離子型聚丙烯酰胺減阻性能研究

王雨薇，梅舜豪，焦凱，文守成

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離子型聚丙烯酰胺減阻性能研究

王雨薇，梅舜豪，焦凱，文守成

（長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院， 湖北 武漢 430100）

聚丙烯酰胺類減阻劑具有成本較低，減阻效果好，溶解速度快，能夠適用于現(xiàn)場(chǎng)施工混配要求的特點(diǎn)，因此成為目前壓裂液減阻劑的研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。本文從抗溫抗鹽性測(cè)試了離子型聚丙烯酰胺減阻性能。結(jié)果表明：溫度對(duì)陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺溶液減阻性能影響很大，60 ℃條件下減阻率下降至53%；陰離子型聚丙烯酰胺溶液抗鹽能力較差，加入鈉鹽后，減阻率下降至70%；隨著鈣鹽的加量增加，減阻率下降至53%。

陰離子聚丙烯酰胺；陽(yáng)離子聚丙烯酰胺；抗溫性；抗鹽性；減阻率

聚丙烯酰胺類減阻劑成本較低、溶解速度快、減阻效果好且可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工混配的要求，屬于壓裂液減阻劑研究、應(yīng)用方向的重點(diǎn)。目前測(cè)試方法多為計(jì)算法，且性能良好的減阻劑仍處實(shí)驗(yàn)階段；通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)及結(jié)論很可能并不適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用[1]。

實(shí)驗(yàn)中采用將減阻劑直接加入清水，還原現(xiàn)實(shí)井場(chǎng)環(huán)境減阻性能變化過(guò)程的閉式循環(huán)減阻系統(tǒng)（對(duì)比前后壓差）。地層溫度與所含的鹽離子的影響是實(shí)際應(yīng)用不可忽略的兩個(gè)關(guān)鍵因素，故在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中進(jìn)行溫度、Na鹽、Ca鹽對(duì)陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺水溶液減阻性能評(píng)價(jià)，以分析陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺水溶液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中作為減阻劑所存在的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

800萬(wàn)、1 200萬(wàn)分子量聚丙烯酰胺（PAM）；使用水：工業(yè)水；市售純NaCl和純CaCl2。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）在儲(chǔ)液罐中裝入35 L清水，開啟裝置循環(huán)1 min，將管理內(nèi)全替換為清水，同時(shí)確認(rèn)壓差傳感器的正常運(yùn)行，完成流量計(jì)的檢查工作，并確保獲得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

（2）使用清水循環(huán)3 min時(shí)間，同時(shí)記錄流量變化及當(dāng)前流量下的壓差的變化。

（3）加入減阻劑，并開啟實(shí)驗(yàn)儀器，開始試驗(yàn)，以秒為單位記錄減阻率變化，循環(huán)時(shí)間30 min。

（4）保溫裝置可根據(jù)實(shí)際需要，在溫度達(dá)到要求值時(shí)開啟，開啟后循環(huán)30 min左右，通過(guò)記錄當(dāng)前流量下的不同壓差、減阻率的變化情況來(lái)檢測(cè)溶液的抗溫性能。

（5）清水循環(huán)，在測(cè)試到的壓差滿足當(dāng)前流量所對(duì)應(yīng)壓差后將實(shí)驗(yàn)停止。

2 結(jié)果與討論

2.1 陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺減阻劑抗溫性評(píng)價(jià)

在溫度變化的過(guò)程中，高聚物存在一定降解，所以考察降阻劑不同溫度下降阻的效果，必須與地層條件相互結(jié)合[2]。0.06%濃度下，將1 200萬(wàn)分子量陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺在常溫以及60 ℃條件下的減阻性能進(jìn)行對(duì)比。

圖1 溫度對(duì)1 200萬(wàn)分子量陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺的減阻性能影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中前期保持實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，一段時(shí)間后將溫度迅速提升至60 ℃。由圖1可知，在0.06%的濃度下，常溫至60 ℃條件下，隨著溫度的升高，PAM陰溶液的減阻性能呈現(xiàn)上升狀態(tài)，直至性能平穩(wěn)；60 ℃條件下，PAM陽(yáng)溶液減阻性能有明顯下降的趨勢(shì)，至53%?？梢?jiàn)在抗溫性能上，PAM陽(yáng)溶液減阻性明顯弱，現(xiàn)場(chǎng)條件下適應(yīng)性差。

2.2 陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺減阻劑抗鹽性能評(píng)價(jià)

高聚物的耐鹽性是高聚物的一種重要性能[3]，在地層礦化度條件下，一些高聚物黏度會(huì)有所降低。無(wú)機(jī)鹽、尤其是陽(yáng)離子Ca2+、陽(yáng)離子Na+等，會(huì)影響陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺減阻劑的溶解及性能[4]。

