四元两性疏水聚合物溶液流变和减阻性能

彭飞， 方波， 卢拥军， 邱晓慧， 黄彩贺， 刘玉婷（.华东理工大学化工学院，上海0037；.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007）

彭飞等.四元两性疏水聚合物溶液流变和减阻性能[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：92-96.



四元两性疏水聚合物溶液流变和减阻性能

彭飞1， 方波1， 卢拥军2， 邱晓慧2， 黄彩贺1， 刘玉婷2
（1.华东理工大学化工学院，上海200237；2.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007）

彭飞等.四元两性疏水聚合物溶液流变和减阻性能[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：92-96.

摘要为丰富和发展聚合物减阻体系，以丙烯酰胺（AM）、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸（AMPS）、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAM）、十六烷基二甲基烯丙基氯化铵（CDAAC）为单体合成出一种四元两性疏水缔合聚合物（PAADC），研究了其溶液的流变和减阻性能。考察了不同浓度该聚合物溶液的流变特性，讨论了该聚合物体系的摩擦阻力系数和减阻率随广义雷诺数的变化关系，并对比了PAADC与AM/AMPS/DMAM形成的三元水溶性聚合物（PAAD）的流变学和减阻效果。结果表明，聚合物体系具有良好的剪切稀释性，相同浓度PAADC溶液的触变性明显大于PAAD溶液；浓度为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的PAADC体系，最大减阻率分别为32.29%、62.32%、69.52%和67.35%，证明PAADC溶液浓度显著影响溶液的减阻性能，其中0.3%PAADC体系的减阻效果较优。

关键词减阻剂；滑溜水压裂液；添加剂；四元两性疏水缔合聚合物；流变性

Rheology and Drag Reduction of Hydrophobic Amphoteric Quadripolymer Solution

PENG Fei1, FANG Bo1, LU Yongjun2, QIU Xiaohui2, HUANG Caihe1, LIU Yuting2
(1.College of Chemical Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2.Langfang Branch of Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Langfang Hebei 065007, China)

Abstract A hydrophobic amphoteric quadripolymer PAADC was synthesized for use as a drag reducer in slippery water fracturing fluids. PAADC, made from monomers AM, AMPS, DMAM and CDAAC, was studied in laboratory on its rheology and drag reduction capacity, and the rheology of PAADC solution at different concentrations is measured. Change of the friction coefficient and rate of drag reduction of the PAADC solutions with generalized Reynolds number is discussed in this paper. Comparison between the rheology and drag reduction capacity of PAADC and those of another water-soluble terpolymer PAAD (synthesized from AM, AMPS and DMAM) was conducted. PAADC solution has, as the studies indicated, very good shear thinning capacity, and the thixotropy of PAADC is better than that of PAAD at the same concentration. The maximum rates of drag reduction of PAADC solution of different concentrations (0.1%, 0.2%, 0.3%, and 0.4%) are 32.29%, 63.32%, 69.52% and 67.35%, respectively, indicating that PAADC concentration remarkably affects the drag reduction capacity of thesolutions, and 0.3% PAADC solution is preferred in drag reduction.

Key words Drag reduction agent; Slippery water fracturing fluid; Additive; Hydrophobic amphoteric association quadripolymer; Rheology

自1948年Toms[1]首先发现湍流减阻效应以来，高分子聚合物[2-4]和自组装表面活性剂[5-6]等减阻体系的研究获得广泛关注。疏水缔合聚合物的分子链中带有少量疏水基团，当溶液中聚合物浓度达到一定值之后，疏水基团趋向于发生分子间的疏水缔合，在溶液中形成网络结构，从而提高溶液黏度[7-9]，在油气田领域具有良好的发展前景，并且有望作为一种新型滑溜水压裂液体系[10-12]。研究了一种性能良好的四元两性疏水缔合聚合物（PAADC）溶液的剪切变稀性和触变性等流变学特性和聚合物溶液的减阻性能，为疏水聚合物的减阻应用提供实验基础。

1　实验部分

1.1 试剂及主要仪器

1）试剂。PAADC，实验室自制[13]，主要以丙烯酰胺（AM）、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸（AMPS）、N，N-二甲基丙烯酰胺（DMAM）、十六烷基二甲基烯丙基氯化铵（CDAAC）为单体，采用自由基溶液聚合法制备，其黏均分子量为445×104，临界缔合浓度C*约为0.25%。三元（AM/AMPS/DMAM）水溶性聚合物PAAD，由中国石油勘探开发科学研究院和华东理工大学共同研制[14]，由中国石油勘探开发科学研究院廊坊分院提供。实验用水均为自来水。

