陰離子型聚丙烯酰胺減阻性能評(píng)價(jià)及影響因素研究

李　洋，文守成，劉文碩

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430100）

陰離子型聚丙烯酰胺減阻性能評(píng)價(jià)及影響因素研究

李洋1，2，文守成1，2，劉文碩1

（1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北武漢430100；2.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430100）

為揭示不同因素對(duì)陰離子型聚丙烯酰胺類(lèi)減阻性能的影響，研究了分子量大小、減阻劑濃度對(duì)滑溜水壓裂液減阻性能影響，考察了不同濃度及類(lèi)型條件下的滑溜水壓裂液的抗溫性能、抗鹽性能。結(jié)果表明，在較低加量下，分子量對(duì)陰離子型聚丙烯酰胺水溶液減阻性能影響很?。黄渥罴褲舛戎档乃趨^(qū)間為: 400～600×106;在清水常溫條件下，減阻率到達(dá)72%；溫度對(duì)陰離子型聚丙烯酰胺溶液減阻性能影響很大，80℃時(shí)，減阻率提高到78%；但其抗鹽能力較差，在清水條件下，加入鈉鹽后，減阻率下降至70%；同樣在清水條件下，隨著鈣鹽的加量增加，減阻率下降至53%。

陰離子型聚丙烯酰胺；分子量；濃度；抗溫性；抗鹽性；減阻率

作為滑溜水體系的核心部分，減阻劑的各性能評(píng)價(jià)顯得尤為重要。但目前性能良好的減阻劑仍然處于實(shí)驗(yàn)階段，而且測(cè)試方法大多采用計(jì)算方式進(jìn)行；而對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作檢測(cè)很難真實(shí)模擬，從而得到的數(shù)據(jù)以及結(jié)論很可能并不適用于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中。本文采用閉式循環(huán)減阻系統(tǒng)，通過(guò)把減阻劑直接加入清水中，通過(guò)前后壓差的對(duì)比，真實(shí)還原現(xiàn)場(chǎng)條件下的減阻性能變化。除此之外，由于現(xiàn)場(chǎng)滑溜水體系用于不同的地層，其地層中溫度、所含的鹽離子對(duì)整個(gè)體系的影響也不能忽略。故我們模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，進(jìn)行溫度以及鹽類(lèi)濃度對(duì)陰離子型聚丙烯酰胺水溶液減阻性能評(píng)價(jià)，進(jìn)而更好的分析陰離子型聚丙烯酰胺水溶液的適用條件，并在現(xiàn)場(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1材料與儀器

800萬(wàn)、1000萬(wàn)、1200萬(wàn)、1600萬(wàn)、1800萬(wàn)分子量聚丙烯酰胺（簡(jiǎn)稱(chēng)PAM）（鄭州智遠(yuǎn)化工有限公司）；NaCl和CaCl2，分析純，市售；實(shí)驗(yàn)用水：工業(yè)用水。

高溫高壓流動(dòng)阻力試驗(yàn)儀，自制。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

（1）在儲(chǔ)液罐中裝入35L清水，開(kāi)啟裝置循環(huán)1min，使管路內(nèi)裝滿清水，并檢查流量計(jì)、壓差傳感器是否正常運(yùn)行，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

（2）循環(huán)清水3min，記錄流量以及當(dāng)前流量下的壓差w。

（3）加入減阻劑，同時(shí)按下軟件的按鈕，記錄每秒鐘的減阻率變化，循環(huán)30min，如需檢測(cè)抗溫性能，需在溫度達(dá)到要求值時(shí)，開(kāi)啟保溫裝置，并繼續(xù)循環(huán)30min，從而記錄當(dāng)前流量下的不同壓差△w、減阻率。

（4）用清水清洗循環(huán)系統(tǒng)，直到清水的壓差滿足當(dāng)前流量所對(duì)應(yīng)的壓差為止。

2　結(jié)果與討論

2.1分子量對(duì)于陰離子型聚丙烯酰胺減阻性能的影響

流體脈動(dòng)的最小單元不是單個(gè)分子，而是由許多分子組成的大小不同的“流體微團(tuán)”。分子量較大的高分子抑制徑向脈動(dòng)的能力較強(qiáng)，因此，高聚物相對(duì)分子質(zhì)量是影響高聚物降阻效果的重要因素[1]。

