过硫酸钠复合解堵剂降解聚丙烯酰胺的研究

翟朋达，吴海霞，张志光，王奎涛

(河北科技大学 化学与制药工程学院，河北 石家庄 050018)

石油开采分为三个阶段：一次采油、二次采油和三次采油。第三次采油主要是加入高聚物等高分子化学物质改善油层性能，使油井的能量得到提高，从而使油井采出量增加[1-2]。但是加入这些高分子化学物质会堵塞油井，特别是长期开采的油田，由于压裂液残留在地层产生堵塞导致油井产量、水井注水量下降[3-5]。目前主要的解堵技术有酸化解堵、生物解堵、机械解堵等，这些技术都存在一定的弊端[6-9]。二氧化氯复合解堵技术是将二氧化氯同其他药剂复配，通过二氧化氯的氧化性和协同作用降解有机高分子堵塞物，但是成本过高，不能实现大规模的应用[10-11]。

过硫酸钠是一种强氧化剂，其具有较强的氧化性，可以氧化降解油田压裂液中的各类高分子聚合物(如聚丙烯酰胺等)，使其粘度下降，易于排出[12-13]。本实验以聚丙烯酰胺为模拟堵塞物，以过硫酸钠为主要解堵剂成份，利用地层原有的热量辅以硫酸亚铁对过硫酸钠进行活化，同时加入渗透剂JFC考察降解效果[14-16]。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

过硫酸钠、过硫酸钾、七水合硫酸亚铁、水溶性聚丙烯酰胺均为分析纯。

NDJ-1型旋转粘度计;HH-8恒温水浴锅;DT-00型电子天平。

1.2 实验方法

大部分油井温度在50～80 ℃，本实验反应温度设为60 ℃。本课题根据实际要求研究120 min内的降解效果。

1.2.1 配制聚丙烯酰胺溶液 取0.5 g水溶性聚丙烯酰胺(HPAM)溶于480 mL蒸馏水中，80 r/min匀速搅拌1 h，静置24 h，将其放入水浴锅中加热至60 ℃，用六速旋转粘度仪测定初始粘度，记为μ1。

1.2.2 配制解堵液 按一定比例称取一定量的过硫酸钠、硫酸亚铁、渗透剂JFC，混合均匀，加入盛有20 mL蒸馏水的烧杯中，搅拌使其充分溶解，配制成复合解堵剂。

1.2.3 解堵 将20 mL解堵液加入480 mL聚丙烯酰胺水溶液中。使用粘度计在6 r/min下，每隔10 min测量一次混合溶液的粘度，记为μn。按下式计算HPAM降粘率。

式中Rn——HPAM降粘率，%；

μ1——HPAM初始粘度，mPa·s；

μn——HPAM降粘后的粘度，mPa·s。

2 结果与讨论

2.1 过硫酸钠浓度对聚丙烯酰胺降解率的影响

将不同质量的过硫酸钠分别溶于20 mL水中，分别加入聚丙烯酰胺溶液中，每隔10 min测一次粘度，结果见图1。

图1 过硫酸钠浓度对聚丙烯酰胺降解率的影响

由图1可知，在60 ℃下，加入的过硫酸钠越多聚丙烯酰胺降解越快,降解率越高。120 min内，过硫酸钠质量为0.01 g时基本消耗完；过硫酸钠质量为0.02 g和0.03 g时，因为活化慢等原因没有消耗完；当过硫酸钠质量为0.04 g和0.05g时，在100 min时降解率不再变化，由于过硫酸钠不能跟聚丙烯酰胺发生有效碰撞，反应基本结束。综上，本实验选取过硫酸钠质量为0.03 g。

2.2 硫酸亚铁浓度对降解聚丙烯酰胺的影响

分别称取一定量的七水合硫酸亚铁同质量为0.03 g的过硫酸钠进行复配，溶于20 mL蒸馏水中，待完全溶解后，加入聚丙烯酰胺溶液中，每隔10 min测一次粘度,结果见图2。

图2 硫酸亚铁浓度对聚丙烯酰胺降解率的影响

由图2可知，加入硫酸亚铁后，聚丙烯酰胺的降解速率和降解率均提高，且随着硫酸亚铁加入量增多降解速率增快，说明硫酸亚铁对过硫酸钠有一定的活化作用。当硫酸亚铁加入量为0.02,0.03 g时，降解率最高值相同，但是0.03 g时反应速率更快。

2.3 渗透剂JFC浓度对降解聚丙烯酰胺的影响

分别称取一定质量的JFC(0.001 g)同0.03 g的过硫酸钠进行复配，溶于20 mL蒸馏水中，待完全溶解后，加入聚丙烯酰胺溶液中，每隔10 min测一次粘度，结果见图3。

图3 渗透剂对聚丙烯酰胺降解率的影响

由图3可知，加入渗透剂JFC后，降解速度和降解率均有所提高，原因是渗透剂可以携带过硫酸钠进入聚合物，使氧化物同聚合物更好的接触碰撞，从而提高降解速度和降解率。

2.4 正交实验

根据单因素实验结果，采用正交实验优化过硫酸钠、硫酸亚铁和JFC加入量，因素与水平见表1，实验结果见表2。

表1 因素水平表

表2 正交实验结果

由表2可知，影响实验效果的主次因素为A>B>C，影响实验效果的主要因素为过硫酸钠含量。最佳理论水平组合为A3B3C3，A3B3C2和A3B3C3降解率基本相同，考虑到成本因素，选择最优组合为A3B3C2即过硫酸钠含量35 mg，亚硫酸铁含量25 mg，JFC含量2.0 mg。

因为过氧化物对金属管道氧化腐蚀作用，后期还要配合缓蚀剂使用。

2.5 降解机理

氧化过程首先使聚丙烯酰胺主链断裂，后经α-裂解或β-裂解使单体主链断裂，同时伴随脱酰胺或脱羧反应，生成各种氧化降解碎片，最后使碎片中C—C、C—H、C—N键断裂。

S2O82-+Fe2+→Fe3++·SO4-+SO42-

·SO4-+H2O→HSO4++·OH

·SO4-+OH-→SO42-+·OH

3 结论

(1)对含0.5 g HPAM的480 mL溶液，聚丙烯酰胺降解解堵剂的最优组合为：过硫酸钠含量35 mg，亚硫酸铁含量25 mg，JFC含量2.0 mg。

(2)过硫酸盐在常温条件下对有机物有一定的氧化效果，在通过加热、光照、过渡金属离子(如二价铁)等外界条件的激发下，会分解产生硫酸根自由基，碱性环境中生成羟基自由基，硫酸根自由基和羟基自由基具有强氧化性，利用其氧化性不但可以解除粘土矿物、重烃类、碳酸盐的堵塞，使孔道空间扩大，而且还可以有效地解除菌类、高分子聚合物等多种污染堵塞，使液流通道得到疏通，达到解堵增注的目的。