高抗鹽減阻劑的合成及性能評價

孫建波，任凱，于朋朋，趙桃桃，景曉雅

（山東諾爾生物科技有限公司， 山東 東營 257000）

水包水PAM 是一種新型的聚丙烯酰胺產(chǎn)品形態(tài)。陰離子水包水PAM 作為滑溜水減阻劑，具有溶解速度快、能耗低、環(huán)保安全、固含量高等特點，特別適用于不具備安裝大型溶解裝置的施工現(xiàn)場。

本文以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和十六烷基丙烯酰胺為單體，自制低聚物為分散劑，氧化還原體系為引發(fā)劑合成了高抗鹽減阻劑。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

丙烯酰胺、丙烯酸，工業(yè)級，山東諾爾生物科技有限公司；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，工業(yè)級，山東聯(lián)盟化工集團有限公司；N-十六烷基丙烯酰胺，工業(yè)級，廣東翁江化學(xué)試劑有限公司；十二烷基硫酸鈉，工業(yè)級，山東旺通化工有限公司；交聯(lián)劑，自制；氫氧化鈉、無水氯化鈣、六水氯化鎂、氯化鈉、甲酸鈉、過硫酸鉀、亞硫酸氫鈉，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

標(biāo)準(zhǔn)鹽水（8.5 萬礦化度）：SY/T 5107—2016中7.7.1 中規(guī)定的鹽水。

10%氯化鈣鹽水：在純水中加入無水氯化鈣100.0 g，定容至1 L。

1.2 實驗儀器

正球形反應(yīng)釜（1 000 mL），數(shù)顯溫度計（山東朗斯普電子科技有限公司），攪拌器（RW20,德國IKA 有限公司），BROOKFIELD 黏度計（GX-2005，美國博勒飛公司），激光粒度分布儀（Bettersize2600，丹東百特儀器有限公司），減阻儀（JZL-1，江蘇華安科研儀器有限公司），流變儀（HAAKE MARS 40，賽默飛世爾科技有限公司），數(shù)顯六速旋轉(zhuǎn)黏度計（ZNN-D6S，青島恒泰達機電設(shè)備有限公司），電子分析天平（ME104，廣東鼎衡自動化設(shè)備有限公司）。

1.3 性能評價方法

1.3.1 減阻率測試

減阻率測試按照NB/T 14003.1—2015 中7.8 的規(guī)定執(zhí)行。

1.3.2 溶解速度及鹽水黏度測試

用注射器稱取12 g 樣品，加入到348 g 鹽水（25 ℃）中，以IKA 立式攪拌器，500 r·min-1轉(zhuǎn)速，兩頁轉(zhuǎn)子攪拌，加樣后分別攪拌20 s、40 s、60 s、90 s、120 s、300 s，立即用布氏黏度計（選用62#轉(zhuǎn)子、30 轉(zhuǎn)）測定鹽水黏度。

1.3.3 交聯(lián)懸砂性能測試

用自來水配制2%的聚合物溶液（以IKA 立式攪拌器，500 r·min-1轉(zhuǎn)速，兩頁轉(zhuǎn)子攪拌，加樣后分別攪拌1 min），用六速旋轉(zhuǎn)黏度計測定聚合物溶液的初始黏度，加入0.5%的交聯(lián)劑攪拌均勻后，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計100 轉(zhuǎn)測定聚合物溶液的交聯(lián)黏度。

懸砂性能：取100 mL 上述配制的2%聚合物溶液，在玻璃杯中按30%砂比加入20～40 目（830～380 μm）的陶粒砂，攪拌均勻后加入0.5 mL 交聯(lián)劑，攪拌均勻后，倒入100 mL 量筒觀察記錄沉砂率（陶粒砂已沉降高度與攜砂液總高度的百分比）。

2 高抗鹽減阻劑的合成及其結(jié)構(gòu)表征

2.1 高抗鹽減阻劑的合成

高抗鹽減阻劑的合成包含以下4 個步驟：1）制備低聚物分散劑，在1 000 mL 玻璃杯中加入丙烯酸80 g、AMPS80g 和純水780 g，充分溶解后，再緩慢加入60 g 氫氧化鈉，調(diào)整體系pH 至為6.5，吹氮氣30 min 后將溫度升高至30 ℃后，加入過硫酸銨引發(fā)聚合反應(yīng)，反應(yīng)完成后得到低聚物分散劑；2）在燒杯中加入AM、AMPS、N-十六烷基丙烯酰胺、硫酸銨、低聚物分散劑、十二烷基硫酸鈉和去離子水，充分溶解后，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH 值，充分混合均勻；3）體系溫度調(diào)整至25 ℃，通氮氣除氧30 min，在200～500 r·min-1的攪拌速度下，加入氧化劑過硫酸銨和還原劑亞硫酸氫鈉引發(fā)聚合，溫度逐漸升高至60 ℃，持續(xù)反應(yīng)4 h 后反應(yīng)結(jié)束；4）反應(yīng)完成后，在500～1 000 r·min-1的攪拌速度下，加入氯化鈉，持續(xù)攪拌1 h 后得到乳白色液體為高抗鹽減阻劑，其反應(yīng)式如式（1）所示：