2.2.1 鈉鹽對(duì)于陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺的減阻性影響

0.06%濃度的800萬(wàn)陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺，對(duì)清水、1%濃度以及2%濃度鈉離子含量溶液比較實(shí)驗(yàn)，研究鈉離子濃度對(duì)減阻性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 鈉離子含量對(duì)陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺減阻性能的影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中前期保持實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，一段時(shí)間后將溫度迅速提升至60 ℃。如上圖，鈉離子加入使PAM陰減阻性能降低。常溫時(shí)加入了1%~2%鈉離子濃度溶液的減阻性比較清水條件下降3%；60 ℃條件下，鈉離子溶解更充分，但PAM陰由于降解影響，其減阻性能仍有一定下降：相比于清水下降了3%。然而鈉離子含量的繼續(xù)增加并未進(jìn)一步降低PAM陰的減阻性；1%、2%濃度溶液對(duì)于PAM陰的減阻性能的影響差別不大。鈉離子對(duì)PAM陽(yáng)減阻性能的影響與PAM陰類似，認(rèn)為抗鈉性能良好。

2.3.2 鈣鹽對(duì)于陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺的減阻性影響

0.06%濃度、800萬(wàn)陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺基礎(chǔ)上，比較清水、500、1 000、1 500 mg/L濃度鈣離子含量條件下的減阻性，研究鈣離子含量對(duì)于陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺的減阻性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中前期保持實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，一段時(shí)間后將溫度迅速提升至60 ℃。從圖可以看出，PAM陰的減阻性能隨鈣離子含量增加而降低。常溫條件下，500~1 500 mg/L濃度鈣離子含量的減阻性能相比較清水條件下降了5%~7%；60 ℃條件下，鈣離子溶解更充分，PAM陰的減阻性能下降也更為明顯，減阻率分別下降至60%、57%、54%。故該溶液的抗鈣性能較差。而PAM陽(yáng)在常溫下抗鈣性能好，清水條件下的減阻率與500~1 500 mg/L濃度鈣離子含量下減阻率無(wú)明顯區(qū)別，但在溫度上升至60 ℃后，減阻率有一定下降，500~1 500 mg/L濃度鈣離子條件下的減阻率分別下降至71%、65%、63%?？梢?jiàn)，PAM陽(yáng)在常溫以及60 ℃條件下，抗鈣性能略強(qiáng)于PAM陰。

圖3 鈣離子含量對(duì)陰、陽(yáng)聚丙烯酰胺減阻性能的影響

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)可知，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，PAM陽(yáng)雖然抗鹽能力略強(qiáng)于PAM陰，但受溫度影響明顯，不適于現(xiàn)場(chǎng)施工條件。而PAM陰在常溫以及高溫條件下（60 ℃）穩(wěn)定性好，適用于現(xiàn)場(chǎng)施工，缺點(diǎn)是抗鈣離子能力較弱，所以在0.06%濃度下該類型溶液配制的滑溜水體系適用于溫度較高，含鈉鹽較多，但含鈣鹽較少的地層。

［1］張亞?wèn)|, 蘇雪霞, 孫舉, 等. 國(guó)內(nèi)壓裂用減阻劑的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J]. 精細(xì)石油化工進(jìn)展, 2016 (4): 8-11.

［2］董雯. 新型耐溫抗鹽聚合物增黏劑的合成及性能評(píng)價(jià)[J]. 西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2014, 29 (5): 75-79.

［3］李洋, 文守成, 劉文碩. 陰離子型聚丙烯酰胺減阻性能評(píng)價(jià)及影響因素研究[J]. 化學(xué)工程師, 2016, 30 (11): 86-88.

［4］劉洪濤, 解勇珍, 許連潔, 等. 滑溜水壓裂液降阻劑的研制與應(yīng)用[J]. 石油地質(zhì)與工程, 2014 (5): 126-129.

Study on Drag Reduction Performance of Ionic Polyacrylamide

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（Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China）

The polyacrylamide drag reducing agent has the characteristics of low cost, good drag reducing effect, fast dissolving speed and suitability for the field mixing requirements. Therefore, it has become the focus and hotspot in the research and application of drag reducing agents. In this paper,Drag Reduction Performance of Ionic Polyacrylamide was investigated from the aspects of temperature resistance and salt resistance. The results showed that the temperature had a great influence on the drag reduction performance of the cationic polyacrylamide solution, and the drag reduction rate was reduced to 53% at 60 ℃. The anionic polypropylene amide solution hadpoor salt resistance. After adding sodium salt, the drag reduction rate dropped to 70%. With the increase of calcium salt amount, the drag reduction rate dropped to 53%.

anionic polyacrylamide; cationic polyacrylamide; temperature resistance; salt resistance; drag reduction rate

2017-09-14

王雨薇（1990-），女，碩士研究生在讀，湖北省潛江人，從事水力壓裂等相關(guān)研究。

文守成（1972-），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事鉆井液及壓裂液等相關(guān)研究。

TE 357.12

A

1004-0935（2017）12-1166-03