AAMS-1疏水締合聚合物壓裂液稠化劑合成與應(yīng)用

吳　偉，劉平平，孫　昊，張曉云

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）理學(xué)院，山東青島266580）

AAMS-1疏水締合聚合物壓裂液稠化劑合成與應(yīng)用

吳偉，劉平平，孫昊，張曉云

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）理學(xué)院，山東青島266580）

吳偉等.AAMS-1疏水締合聚合物壓裂液稠化劑合成與應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：114-118.

利用反相乳液聚合方法合成了AM/AMPS/疏水單體M（氯化甲基丙烯酸二甲基十六烷基氨基乙醇酯）/剛性單體S（4-丙烯?；被交撬徕c）的四元疏水締合聚合物AAMS-1，并用紅外光譜對(duì)聚合物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。熱重分析表明，聚合物在250 ℃下化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。合成的聚合物乳液平均粒徑在2 500 nm左右，其臨界締合濃度為0.15%。利用掃描電鏡清楚觀察到了AAMS-1壓裂液的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。AAMS-1壓裂液具有良好的黏彈特性、攜砂性能和巖心傷害特性。耐溫耐剪切測(cè)試表明，體系具有優(yōu)良的耐溫能力，0.6%的水溶液在150 ℃、170 s-1條件下剪切2 h，表觀黏度保持在50 mPa·s以上。

壓裂液；稠化劑；疏水締合聚合物；反相乳液聚合；合成

0　引言

以羥丙基瓜膠（HPG）為代表的植物膠壓裂液、黏彈性表面活性劑（VES）壓裂液和合成聚合物壓裂液是目前研究和使用較多的水基壓裂液體系［1］。其中后者由于耐溫性能優(yōu)良和價(jià)格優(yōu)勢(shì)等特點(diǎn)近年來(lái)受到廣泛關(guān)注［2］。傳統(tǒng)的部分水解聚丙烯酰胺壓裂液體系耐溫耐剪切性能較差、溶解緩慢，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大限制［3］，而以某些特種單體與丙烯酰胺等通過(guò)一定的聚合方法形成疏水締合聚丙烯酰胺是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。如李志臻報(bào)道了一種無(wú)瓜膠電吸引聚合物壓裂液體系［4］，周景彩等合成了疏水締合型聚合物BSC14-1［5］，楊振周等合成的聚合物L(fēng)F-200等均具有良好的耐溫、耐鹽和耐剪切性能［6］。劉僑等研究了AM/NBS/SSS陰離子三元疏水締合聚合物［7］，具有優(yōu)良抗水解能力，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐溫抗鹽性能。

以AM、AMPS、疏水單體M（氯化甲基丙烯酸二甲基十六烷基氨基乙醇酯）、剛性單體S（4-丙烯酰胺基苯磺酸鈉）4種單體為內(nèi)相、白油為外相，司盤(pán)80和吐溫80為乳化劑，采用反相乳液聚合方法［8-9］制備了油包水型四元疏水締合聚合物AAMS-1。旨在提高疏水締合聚合物溶解性能和壓裂液耐溫耐剪切性能。對(duì)產(chǎn)品AAMS-1的臨界締合濃度、耐溫耐剪切性能、乳液體系粒度分布、溶液的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了考察。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要試劑和儀器

試劑：AM、AMPS、白油、EDTA（乙二胺四乙酸）、羥丙基瓜膠，均為工業(yè)級(jí)；疏水單體M和剛性單體S為本實(shí)驗(yàn)室合成；司盤(pán)80、吐溫80、氫氧化鈉、石油醚，均為市售分析純?cè)噭?。儀器：Rheoplus MCR302高級(jí)流變儀、S-4800型冷場(chǎng)掃描電鏡、IR Prestige-21傅里葉紅外光譜儀、Bruker 600MHz型核磁共振儀、Nano ZS激光納米粒度儀、Linseis PT1600熱重分析儀、ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、DSTP-III巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀。