2.2 高抗鹽減阻劑粒徑分析

用丹東百特儀器有限公司Bettersize2600 激光粒度分布儀測定高抗鹽減阻劑顆粒的平均粒徑及其分布，分散相選用38%的硫酸銨水溶液，高抗鹽減阻劑粒徑分析數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 高抗鹽減阻劑粒徑分布曲線

由粒徑分析曲線可以看出，高抗鹽減阻劑的粒徑曲線中只有1 個峰值，粒徑區(qū)間為2～80 μm，粒徑中值為10 μm，20 μm 以下占78.15%，45 μm 以下粒徑占95.33%，說明高抗鹽減阻劑的粒徑分布較窄，粒徑分布較均勻。

3 高抗鹽減阻劑性能評價

3.1 抗鹽性能評價

分別用純水、標(biāo)準(zhǔn)鹽水以及10%氯化鈣鹽水測定其溶解速度，實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 高抗鹽減阻劑減阻劑溶解速度數(shù)據(jù)表

由溶解速度實驗數(shù)據(jù)可以看出，在純水、標(biāo)準(zhǔn)鹽水以及10%氯化鈣鹽水中滑溜水減阻劑溶解速度都非?？?，聚合物在20 s 以內(nèi)就能溶解，表現(xiàn)出較高的黏度，在標(biāo)準(zhǔn)鹽水和10%氯化鈣鹽水中的黏度比在純水中的黏度高，這是因為在不破壞水包水鹽析平衡的條件下，在體系中引入了抗鹽單體，且在體系中引入較多的表面活性劑，促使聚合物在極短時間內(nèi)就能充分溶解。

3.2 減阻性能評價

按照1.3.1 中規(guī)定的測試方法對高抗鹽減阻劑的減阻率進行測定，分別測定聚合物濃度為0.5‰和1‰條件下，在標(biāo)準(zhǔn)鹽水和10%氯化鈣鹽中的減阻率，實其結(jié)果如圖2 所示。

圖2 抗鹽減阻劑減阻率曲線

由減阻率曲線可以看出，在0.5‰和1‰濃度條件下，用自來水、標(biāo)準(zhǔn)鹽水和10%氯化鈣鹽水測試，高抗鹽減阻劑均具有非常好的減阻效果，在加入試劑20～30 s 時，減阻劑就可以達到最大減阻率，達到的最大減阻率基本一致，減阻率最高可達到76%。

合成的高抗鹽減阻劑在水中能夠快速水化分散，20 s 即可具有非常好好的減阻效果，在高礦化度、低濃度條件下仍具有極高的減阻效果，可實現(xiàn)在線連續(xù)混配，更有利于“井工廠”大型壓裂施工。

3.3 攜砂性能評價

按照1.3.3 中規(guī)定的測試方法對高抗鹽減阻劑的攜砂性能進行測定，用自來水配制2%的聚合物溶液，測試溶液的交聯(lián)、懸砂性能，并用HAAKE MARS 40 流變儀測試交聯(lián)后膠液的流變性能，交聯(lián)黏度數(shù)據(jù)如表2 所示，懸砂性能如表3 所示，流變性能如圖3 所示。

表2 壓裂用增稠劑交聯(lián)性能數(shù)據(jù)

表3 高抗鹽減阻劑攜砂數(shù)據(jù)表

圖3 高抗鹽減阻劑流變曲線

由實驗數(shù)據(jù)可以看出，高抗鹽減阻劑跟交聯(lián)劑具有較好的配伍性，加入交聯(lián)劑后即可交聯(lián)，交聯(lián)黏度大，交聯(lián)后不可挑掛、流動性好，流動阻力較小，膠液在80 ℃、170 s-1條件下剪切1 h 后仍具有較高的聚合物黏度，可達到現(xiàn)場施工要求；聚合物溶液交聯(lián)后具有非常好的懸砂性能，24 h 的沉降率低于1%。本文合成的高抗鹽減阻劑可形成可逆的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的黏彈性以及抗鹽抗剪切性，本文中通過功能單體與表面活性劑的共同作用，調(diào)整聚合物分子鏈中功能單體的嵌入狀態(tài)，使聚合物能在幾分鐘內(nèi)迅速溶解，可實現(xiàn)在線連續(xù)混配。

4 結(jié) 論

1）本文以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N-十六烷基丙烯酰胺為單體，自制低聚物為分散劑，合成了高抗鹽減阻劑。

2）合成高抗鹽減阻劑的粒徑中值為10 μm，其中95.33%的聚合物粒徑在45 μm 以下，聚合物粒徑分布較窄，粒徑分布較均勻。

3）合成高抗鹽減阻劑具有高抗鹽、抗鈣能力，在10%氯化鈣條件下具有76%以上的減阻率，且加入交聯(lián)劑后能夠具有優(yōu)異的攜砂性能。