减阻剂乳液的合成与性能评价

王娟娟，刘通义，赵众从，孙昆，任顺顺，彭明明

(1.中国石化东北油气分公司工程技术研究院，吉林 长春 130062;2.西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500;3.中石化中原石油工程有限公司井下特种作业公司，河南 濮阳 457001)

缝网压裂技术是页岩气开发的关键技术之一，为了在储层中形成压裂缝网，页岩气开发必须进行大排量、大液量压裂施工。在设备功率一定的情况下，压裂用滑溜水在井筒中摩阻高，用于造缝的有效功率就小，将会限制裂缝的形成和延伸，影响压裂施工效果［1］，高效减阻剂的使用也就成为提高施工效果的关键。

减阻剂是一种用于降低流体管道湍流阻力的水溶性或油溶性试剂，国内常用的减阻剂有羟丙基胍胶、高分子量聚丙烯酰胺等［2］。羟丙基胍胶减阻剂是一种半乳甘露聚糖，容易被微生物降解，降阻效果也一般。常规的高分子量聚丙烯酰胺又存在溶解速度慢、对水质要求高等问题。

本文根据高分子聚合物减阻原理，研发了一种不含有机溶剂、速溶、降阻率高的水溶性减阻剂乳液，并对其性能进行了评价。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、过硫酸铵(APS)、亚硫酸氢钠(SB)、硫酸铵(AS)、氢氧化钠、乙醇均为分析纯;稳定剂BC20、单体B-10 为自制;高纯氮气(99.999%)。

WQF-520 傅里叶变换红外光谱仪;RS6000 高级流变仪;流动回路摩阻测试系统，自制。

1.2 减阻剂的合成

去离子水中溶解3 g 稳定剂BC20、15 g 硫酸铵、0.05 g EDTA-2Na、15.8 g AM、4.5 g AA 和2.3 g单体B-10，倒入四口烧瓶中。将烧瓶置于恒温水浴中，装上冷凝管、温度计、搅拌器、氮气导管，通氮气除氧30 min 后加入引发剂，恒温40 ℃反应8 h，得到白色胶乳状产品。

1.3 测试评价

1.3.1 FTIR 将降阻剂乳液用无水乙醇沉淀出高分子聚合物，并反复洗涤，真空干燥至恒重。采用KBr 压片法制样，进行红外光谱测试。

1.3. 2 特性粘数测定 将烘干的试样用1.00 mol/L 的氯化钠溶液配制0.1 g/L 的聚合物溶液，在(30 ±0.01)℃的恒温水浴中，用乌式粘度计测定特性粘数。

1.3.3 溶解性 将1 000 mL 自来水(自来水总矿化度≤500 mg/L)倒入Warring 混调器样品杯中，调整混调器转速至旋涡见底，快速滴加5. 00 mL(0.5%)减阻剂乳液，旋涡闭合时间即为溶解时间。

1.3.4 粘弹性 使用流变仪测定，采用C60/1°Ti锥平板测试系统，锥板直径60 mm，锥角1°，两板间隙0.104 mm，在30 ℃、2 Hz、0.1 Pa 下测定。

1.3.5 耐温耐剪切性能 使用流变仪测定，采用高温密闭测试系统，测量转子为PZ38，转子直径38 mm，在65 ℃、170 s－1下测试。

1.3.6 降阻性能测试 采用流动回路摩阻测试系统对减阻剂进行降阻测试，与清水作对比，向清水中加入一定浓度的减阻剂。选用8 mm 的管路进行测试，记录流体通过管路后的摩阻压降，计算减阻率［3］。

式中 η——降阻率，%;

ΔP水——清水通过测试管路时的压降，MPa;

ΔP——同一流量下减阻剂水溶液通过测试管路时的压降，MPa。

2 结果与讨论

2.1 FTIR 分析

减阻剂乳液中聚合物的FTIR 光谱见图1。

由图1 可知，3 426 cm－1处为—CONH2的N—H的伸缩振动吸收峰;2 933 cm－1处为C—H 的反对称伸缩振动吸收峰;1 681 cm－1处为—CONH2的伸缩振动吸收峰;1 567 cm－1和1 407 cm－1处分别为—COO—的反对称和对称伸缩振动吸收峰;1 178 cm－1和1 039 cm－1为—SO3－的 吸收 峰。由以上分析可知，3 种单体发生了共聚合反应，生成了目标产物。