在0.06%濃度陰離子型聚丙烯酰胺以及常溫以及60℃條件下，分別對(duì)分子量為800萬(wàn)、1000萬(wàn)、1200萬(wàn)、1600萬(wàn)、1800萬(wàn)的陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能進(jìn)行對(duì)比。減阻率隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖1。

圖1　常溫及50度條件下，陰離子型聚丙烯酰胺分子量大小對(duì)減阻性能的影響Fig.1Under normal temperature and 50℃,effect of molecular weight of anionic polyacrylamide on drag reduction

研究表明在較低加量、常溫條件下，分子量的變化對(duì)于其減阻性能的影響很小基本都在69%～72%之間；但由于低分子量陰離子聚丙烯酰胺比高分子陰離子聚丙烯酰胺溶解速度快，故低分子量的減阻性能略好于高分子量的減阻性能。隨著溫度的升高，在60℃條件下，由于五個(gè)不同分子量的陰離子型聚丙烯酰胺減阻劑都充分溶解，故其溶液的減阻性能在穩(wěn)定后都提升到74%左右。綜上所述，滑溜水體系中，減阻劑加量較少、溫度低于60℃的條件下，分子量的變化對(duì)于其減阻性能的影響不大。

2.2陰離子型聚丙烯酰胺減阻劑抗溫性能評(píng)價(jià)

通常來(lái)講，高聚物隨著溫度變化會(huì)存在一定程度上降解現(xiàn)象，因此，結(jié)合地層條件考察降阻劑不同溫度下的降阻效果十分必要[2]。在0.06%濃度基礎(chǔ)上，800萬(wàn)、1200萬(wàn)、1800萬(wàn)分子量陰離子型聚丙烯酰胺對(duì)25、50、80、85℃進(jìn)行減阻性能對(duì)比。

圖2 0.06%濃度下，溫度對(duì)不同分子量陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能影響Fig.2Under the 0.06%concentration,effect of temperature on the drag reduction properties of anionic polyacrylamide with different molecular weight

圖2可知，在0.06%的濃度下，常溫至75℃條件下，隨著溫度的升高，溶液的減阻性能呈現(xiàn)上升狀態(tài)，直至性能平穩(wěn)；而升至75℃以后，隨著溫度的升高，800萬(wàn)以及1200萬(wàn)分子量的陰離子型聚丙烯酰胺溶液的減阻性能呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì)，升至80℃以后，1800萬(wàn)分子量的陰離子型聚丙烯酰胺溶液的減阻性能也開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，但下降速率較慢。故在0.06%濃度下，不同分子量類(lèi)型的陰離子型聚丙烯酰胺溶液，抗溫性能均較好，且差異性不大；超過(guò)臨界溫度后，減阻性能略微下降，但整體水平依然超過(guò)70%。

2.3陰離子型聚丙烯酰胺減阻劑抗鹽性能評(píng)價(jià)

無(wú)機(jī)鹽尤其是陽(yáng)離子Na+、高價(jià)陽(yáng)離子Ca2+等，影響陰離子型聚丙烯酰胺溶液的減阻性能。當(dāng)?shù)貙铀V化度較高時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致溶液減阻率下降。因此對(duì)陰離子型聚丙烯酰胺溶液的抗鹽性能進(jìn)行評(píng)價(jià)顯得尤為重要[3]。

2.3.1鈉鹽對(duì)于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能影響在濃度0.06%、1800萬(wàn)陰離子型聚丙烯酰胺基礎(chǔ)上，對(duì)清水、濃度1%、2%Na+含量進(jìn)行比較，研究鈉離子濃度對(duì)于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　0.06%濃度下，鈉離子含量對(duì)陰離子型聚丙烯酰胺減阻性能的影響Fig.3Under the 0.06%concentration,effect of sodium ion content on drag reduction properties of anionic polyacrylamide

由圖3可知，陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能隨鈉離子的加入而降低。常溫條件下，濃度1%～2% Na+含量的減阻性能相比較清水條件下降了3%；高溫條件下，雖然Na+溶解更充分，但陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能并沒(méi)有繼續(xù)下降，減阻率保持相比于清水條件下，下降3%。值得注意的是隨著鈉離子含量的增加，陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能也并沒(méi)有進(jìn)一步下降；1%與2%濃度加量對(duì)于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能的影響保持一致。故該溶液的抗鈉性能較好。

