn)定性能［4］。表1 對比了不同穩(wěn)定劑加量對減阻劑特性粘數(shù)和穩(wěn)定性的影響。

表1 穩(wěn)定劑濃度對減阻劑乳液穩(wěn)定性的影響Table 1 Influence of stabilizer concentration on DRA emulsion stability

由表1 可知，穩(wěn)定劑用量在6% ～9%，能制備出流動性、穩(wěn)定性都很好的減阻劑乳液，穩(wěn)定劑用量為8%時，共聚物的特性粘數(shù)最高，穩(wěn)定劑用量超過10%后，產(chǎn)品的流動性、穩(wěn)定性都降低。

2.3 分相劑濃度對乳液性能影響

用硫酸銨為分相劑，硫酸銨濃度對減阻劑乳液的影響見表2。

表2 分散劑濃度對乳液的影響Table 2 Influence of dispersant concentration on emulsion

由表2 可知，硫酸銨濃度為22% ～24%時，可以使產(chǎn)物從溶液中相分離出來，硫酸銨濃度低于18%時，共聚物沒有發(fā)生分相析出，導(dǎo)致了溶液聚合;硫酸銨濃度高于25%時，由于硫酸根的反電解質(zhì)作用，形成凝膠，造成共聚物分層。適宜的硫酸銨濃度為22% ～24%。

2.4 粘彈性［5-6］

動態(tài)流變測試將粘彈性分解為儲能模量G'和損耗模量G''兩個參數(shù)。儲能模量G'表示在應(yīng)力作用下變形過程中能量的儲存，反映了彈性的大小，損耗模量G''表示在應(yīng)力作用下變形過程中能量的消耗，反映了粘性的大?。?］。使用流變儀在30 ℃、2 Hz、0.1 Pa 下測定0.2%的減阻劑溶液的粘彈性，結(jié)果見圖2。

圖2 0.2%的減阻劑水溶液粘彈性曲線Fig.2 Viscoelastic curve of 0.2% aqueous solution of DRA

由圖2 可知，在恒定頻率和應(yīng)力時，減阻劑溶液的模量隨時間變化基本保持不變，儲能模量G'略高于耗能模量G''，減阻劑溶液表現(xiàn)出了明顯的粘彈性特征。

2.5 耐溫耐剪切性能

使用高溫流變儀選用高溫密閉系統(tǒng)，在65 ℃、170 s－1下測定濃度為0.2%的減阻劑溶液在連續(xù)剪切90 min 后表觀粘度隨時間變化關(guān)系，見圖3。

圖3 0.2%的減阻劑水溶液粘溫曲線Fig.3 Viscosity-temperature curve of 0.2%aqueous solution of DRA

由圖3 可知，在65 ℃下，隨著溫度逐漸升高，樣品的粘度呈逐漸下降的趨勢，但溫度達到設(shè)定值后表觀粘度下降趨勢較為平緩。共聚物中由于磺酸基團的存在，抑制了酰胺基團的水解，減阻劑溶液表現(xiàn)出了較好的耐溫耐剪切性能。

2.6 減阻性能

使用自來水配制0.2%的減阻劑水溶液，將其加入摩阻測試系統(tǒng)中，測定減阻劑在不同流速下的降阻率，結(jié)果見圖4。

圖4 0.2%的減阻劑水溶液降阻率與流量的關(guān)系Fig.4 Relationship between frictional pressure drop and flow 0.2% aqueous solution of DRA

由圖4 可知，0.2%的減阻劑水溶液的最大降阻率超過70%，表現(xiàn)出了良好的降阻特性。

3 結(jié)論

(1)采用水分散聚合法制備減阻劑乳液時，穩(wěn)定劑BC20 的最優(yōu)用量在6% ～9%。當穩(wěn)定劑用量為8%時，制備的減阻劑乳液中共聚物的特性粘數(shù)最高。

(2)分相劑硫酸銨的濃度是制備減阻劑乳液的關(guān)鍵，過高或過低都不能使生成的共聚物從溶液中均勻鹽析分相出來，分散聚合就將變成溶液聚合，產(chǎn)品將結(jié)塊，適宜的硫酸銨濃度為22% ～24%。

(3)減阻劑溶液具有明顯的粘彈性特征，耐溫耐剪切性能良好，0.2%的減阻劑水溶液的最大降阻率超過70%，表現(xiàn)出了良好的降阻特性，能夠作為滑溜水用減阻劑使用。

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