油醇系濃縮締合聚合物壓裂液增稠劑的合成及其性能研究

任占春，黃 波，張潦源，李愛山，盧娜娜

(中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營 257000)

聚合物型壓裂液增稠劑具有增稠能力強、破膠性能好和殘渣含量低等優(yōu)點［1－2］。其中，水溶性疏水締合聚合物可在濃度高于臨界締合濃度(CAC)后，通過大分子鏈疏水締合作用聚集，無需化學交聯(lián)即可形成動態(tài)物理交聯(lián)網(wǎng)絡，大幅度地提高溶液的表觀黏度。雖然疏水聚合物具有諸多優(yōu)點，但也存在耐溫性差和剪切穩(wěn)定性差等缺點［3－5］。

為提高聚合物耐溫性和剪切穩(wěn)定性，降低聚合物配液難度，本文以丙烯酰胺(AM)，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸鈉(AMPSNa)和甲基丙烯酸十六烷基酯(MPA)為單體［n(AM)∶n(AMPSNa)∶n(MPA)=35 ∶4.5 ∶0.5］，0.1% 過硫酸鉀/亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，于35℃聚合4 h合成了一種疏水締合聚合物型壓裂液增稠劑(AF)，其形貌和增稠性能經(jīng)TEM和流變儀表征。結(jié)果表明:AF在水溶液中可形成密集的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu);CACAF為1 200 mg·L－1。以白油為外相，甲醇為內(nèi)相，AF為增稠劑，制備了油醇濃縮締合聚合物壓裂液增稠劑CAF，其性能經(jīng)流變儀和表面張力儀表征。結(jié)果表明:0.65%CAF于140℃/170 s－1剪切1 h，表觀黏度為77.1 mPa·s，高溫抗剪切性較好;于95℃破膠3 h，破膠液表觀黏度，表面張力和殘渣含量分別為 1.32 mPa·s，26.9 mN·m－1和25.8 mg·L－1，破膠返排性較好。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

日立H-600型透射電鏡;Physica MCR 301型高級流變儀;JYW-200型自動表/界面張力儀。

所用試劑均為分析純或工業(yè)品。

1.2 合成

(1)AF的合成

在反應瓶中依次加入AM 248.5 g(3.5 mol)，AMPSNa 103.16 g(0.45 mol)，MPA 15.53 g(0.05 mol)和純水1 469 mL，攪拌使其溶解(單體質(zhì)量分數(shù)20%);于35℃通氮0.5 h后依次加入引發(fā)劑1.836 g［m(過硫酸鉀)∶m(亞硫酸氫鈉)=1∶1］，聚合反應4 h。棄去液體，將膠體粉碎為顆粒(粒徑3 mm～5 mm)，加入少量氫氧化鈉和助溶劑，攪拌使其混合均勻;移至密封加熱器中，于90℃水解，干燥，篩分得白色固體粉末AF(粒徑0.08 nm)。

(2)CAF的制備

在燒杯中加入白油1.17 kg，甲醇330 g，聚丙烯酸酯75 g和Span-80 1.2 g，于35℃攪拌1 h。加入 AF 525.4 g，攪拌0.5 h后得25%黃色油狀液體CAF。

1.3 應用性能評價

CAF的性能按SY/T5107-2005和SY/T6376-2008標準測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

(1)TEM

圖1為0.2%AF溶液的TEM圖。由圖1可見，AF在水溶液中可形成密集的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

圖1 0.2%AF溶液的TEM圖Figure 1 TEM image of 0.2%AF solution

(2)增稠性

根據(jù)疏水締合聚合物溶液的結(jié)構(gòu)流體理論，當溶液中締合聚合物濃度高于CAC時，聚合物可形成超分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使溶液結(jié)構(gòu)黏度增大［6］。圖2為AF的增稠性能。由圖2可見，當CACAF＞1 200 mg·L－1，AF黏度開始顯著增加，開始形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖2 AF的增稠性能Figure 2 Tackify performance of AF

2.2 應用性能

(1)水化性能

表1為CAF的水化性能。由表1可見，CAF攪拌2 min即可完全水化，黏度達到最大值(240 mPa·s);繼續(xù)攪拌，CAF的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)被高速剪切破壞，黏度反而降低。

表1 CAF的水化性能Table 1 Hydration performance of CAF

(2)穩(wěn)定性

由于采油作業(yè)開始向深部儲層進行，增稠劑必須具備良好的抗高溫和抗剪切性能。圖3為0.65%CAF 于140 ℃ /170 s－1剪切 1 h 后的黏度曲線。

圖3 0.65%CAF的黏度曲線Figure 3 Viscosity curves of 0.65%CAF

由圖3可見，CAF于140℃/170 s－1剪切1 h，黏度為 77.1 mPa·s，高于行業(yè)標準要求(50 mPa·s)，說明CAF抗高溫和抗剪切性能較好。

(3)破膠返排性

以0.15%過硫酸銨為破膠劑，考察了0.65%CAF于95℃破膠3 h后的破膠返排性和殘渣含量。結(jié)果表明:破膠液黏度，表面張力和殘渣含量分別為 1.32 mPa·s，26.9 mN·m－1和25.8 mg·L－1，均低于行業(yè)標準要求。

［1］朱輝明，盧紅杰，沈彬彬，等.低濃度聚合物壓裂液體系研究與應用效果評價［J］.鉆采工藝，2011，34(3):91－94.

［2］ 陳大鈞，陳馥，李建波.油氣田應用化學［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2006.

［3］ 耿同謀.疏水締合水溶性聚合物——P(AM-NaAADiAC8)的合成及其締合性能［J］.合成化學，2009，17(1):48－52.

［4］董宏偉，孫玉海，陳志，等.疏水締合聚丙烯酰胺與陽離子雙子表面活性劑的相互作用［J］.合成化學，2007，15(2):165 －168.

［5］ 費晨洪，王偉，馮玉軍.嵌段聚合物 PGMA-b-PDEAEMAx的合成及其CO2誘導解組裝行為［J］.合成化學，2014，22(6):734 －738.

［6］張德富，盧祥國，李強，等.締合程度對疏水締合聚合物增黏性和抗剪切性影響研究［J］.西安石油大學學報(自然科學版)，2015，30(2):93－97.