2）仪器。FA2004型电子天平（上海衡平仪器仪表厂）；Physica MCR 10l流变仪（Anton Paar公司），使用锥板测试系统（转子型号CP25-1-SN10665）。流体阻力研究装置由料液储罐、离心泵、涡轮流量计、测试管形成循环管路系统。测试管段是不锈钢材质的光滑管，实验管段长度为2.0 m，管直径为20.5 mm，采用涡轮流量传感器测定流体流量，压差变送器测量压差。

1.2 PAADC的制备条件

通过考察单体含量及配比、引发剂含量、反应温度、反应时间、体系pH值对PAADC性能影响，获得PAADC的优化合成工艺为：反应单体总质量浓度为15%（其中AM、AMPS、DMAM、CDAAC 4种单体的质量比为58.2∶19.4∶19.4∶3.0），pH值为5.0，反应温度为25 ℃，引发剂含量为反应单体总质量的0.05%，反应时间为4 h。其中引发剂为氧化还原复合引发体系（亚硫酸氢钠与过硫酸铵的物质的量比为2∶1）。

2　结果与讨论

2.1 聚合物溶液流变特性

称取一定质量的PAADC和PAAD，根据设计的减阻剂浓度加入一定量的自来水，经搅拌并充分溶解后，形成一定浓度的减阻溶液。25 ℃下，在稳定剪切模式下，通过研究溶液黏度、剪切应力随剪切速率的变化关系，研究各体系的剪切变稀性和触变性。

2.1.1 聚合物溶液黏度随剪切速率的变化

在25 ℃下，不同质量浓度的PAADC溶液和PAAD溶液的黏度随剪切速率的变化关系见图1。不同浓度下的PAADC溶液和PAAD溶液的黏度均随剪切速率的增大而减小，呈现剪切变稀性。使用幂律模型对不同浓度的PAADC溶液黏度曲线进行拟合，拟合的相关参数见表1。

图1　不同浓度的PAADC溶液和PAAD溶液黏度随剪切速率的变化

表1　不同浓度PAADC和PAAD溶液黏度曲线幂律模型参数

由表1中相关系数的平方R2可知，相关性较好，使用幂律模型拟合4个浓度下的PAADC溶液和PAAD溶液的剪切变稀曲线的效果良好。另外，随着聚合物浓度的增大，K值增大，而n值减小，表明随着聚合物浓度的增大，溶液的增稠能力变强，而且溶液的非牛顿流体剪切变稀特性更加明显。

2.1.2 聚合物溶液触变性

在25 ℃条件下，对比同一浓度下的PAADC溶液和PAAD溶液的触变性，结果如图2所示。

图2　不同浓度下聚合物溶液的触变性

由图2可知，浓度为0.1%时，PAADC和PAAD溶液均没有产生滞后环，且PAAD体系的上行线和下行线均高于PAADC的上行线和下行线；对于浓度为0.2%、0.3%和0.4%的PAADC和PAAD溶液均产生正触变环，且PAADC溶液的正触变环应力大于PAAD溶液的正触变环应力，表明同一浓度下PAADC溶液的内部结构更强。这是由于与PAAD相比，PAADC分子之间存在较强的疏水作用所致。

2.2 聚合物溶液减阻性能

流变研究表明，PAADC溶液与传统PAAD溶液均具有明显的剪切变稀特性，黏度随剪切速率的变化符合幂律模型η=Kγn-1，其中K为稠度系数，n为流性参数，各拟合参数见表1。PAADC溶液与传统PAAD溶液减阻性能评价方法和性能参数指标值（广义雷诺数、直管摩擦阻力系数、减阻率）等的计算均可参考文献[6]。

2.2.1 PAADC溶液的减阻性能

光滑管中不同浓度PAADC溶液的压降随流量的变化关系如图3所示。由图3可知对于各个浓度的PAADC溶液以及水，压降随着流量的增大而增大，并且在同一流量（大于1 L/s）下，水的压降大于各个浓度下的PAADC溶液；对于同一流量下的4个浓度的PAADC溶液，压降从小到大的排序为：0.3% PAADC溶液≤0.2% PAADC溶液＜0.4% PAADC溶液＜0.1% PAADC溶液。

