高抗盐减阻剂的合成及性能评价

2024-01-16孙建波任凯于朋朋赵桃桃景晓雅

辽宁化工 2023年12期

关键词：低聚物减阻剂氯化钙

孙建波，任凯，于朋朋，赵桃桃，景晓雅

（山东诺尔生物科技有限公司，山东东营 257000）

水包水PAM 是一种新型的聚丙烯酰胺产品形态。阴离子水包水PAM 作为滑溜水减阻剂，具有溶解速度快、能耗低、环保安全、固含量高等特点，特别适用于不具备安装大型溶解装置的施工现场。

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为单体，自制低聚物为分散剂，氧化还原体系为引发剂合成了高抗盐减阻剂。

1 实验部分

1.1 实验试剂

丙烯酰胺、丙烯酸，工业级，山东诺尔生物科技有限公司；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，工业级，山东联盟化工集团有限公司；N-十六烷基丙烯酰胺，工业级，广东翁江化学试剂有限公司；十二烷基硫酸钠，工业级，山东旺通化工有限公司；交联剂，自制；氢氧化钠、无水氯化钙、六水氯化镁、氯化钠、甲酸钠、过硫酸钾、亚硫酸氢钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

标准盐水（8.5 万矿化度）：SY/T 5107—2016中7.7.1 中规定的盐水。

10%氯化钙盐水：在纯水中加入无水氯化钙100.0 g，定容至1 L。

1.2 实验仪器

正球形反应釜（1 000 mL），数显温度计（山东朗斯普电子科技有限公司），搅拌器（RW20,德国IKA 有限公司），BROOKFIELD 黏度计（GX-2005，美国博勒飞公司），激光粒度分布仪（Bettersize2600，丹东百特仪器有限公司），减阻仪（JZL-1，江苏华安科研仪器有限公司），流变仪（HAAKE MARS 40，赛默飞世尔科技有限公司），数显六速旋转黏度计（ZNN-D6S，青岛恒泰达机电设备有限公司），电子分析天平（ME104，广东鼎衡自动化设备有限公司）。

1.3 性能评价方法

1.3.1 减阻率测试

减阻率测试按照NB/T 14003.1—2015 中7.8 的规定执行。

1.3.2 溶解速度及盐水黏度测试

用注射器称取12 g 样品，加入到348 g 盐水（25 ℃）中，以IKA 立式搅拌器，500 r·min-1转速，两页转子搅拌，加样后分别搅拌20 s、40 s、60 s、90 s、120 s、300 s，立即用布氏黏度计（选用62#转子、30 转）测定盐水黏度。

1.3.3 交联悬砂性能测试

用自来水配制2%的聚合物溶液（以IKA 立式搅拌器，500 r·min-1转速，两页转子搅拌，加样后分别搅拌1 min），用六速旋转黏度计测定聚合物溶液的初始黏度，加入0.5%的交联剂搅拌均匀后，用六速旋转黏度计100 转测定聚合物溶液的交联黏度。

悬砂性能：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，搅拌均匀后加入0.5 mL 交联剂，搅拌均匀后，倒入100 mL 量筒观察记录沉砂率（陶粒砂已沉降高度与携砂液总高度的百分比）。

2 高抗盐减阻剂的合成及其结构表征

2.1 高抗盐减阻剂的合成

高抗盐减阻剂的合成包含以下4 个步骤：1）制备低聚物分散剂，在1 000 mL 玻璃杯中加入丙烯酸80 g、AMPS80g 和纯水780 g，充分溶解后，再缓慢加入60 g 氢氧化钠，调整体系pH 至为6.5，吹氮气30 min 后将温度升高至30 ℃后，加入过硫酸铵引发聚合反应，反应完成后得到低聚物分散剂；2）在烧杯中加入AM、AMPS、N-十六烷基丙烯酰胺、硫酸铵、低聚物分散剂、十二烷基硫酸钠和去离子水，充分溶解后，用氢氧化钠调节溶液pH 值，充分混合均匀；3）体系温度调整至25 ℃，通氮气除氧30 min，在200～500 r·min-1的搅拌速度下，加入氧化剂过硫酸铵和还原剂亚硫酸氢钠引发聚合，温度逐渐升高至60 ℃，持续反应4 h 后反应结束；4）反应完成后，在500～1 000 r·min-1的搅拌速度下，加入氯化钠，持续搅拌1 h 后得到乳白色液体为高抗盐减阻剂，其反应式如式（1）所示：