1.2反相乳液聚合法制備疏水締合聚丙烯酰胺的方法

把一定量的工業(yè)白油、司盤(pán)80和吐溫80加入到裝有恒速攪拌器、N2導(dǎo)入口、溫度計(jì)、回流管的四口燒瓶中，在30 ℃、430 r/min下攪拌至均勻，得到油相體系。把不同配比的AM、AMPS、疏水單體M、剛性單體S充分溶解在水中，恒溫下，用恒壓漏斗滴加在上述油相體系中，滴加時(shí)間控制在90 min。滴加完后繼續(xù)攪拌30 min，然后通入高純氮?dú)?0 min，在38 ℃下加入占單體0.06%的引發(fā)劑（NH4）2S2O8和NaHSO3（1∶1）后升溫至45 ℃，保溫24 h得到透明的乳液聚合物產(chǎn)品。所得乳液先用9倍體積的石油醚萃取3次，得到的聚合物在70 ℃下烘干24 h至恒重。對(duì)純化的聚合物樣品在N2氛圍中進(jìn)行熱重分析，溫度范圍為20～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min。利用傅里葉紅外光譜儀對(duì)聚合物測(cè)其紅外譜圖。

2　結(jié)果與討論

2.1聚合物的合成與結(jié)構(gòu)

所合成的疏水締合聚合物AAMS-1具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。①具有長(zhǎng)疏水鏈段，形成疏水微區(qū)，這是疏水締合作用的關(guān)鍵。②以帶有正電基團(tuán)的季銨離子和帶有負(fù)電性的磺酸基離子間靜電作用加強(qiáng)聚合物分子間的相互作用。③為提高熱穩(wěn)定性，引入苯環(huán)、磺化基團(tuán)等熱穩(wěn)定單元。即使高溫條件下伴有分子鏈的斷裂，因剛性基團(tuán)的位阻效應(yīng)，分子運(yùn)動(dòng)阻力大，聚合物在溶液的表觀黏度降低幅度也小。④原料來(lái)源廣泛易得，合成工藝簡(jiǎn)單可行。

圖1為所得聚合物AAMS-1的紅外譜圖。分析可知：3 436 cm-1處為聚合物樣品中水峰，3 202 cm-1為—NH2的伸縮振動(dòng)峰，2 932、2 871 cm-1處分別為—CH3、—CH2—的伸縮振動(dòng)峰，1 661 cm-1處為 AM和AMPS中的—C‖O的伸縮振動(dòng)峰（重合）。1 545、1 551和1 409 cm-1強(qiáng)度較小的峰證明剛性單體S苯環(huán)的存在，1 170 cm-1處為—C—O的面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰，1 047 cm-1為—S=O的伸縮振動(dòng)峰，765 cm-1為疏水單體M中烷基鏈的平面搖擺振動(dòng)，證實(shí)了聚合物中含有AM、AMPS、疏水單體M和剛性單體S，因后2者在聚合物中含量少，在紅外譜圖中峰強(qiáng)度相對(duì)較小。

圖1　聚合物AAMS-1的紅外譜圖

疏水締合聚合物AAMS-1的TGA曲線如圖2所示，可分為3個(gè)階段。第1階段（20～250 ℃）：聚合物質(zhì)量損失約10%，因?yàn)榫酆衔锓肿又械幕撬峄王０坊辛己玫奈院蛷?qiáng)親水性，應(yīng)屬于樣品中吸附水的損失。第2階段（250～320 ℃）：在250 ℃后失重加速，表明在這個(gè)溫度下疏水締合聚合物開(kāi)始分解，如分子鏈中的酰胺基、磺酸基和酯基會(huì)發(fā)生消除反應(yīng)。第3階段（320～800 ℃）：聚合物的主鏈開(kāi)始發(fā)生斷裂和分解。從TGA數(shù)據(jù)中可以看出，四元疏水締合聚合物AAMS-1有比較好的熱穩(wěn)定性［10-12］，在化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面能夠滿足壓裂液在250 ℃范圍內(nèi)的使用。