2.3.2鈣鹽對(duì)于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能影響在0.6%濃度、1800萬(wàn)陰離子型聚丙烯酰胺基礎(chǔ)上，對(duì)清水、濃度500、1000、1500mL·g-1Ca2+含量進(jìn)行比較，研究Ca2+含量對(duì)于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　0.06%濃度下，鈣離子含量對(duì)陰離子型聚丙烯酰胺減阻性能的影響Fig.4Under the 0.06%concentration,effect of calcium ion content on drag reduction properties of anionic polyacrylamide

由圖4可知，陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能隨Ca2+含量的增加而逐步降低。常溫條件下，500～1500mg·L-1Ca2+含量的減阻性能相比較清水條件下降了5%～7%；高溫條件下，由于Ca2+溶解更充分，陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能下降也更為明顯，減阻率分別下降至60%，57%，54%。故該溶液的抗鈣性能較差。

3　結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)陰離子型聚丙烯酰胺溶液的減阻性能評(píng)價(jià)可知，分子量對(duì)其減阻性能影響較小；且常溫條件下低分子量溶液減阻性能略好于高分子量溶液；升溫后，高分子量溶液減阻性能略好于低分子量溶液；滑溜水體系中，僅根據(jù)減阻性能來(lái)看，最佳添加濃度為400～600×10-6；在0.02%濃度下，隨著溫度的升高，減阻性能呈現(xiàn)先上升后降低的狀態(tài)；在0.06%濃度下，隨著溫度的升高，減阻性能呈現(xiàn)先上升后近乎平穩(wěn)的狀態(tài)；溶液整體抗鈉鹽性能較好，但抗鈣鹽性能較差。所以該類(lèi)型溶液配制的滑溜水體系，在0.06%濃度下，適用于溫度較高，含鈉鹽較多，但含鈣鹽較少的地層。

［1］劉洪濤，解勇珍，許連潔，等.滑溜水壓裂液降阻劑的研制與應(yīng)用［J］.石油地質(zhì)與工程，2014（5）.

［2］勝利油田.地質(zhì)科學(xué)研究院新型耐溫抗鹽聚合物增黏劑的合成及性能評(píng)價(jià)［J］.西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.

［3］呂宇玲，丁慎圓，何利民，等.聚丙烯酰胺水溶液管道流動(dòng)特性研究［J］.化工進(jìn)展，2014，（10）.

Study on the performance evaluation and influence factors of anionic polyacrylamide drag reduction

LI Yang1，2，WEN Shou-cheng1，2，LIU Wen-shuo1
（1.College of Petroleum Engineering in Yangtze University,Wuhan 430100,China；2.The Key Laboratory of oil and gas drilling engineering in Hubei Province,Wuhan 430100,China）

In order to reveal the influence of different factors on the drag reduction properties of anionic polyacrylamide,and the effect of molecular weight,drag reducing agent concentration on the slick water fracturing fluid on the drag reduction performance were stuelieel research temperature resistance and salt resistance about slick water fracturing fluid under different concentrations and types of conditions were researched.As a result,Under the lower dosage the effect of molecular weight on the drag reduction performance of anionic polyacrylamide aqueous solution is very small.Under the clear water and room temperature,the drag reduction rate reached 72%; Temperature has great influence on the drag reduction performance of anionic polyacrylamide solution,and the drag reduction rate increased to 78%when the temperature become 80 centigrade;But its salt resistance ability is poor,in clear water,after adding sodium salt,drag reduction rate decreased to 70%;also in the clear water condition,with the increase of the calcium salt,the drag reduction rate decreased to 53%.

anionic polyacrylamide；molecular weight；concentration；temperature resistance；salt resistance；drag reduction rate

TE357.12

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20161186

2016-09-08

李洋（1991-），男，在讀碩士研究生，從事水力壓裂等相關(guān)研究。

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：文守成（1972-），男，本文通訊聯(lián)系人，現(xiàn)為長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事鉆井液及壓裂液等相關(guān)研究。