2.2 高抗盐减阻剂粒径分析

用丹东百特仪器有限公司Bettersize2600 激光粒度分布仪测定高抗盐减阻剂颗粒的平均粒径及其分布，分散相选用38%的硫酸铵水溶液，高抗盐减阻剂粒径分析数据如图1 所示。

图1 高抗盐减阻剂粒径分布曲线

由粒径分析曲线可以看出，高抗盐减阻剂的粒径曲线中只有1 个峰值，粒径区间为2～80 μm，粒径中值为10 μm，20 μm 以下占78.15%，45 μm 以下粒径占95.33%，说明高抗盐减阻剂的粒径分布较窄，粒径分布较均匀。

3 高抗盐减阻剂性能评价

3.1 抗盐性能评价

分别用纯水、标准盐水以及10%氯化钙盐水测定其溶解速度，实验数据如表1 所示。

表1 高抗盐减阻剂减阻剂溶解速度数据表

由溶解速度实验数据可以看出，在纯水、标准盐水以及10%氯化钙盐水中滑溜水减阻剂溶解速度都非常快，聚合物在20 s 以内就能溶解，表现出较高的黏度，在标准盐水和10%氯化钙盐水中的黏度比在纯水中的黏度高，这是因为在不破坏水包水盐析平衡的条件下，在体系中引入了抗盐单体，且在体系中引入较多的表面活性剂，促使聚合物在极短时间内就能充分溶解。

3.2 减阻性能评价

按照1.3.1 中规定的测试方法对高抗盐减阻剂的减阻率进行测定，分别测定聚合物浓度为0.5‰和1‰条件下，在标准盐水和10%氯化钙盐中的减阻率，实其结果如图2 所示。

图2 抗盐减阻剂减阻率曲线

由减阻率曲线可以看出，在0.5‰和1‰浓度条件下，用自来水、标准盐水和10%氯化钙盐水测试，高抗盐减阻剂均具有非常好的减阻效果，在加入试剂20～30 s 时，减阻剂就可以达到最大减阻率，达到的最大减阻率基本一致，减阻率最高可达到76%。

合成的高抗盐减阻剂在水中能够快速水化分散，20 s 即可具有非常好好的减阻效果，在高矿化度、低浓度条件下仍具有极高的减阻效果，可实现在线连续混配，更有利于“井工厂”大型压裂施工。

3.3 携砂性能评价

按照1.3.3 中规定的测试方法对高抗盐减阻剂的携砂性能进行测定，用自来水配制2%的聚合物溶液，测试溶液的交联、悬砂性能，并用HAAKE MARS 40 流变仪测试交联后胶液的流变性能，交联黏度数据如表2 所示，悬砂性能如表3 所示，流变性能如图3 所示。

表2 压裂用增稠剂交联性能数据

表3 高抗盐减阻剂携砂数据表

图3 高抗盐减阻剂流变曲线

由实验数据可以看出，高抗盐减阻剂跟交联剂具有较好的配伍性，加入交联剂后即可交联，交联黏度大，交联后不可挑挂、流动性好，流动阻力较小，胶液在80 ℃、170 s-1条件下剪切1 h 后仍具有较高的聚合物黏度，可达到现场施工要求；聚合物溶液交联后具有非常好的悬砂性能，24 h 的沉降率低于1%。本文合成的高抗盐减阻剂可形成可逆的空间网状结构，表现出良好的黏弹性以及抗盐抗剪切性，本文中通过功能单体与表面活性剂的共同作用，调整聚合物分子链中功能单体的嵌入状态，使聚合物能在几分钟内迅速溶解，可实现在线连续混配。