页岩气压裂用抗盐速溶滑溜水降阻剂的制备及性能评价

王海波

摘 要：在页岩气开采过程中，需要对储层进行压裂体积改造，使其产生裂缝导流，从而提高产采收率，滑溜水压裂技术逐渐成为国内外页岩气开采主要增产技术。本文以丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵为共聚单体，偶氮二异丁脒盐酸盐为引发剂，自制聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为分散剂，采用分散聚合法制备了阳离子型聚丙烯酰胺水包水乳液降阻剂，考察了适宜的聚合条件，并利用FTIR、激光粒度仪、Waring混调器、黏度保留率和摩阻测试系统对聚合物分子结构、乳液性状和性能进行测试、评价。

关键词：页岩气;压裂;降阻剂;分散聚合;抗盐

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

①AM：工业级，天津百世化工公司;②DADMAC：工业级，上海德茂化工有限公司;③V-50：分析纯，上海沪宇生物科技有限公司;④P-DMC：自制，分子量2.3× 105。

1.2 聚合物制备

在三口烧瓶中加入适宜浓度的分散介质与分散剂P-DMC，搅拌待完全溶解，后依次加入单体AM、DADMAC，搅拌均匀后置于液氮中进行冷冻抽真空，然后充入氮气至常压，重复三次。然后将体系置于水浴锅中缓慢升温，同时加装冷凝管进行冷凝，待升温至反应温度后，加入引发剂V-50开始反应。一定时间后反应结束，体系呈乳白色液体状，停止加热并继续搅拌待温度降至室温。取聚合物乳液加入丙酮破乳，并用无水乙醇洗涤3次，提纯、干燥得到白色聚合物固体粉末，装袋密封备用。

1.3 抗盐性能评价

分别用不同矿化度盐水和清水配制0.2%（w）聚合物溶液，测试黏度，盐水聚合物溶液与清水聚合物溶液的黏度比值即为黏度保留率，以此评价聚合物抗盐性能[1]。盐水的矿化度分别为5g、10g、15g、20g和30g/L。

1.4 降阻性能评价

采用密闭循环管路摩阻测试系统测试评价降阻剂降阻性能。对比清水流动摩阻与0.2%（w）聚合物流体的流动摩阻，由管路压降代入式（1）计算降阻率（DR）：

DR=（ΔpH2O-Δp）/ΔpH2O×100%       （1）

式中，ΔpH2O为清水在测试系统中的压降，MPa;Δp为聚合物流体在测试系统中的压降，MPa[1]。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验结果

2.1.1 单体配比对聚合物性能的影响

单体配比直接影响聚合物的抗盐性能，在n（AM）﹕n（DADMAC）由4：1增长到8：1的过程中，聚合物抗盐性能呈逐渐降低趋势，黏度保持率由78.01%降低至55.16%，而相对分子质量由6.39×105增加到1.01×106。这是因为DADMAC加量的增加使共聚物分子链上通过接枝形成的具有抗盐性能的季铵盐基团数目增加，抑制分子在高矿化度环境中发生水解和分子链蜷曲的能力增强，同时分子链上形成更多大侧基，使流体力学体积增大，宏观表现为抗盐性能增强;而由于在共聚反应中DADMAC的竞聚率较低，其加量的提高必然导致聚合度的降低，因此分子量也降低[2]。

2.1.2 分散介质浓度对聚合物性能的影响

固定单体配比n（AM）：n（DADMAC）=6：1，单体加量为体系总质量的40%，分散剂加量为单体总质量的6%，引发剂加量为单体总质量的0.2%，反应温度60℃，考察不同分散介质浓度对乳液表观黏度、相对分子量、抗盐性能和稳定性的影响。当分散介质中乙醇占比不断增大时，聚合物乳液的表观黏度先持续降低后略有升高，抗盐性能和相对分子量呈持续微弱降低趋势，这是因为乙醇是聚合产物的不良溶剂，当分散介质中乙醇量较低时聚合产物的醇析效应较弱，分子析出的临界链长较长，相应地分子量也较大，分子链较为舒展，宏观表现为表观黏度较大;随着乙醇含量增加，聚合物醇析效应增强，分子析出的临界链长变短，分子量降低，分子链更加收缩，因此表观黏度降低。

2.1.3 分散剂加量对聚合物性能的影响

随着分散剂加量的提高，乳液表观黏度随之增大，是因为分散剂也是一种水溶性高聚物，其加量提高必然导致体系黏度增大，体系黏度适度增加可强化聚合过程凝胶效应，有利于分子量的提高，而黏度过高则会限制单体自由基的移动，无法生成高分子量聚合物。此外，分散剂附着于聚合物颗粒上，其空间位阻和静电排斥同时作用防止粒子发生聚并，保持体系稳定。分散剂加量过低则隔离作用较弱，体系易破乳形成胶块;加量过多则会导致体系黏度过高而对聚合物性能和乳液性状都产生不利影响。因此确定分散剂加量较佳条件为8%。

2.2 乳液形貌及粒径分析

将乳液用50%的乙醇水溶液稀释后用显微镜进行形貌分析，放大倍数为200倍，分析结果见图1。由图中可以看出聚合物粒子基本呈球状，分散较均匀，粒径较均一;采用激光粒度仪分析粒子粒径及粒径分布，结果显示粒子有效当量直径为216.8nm，粒径分布为0.052，粒径分布较窄[3]。

2.3 聚合物速溶性能

用Waring混调器在转速2500r/min条件下用清水配制质量分数0.5%（按有效固含量计）的聚合物溶液，该体系在不同溶解时间下的表观黏度见表1。由表中可看出聚合物乳液速溶性能极佳，可在10min内完全溶解。

2.4 聚合物降阻性能

摩阻测试管路为管长2.0m、管径20.5mm的光滑不锈钢管，分别用涡轮流量传感器、压差传感器测定流体流量、压差。分别测试清水和质量分数0.05%、0.1%和0.2%（按有效固含量计）聚合物溶液流体在不同流量下的压差（见图2），计算降阻率。由图2看出，聚合物流体相比于清水流体降阻效果明显，降阻率随聚合物质量分数增加呈现先增大后逐渐稳定的趋势，且增大流量有利于提高降阻率。当流量为2.8L/s时清水压差为52.1kPa，质量分数0.2%的聚合物溶液压差为17.5kPa，降阻率达到66.4%[4]。

3 结束语

综上所述，聚合物乳液具有优良的抗盐性能和极佳的速溶效果，在矿化度30000mg/L的模拟水中黏度保持率可达78.6%;质量分数0.5%（按有效固含量计）的聚合物乳液可在10min内完全溶解。聚合物乳液的降阻效果明显，质量分数0.2%（按有效固含量計）的聚合物流体在流量2.8L/s条件下降阻率最高可达66.4%，可有效降低流动摩阻。

参考文献：

[1]李旭晖，郭丽梅，管保山等.一种抗盐型丙烯酰胺共聚物的合成与评价[J].石油化工，2017，46（10）：1313-1318.

[2]孟磊，周福建，刘晓瑞等.滑溜水用减阻剂室内性能测试与现场摩阻预测[J].钻井液与完井液，2017，34（3）：105-110.

[3]陈馥，何雪梅，卜涛等.耐盐减阻剂的制备及性能评价[J].精细石油化工，2018，35（1）：51-55.

[4]车玉菊.耐温抗盐型丙烯酰胺共聚物的合成及性质研究[D].济南：山东大学，2010.