图1 减阻剂FTIR 光谱图Fig.1 FTIR spectrum of DRA

2.2 稳定剂浓度对乳液特性粘数和稳定性影响

稳定剂BC20 是一种阴离子型聚合物，在共聚物的生成过程中，共聚物微颗粒被吸附分散在稳定剂表面，提供空间障碍作用和静电排斥作用，使得减阻剂乳液具有良好的分散稳定性能［4］。表1 对比了不同稳定剂加量对减阻剂特性粘数和稳定性的影响。

表1 稳定剂浓度对减阻剂乳液稳定性的影响Table 1 Influence of stabilizer concentration on DRA emulsion stability

由表1 可知，稳定剂用量在6% ～9%，能制备出流动性、稳定性都很好的减阻剂乳液，稳定剂用量为8%时，共聚物的特性粘数最高，稳定剂用量超过10%后，产品的流动性、稳定性都降低。

2.3 分相剂浓度对乳液性能影响

用硫酸铵为分相剂，硫酸铵浓度对减阻剂乳液的影响见表2。

表2 分散剂浓度对乳液的影响Table 2 Influence of dispersant concentration on emulsion

由表2 可知，硫酸铵浓度为22% ～24%时，可以使产物从溶液中相分离出来，硫酸铵浓度低于18%时，共聚物没有发生分相析出，导致了溶液聚合;硫酸铵浓度高于25%时，由于硫酸根的反电解质作用，形成凝胶，造成共聚物分层。适宜的硫酸铵浓度为22% ～24%。

2.4 粘弹性［5-6］

动态流变测试将粘弹性分解为储能模量G'和损耗模量G''两个参数。储能模量G'表示在应力作用下变形过程中能量的储存，反映了弹性的大小，损耗模量G''表示在应力作用下变形过程中能量的消耗，反映了粘性的大小［7］。使用流变仪在30 ℃、2 Hz、0.1 Pa 下测定0.2%的减阻剂溶液的粘弹性，结果见图2。

图2 0.2%的减阻剂水溶液粘弹性曲线Fig.2 Viscoelastic curve of 0.2% aqueous solution of DRA

由图2 可知，在恒定频率和应力时，减阻剂溶液的模量随时间变化基本保持不变，储能模量G'略高于耗能模量G''，减阻剂溶液表现出了明显的粘弹性特征。

2.5 耐温耐剪切性能

使用高温流变仪选用高温密闭系统，在65 ℃、170 s－1下测定浓度为0.2%的减阻剂溶液在连续剪切90 min 后表观粘度随时间变化关系，见图3。

图3 0.2%的减阻剂水溶液粘温曲线Fig.3 Viscosity-temperature curve of 0.2%aqueous solution of DRA

由图3 可知，在65 ℃下，随着温度逐渐升高，样品的粘度呈逐渐下降的趋势，但温度达到设定值后表观粘度下降趋势较为平缓。共聚物中由于磺酸基团的存在，抑制了酰胺基团的水解，减阻剂溶液表现出了较好的耐温耐剪切性能。

2.6 减阻性能

使用自来水配制0.2%的减阻剂水溶液，将其加入摩阻测试系统中，测定减阻剂在不同流速下的降阻率，结果见图4。

图4 0.2%的减阻剂水溶液降阻率与流量的关系Fig.4 Relationship between frictional pressure drop and flow 0.2% aqueous solution of DRA

由图4 可知，0.2%的减阻剂水溶液的最大降阻率超过70%，表现出了良好的降阻特性。

3 结论

(1)采用水分散聚合法制备减阻剂乳液时，稳定剂BC20 的最优用量在6% ～9%。当稳定剂用量为8%时，制备的减阻剂乳液中共聚物的特性粘数最高。

(2)分相剂硫酸铵的浓度是制备减阻剂乳液的关键，过高或过低都不能使生成的共聚物从溶液中均匀盐析分相出来，分散聚合就将变成溶液聚合，产品将结块，适宜的硫酸铵浓度为22% ～24%。

(3)减阻剂溶液具有明显的粘弹性特征，耐温耐剪切性能良好，0.2%的减阻剂水溶液的最大降阻率超过70%，表现出了良好的降阻特性，能够作为滑溜水用减阻剂使用。

［1］ 李勇明，李崇喜，郭建春，等.M 气藏压裂施工砂堵原因剖析［J］.钻采工艺，2008，31(2):55-57.

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［3］ 刘通义，王季澄，赵众从，等.一种多功能流动回路摩阻测试装置:CN，201120391162.4［P］.2012-05-30.

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