圖2　疏水締合聚合物AAMS-1的TGA曲線

2.2臨界締合濃度

疏水締合聚合物AAMS-1溶液的黏度與聚合物濃度之間的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)聚合物濃度低于0.15%時(shí)，溶液中的聚合物大分子比較少，聚合物分子的活動(dòng)空間較大，以單個(gè)分子形式存在，疏水基團(tuán)通過(guò)疏水作用形成的分子內(nèi)締合微區(qū)比較少，溶液黏度隨著濃度的增加而變得緩慢。在聚合物濃度大于0.15%后，聚合物溶液的黏度隨著濃度的增加明顯增大，可以認(rèn)為0.15%為疏水締合物的臨界締合濃度，此時(shí)分子締合的幾率增大，大分子之間形成大量疏水微區(qū)，大分子鏈伸展，流體力學(xué)體積增加，聚合物的黏度急劇增加。在聚合物濃度為0.6%時(shí)，黏度達(dá)到916 mPa·s。

圖3　疏水締合聚合物AAMS-1水溶液黏度與濃度的關(guān)系

2.3乳液粒度分析

圖4為所得聚合物乳液（濃度為0.6%）的粒度分析結(jié)果，從圖4可以得出，粒徑分布在1 100～3 800 nm間，平均為2 500 nm左右，分布較窄。

圖4　乳液聚合物的激光粒度儀分析

2.4不同濃度水溶液網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的電鏡分析

從圖5中可以得出，在放大4 000倍下，0.09%的水溶液沒(méi)有形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；濃度為0.15%時(shí)開(kāi)始起到締合的作用，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較少；濃度為0.6%時(shí)締合作用明顯增大，形成互相交織的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)呈不規(guī)則的五邊形，穩(wěn)定性相對(duì)高，因此黏度在剪切速率170 s-1下達(dá)到916 mPa·s。

圖5　不同濃度水溶液的SEM（×4 000）

2.5合成壓裂液的黏彈特性

0.6%AAMS-1壓裂液在150 ℃下的黏彈測(cè)試如圖6所示。由圖6可以得出，儲(chǔ)能模量G′起始數(shù)值較大，隨剪切時(shí)間延長(zhǎng)逐漸減小，而耗能模量G″保持相對(duì)穩(wěn)定，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中G′始終大于耗能模量G″，彈性明顯地大于黏性，表明該體系在150 ℃下具有良好的黏彈性能，滿足在150 ℃地層使用。

2.6壓裂液的攜砂性能

AAMS-1壓裂液是一種具有黏彈特性的流體，利用支撐劑沉降考察在實(shí)驗(yàn)溫度和靜態(tài)條件下支撐劑的沉降速率。結(jié)果表明，對(duì)于粒徑在0.4～0.8 mm的石英砂沉降速度為0.004 8 cm/s，粒徑為0.45～0.90 mm的陶粒沉降速度為0.004 0 cm/s，顯示出良好的攜砂性能。

圖6　濃度為0.6%AAMS-1壓裂液的黏彈性測(cè)試

2.7合成壓裂液的耐溫耐剪切性能

0.6%AAMS-1溶液的耐溫耐剪切曲線如圖7所示，20 ℃時(shí)，體系初始黏度為916 mPa·s，隨著溫度的升高，黏度逐漸降低。當(dāng)溫度達(dá)到150 ℃，其黏度降為58 mPa·s。隨著剪切時(shí)間的增長(zhǎng)，黏度一直穩(wěn)定在50 mPa·s以上。滿足《壓裂液通用技術(shù)條件》中要求的在170 s-1下剪切2 h后黏度大于50 mPa·s的規(guī)定。由此可見(jiàn)，0.6%AAMS-1耐溫能力達(dá)到150 ℃。

圖7　0.6%AAMS-1溶液的耐溫耐剪切曲線

2.8巖心傷害性

AAMS-1壓裂液體系在80 ℃、氧化破膠劑加量0.03%條件下經(jīng)1 h可完全破膠，破膠液黏度小于3 mPa·s。破膠液的黏度很低但仍會(huì)對(duì)巖心的滲透性造成傷害，實(shí)驗(yàn)比較了合成的壓裂液體系與常用羥丙基瓜膠破膠液對(duì)巖心的傷害情況。根據(jù)SY/T 5107—2005“水基壓裂液評(píng)價(jià)方法”中關(guān)于對(duì)巖心基質(zhì)滲透率傷害的測(cè)試方法，測(cè)得合成疏水締合聚合物壓裂液在傷害前后巖心滲透率分別為0.424 5×10-3、0.340 5×10-3μm2，傷害率為19.8%。相同條件下HPG對(duì)巖心的傷害率為30.4%，可知傷害率比HPG體系降低34%左右。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