图3　光滑管中PAADC溶液压降随流量的变化关系

光滑管中不同浓度PAADC溶液的摩擦阻力系数f随广义雷诺数ReM的变化关系如图4所示。由图4可知，对于同一广义雷诺数下的4个浓度的PAADC溶液以及水，摩擦阻力系数从小到大的排序为：0.3%PAADC溶液＜0.4%PAADC溶液＜0.2%PAADC溶液＜0.1%PAADC溶液＜自来水。这表明各个浓度下的PAADC溶液均具有减阻效果。

光滑管中不同浓度PAADC溶液的减阻率DR随广义雷诺数ReM的变化关系如图5所示。由图5可知，随着广义雷诺数的增加，各个浓度PAADC溶液的减阻率均不断增大；对于0.1%、0.2%、0.3%、0.4% 等4个浓度的PAADC体系，最大减阻率分别为32.29%、62.32%、69.52%和67.35%，其中浓度为0.3%体系的减阻效果最好；对于同一广义雷诺数下的4个浓度的PAADC溶液，减阻率由高到低的排序为：0.3%PAADC溶液＞0.4%PAADC溶液＞0.2% PAADC溶液＞0.1%PAADC溶液，PAADC溶液的减阻率随浓度的变化存在先上升后降低的过程。

图4　光滑管中不同浓度PAADC溶液的摩擦阻力系数

图5　光滑管中不同浓度PAADC溶液减阻率随广义雷诺数的变化曲线

2.2.2 溶液与PAAD溶液的减阻性能

光滑管中不同浓度的PAADC溶液和PAAD溶液的减阻率随广义雷诺数的变化关系见图6。由图6可知，各个浓度PAADC溶液以及PAAD溶液的减阻率均随着广义雷诺数的增加而不断增大；对于0.1%、0.2%、0.3%、0.4%等4个浓度的PAAD溶液，最大减阻率分别为63.98%、68.02%、66.22%和73.13%，其中浓度为0.4%的PAAD溶液的减阻效果最好；对0.1%和0.4%的聚合物溶液，PAADC溶液的减阻率小于PAAD溶液的减阻率，对于0.3%的聚合物溶液，PAADC溶液的减阻率大于PAAD溶液的减阻率。因为PAADC的临界缔合浓度C*约为0.25%，当溶液浓度低于C*时，疏水聚合物分子间相互作用使溶液黏度较大，减阻效果低于PAAD体系；而当溶液浓度远高于C*时，聚合物分子间相互作用太强，虽然溶液的弹性也增大，但由于黏性作用更强，使该浓度溶液的减阻性能低于PAAD溶液；在略高于缔合浓度下，疏水聚合物分子组装缔合，使溶液具有比较合适的黏弹性，弹性减阻发挥主要作用，故在0.3%的浓度下PAADC体系的减阻效果优于PAAD体系。

图6　不同聚合物溶液在光滑管中减阻率的比较

3　结论

1.不同浓度的PAADC溶液和PAAD溶液具有明显剪切变稀特性，且均符合幂律模型。在0.2%、0.3%和0.4%的浓度下，PAADC溶液和PAAD溶液均产生正触变环，相同浓度下PAADC溶液的触变性更强。

2.对于各个浓度下的PAADC溶液和PAAD溶液，其摩擦阻力系数随着广义雷诺数的增大而降低。对于0.1%、 0.2%、 0.3%、 0.4%等4个浓度的PAADC体系，最大减阻率分别为32.29%、62.32%、 69.52%和67.35%，其中0.3%PAADC体系的减阻效果最好。证明PAADC溶液是具有良好的减阻效果。

3. 0.1%和0.4%PAADC溶液的减阻效果低于PAAD溶液，而0.2%和0.3%PAADC溶液的减阻效果优于PAAD溶液。对比PAADC溶液和PAAD溶液的流变性能和减阻性能可知，疏水基团的缔合作用对形成网络结构和抑制湍流具有更强的效果。

参 考 文 献

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收稿日期（2015-12-1；HGF=1505F3；编辑 付玥颖）

作者简介：第一彭飞，1989年生，男，华东理工大学化学工程专业在读硕士研究生，主要从事油田化学品开发及流变学研究工作。E-mail：pengfei0510@126.com。

基金项目：863计划“致密砂岩气藏低伤害压裂液体系研究与应用”（2013AA064801）中致密砂岩气藏新型压裂液体系流变性研究。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.019

中图分类号：TE357.12

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）01-0092-05