AAMS-1壓裂液體系具有耐高溫、低傷害清潔特性，可用于低滲油藏的壓裂和中高滲油藏的防砂充填。現(xiàn)階段主要應(yīng)用于壓裂防砂，如勝利某稠油井油藏埋深1 300～1 460 m，含油井段150 m。儲(chǔ)層平均孔隙度為34.9%，原始含油飽和度為56.2%，滲透率為1 822.7×10-3μm2，泥質(zhì)含量為12.4%，巖心黏土含量高。對(duì)防砂施工而言，采用AAMS-1壓裂液可有效降低瓜膠聚合物帶來(lái)的油層滲透率傷害。攜砂液的組成為：熱污水+0.2%防膨劑HBFP-3+0.15%AAMS-1，其基液黏度大于50 mPa·s，在同樣濃度下，其攜砂能力強(qiáng)于羥丙基瓜膠攜砂液。施工使用攜砂液210 m3，加砂85 m3，最大砂比為80%，壓裂防砂施工取得了良好的增產(chǎn)效果。

4　結(jié)論

采用反相乳液聚合方法制備了含有AM、AMPS、疏水單體M和剛性單體S的四元疏水締合聚丙烯酰胺AAMS-1。聚合物的臨界締合濃度為0.15%，乳液平均粒徑分布在2 500 nm左右。掃描電鏡分析表明，在壓裂液體系中形成清晰的網(wǎng)狀織構(gòu)。由于疏水締合作用和正負(fù)離子間靜電作用加強(qiáng)了聚合物分子鏈間的結(jié)合力，AAMS-1疏水締合聚合物體系基于本身的分子結(jié)構(gòu)，濃度為0.6%水溶液黏度達(dá)到916 mPa·s，在不使用溫度穩(wěn)定劑、增效助劑等添加劑的情況下體系的耐溫能力達(dá)到150 ℃。該壓裂液是一種黏彈性強(qiáng)的流體，因此較低黏度就能滿足施工要求，使用成本低。AAMS-1乳液型疏水締合壓裂液體系合成方便、破膠后幾乎無(wú)殘?jiān)?duì)地層傷害小，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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Synthesis and Application of a Hydrophobically Associating Polymer Viscosifier for Fracturing Fluids

WU Wei， LIU Pingping， SUN Hao， ZHANG Xiaoyun
（College of Science， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580）

A hydrophobically associating quadripolymer， AAMS-1， was synthesized through reverse emulsion polymerization， using AM， AMPS， hydrophobic monomer M （2-Dimethyl hexadecaneaminomethacrylate chloride）/rigid monomer S （4-acrolylamino sodium benzenesulfonate）. The synthesized AAMS-1 was characterized with IR spectrum. Thermogravimetric analysis showed that AAMS-1 was chemically stable at 250 ℃. The synthesized AAMS-1 emulsion had particle sizes around 2，500 nm， with critical associating concentration of 0.15%. The network structure of AAMS-1 in fracturing fluids can be clearly seen using with an SEM. Fracturing fluids formulated with AAMS-1 have good viscoelasticity， sand carrying capacity， and permeability protection performance. Water solution of 0.6% AAMS-1 sheared at 150 ℃ and 170 s-1for 2 h had residue viscosity not less than 50 mPa·s， indicating that AAMS-1 had satisfactory shearing stability and high temperature stability.

Fracturing fluid； Viscosifier； Hydrophobically associating polymer； Reverse emulsion polymerization； Synthesis

TE357.12

A

1001-5620（2016）05-0114-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.024

國(guó)家自然科學(xué)基金課題“NVES與疏水締合聚合物相互作用及協(xié)同增稠機(jī)制研究”（51374230）。

吳偉，教授，博士，1963年生，畢業(yè)于中科院化學(xué)研究所，現(xiàn)在主要從事采油化學(xué)研究工作。電話 （0532）86981571；E-mail：wuweiupc@upc.edu.cn。

（2016-1-9；HGF=1603F6；編輯 付玥穎）