四元兩性疏水聚合物溶液流變和減阻性能

彭飛， 方波， 盧擁軍， 邱曉慧， 黃彩賀， 劉玉婷（.華東理工大學化工學院，上海0037；.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007）

彭飛等.四元兩性疏水聚合物溶液流變和減阻性能[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：92-96.

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四元兩性疏水聚合物溶液流變和減阻性能

彭飛1， 方波1， 盧擁軍2， 邱曉慧2， 黃彩賀1， 劉玉婷2
（1.華東理工大學化工學院，上海200237；2.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007）

彭飛等.四元兩性疏水聚合物溶液流變和減阻性能[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：92-96.

摘要為豐富和發(fā)展聚合物減阻體系，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銨（CDAAC）為單體合成出一種四元兩性疏水締合聚合物（PAADC），研究了其溶液的流變和減阻性能?？疾炝瞬煌瑵舛仍摼酆衔锶芤旱牧髯兲匦裕懻摿嗽摼酆衔矬w系的摩擦阻力系數和減阻率隨廣義雷諾數的變化關系，并對比了PAADC與AM/AMPS/DMAM形成的三元水溶性聚合物（PAAD）的流變學和減阻效果。結果表明，聚合物體系具有良好的剪切稀釋性，相同濃度PAADC溶液的觸變性明顯大于PAAD溶液；濃度為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%的PAADC體系，最大減阻率分別為32.29%、62.32%、69.52%和67.35%，證明PAADC溶液濃度顯著影響溶液的減阻性能，其中0.3%PAADC體系的減阻效果較優(yōu)。

關鍵詞減阻劑；滑溜水壓裂液；添加劑；四元兩性疏水締合聚合物；流變性

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]首先發(fā)現湍流減阻效應以來，高分子聚合物[2-4]和自組裝表面活性劑[5-6]等減阻體系的研究獲得廣泛關注。疏水締合聚合物的分子鏈中帶有少量疏水基團，當溶液中聚合物濃度達到一定值之后，疏水基團趨向于發(fā)生分子間的疏水締合，在溶液中形成網絡結構，從而提高溶液黏度[7-9]，在油氣田領域具有良好的發(fā)展前景，并且有望作為一種新型滑溜水壓裂液體系[10-12]。研究了一種性能良好的四元兩性疏水締合聚合物（PAADC）溶液的剪切變稀性和觸變性等流變學特性和聚合物溶液的減阻性能，為疏水聚合物的減阻應用提供實驗基礎。

1　實驗部分

1.1 試劑及主要儀器

1）試劑。PAADC，實驗室自制[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銨（CDAAC）為單體，采用自由基溶液聚合法制備，其黏均分子量為445×104，臨界締合濃度C*約為0.25%。三元（AM/AMPS/DMAM）水溶性聚合物PAAD，由中國石油勘探開發(fā)科學研究院和華東理工大學共同研制[14]，由中國石油勘探開發(fā)科學研究院廊坊分院提供。實驗用水均為自來水。

2）儀器。FA2004型電子天平（上海衡平儀器儀表廠）；Physica MCR 10l流變儀（Anton Paar公司），使用錐板測試系統(tǒng)（轉子型號CP25-1-SN10665）。流體阻力研究裝置由料液儲罐、離心泵、渦輪流量計、測試管形成循環(huán)管路系統(tǒng)。測試管段是不銹鋼材質的光滑管，實驗管段長度為2.0 m，管直徑為20.5 mm，采用渦輪流量傳感器測定流體流量，壓差變送器測量壓差。

1.2 PAADC的制備條件

通過考察單體含量及配比、引發(fā)劑含量、反應溫度、反應時間、體系pH值對PAADC性能影響，獲得PAADC的優(yōu)化合成工藝為：反應單體總質量濃度為15%（其中AM、AMPS、DMAM、CDAAC 4種單體的質量比為58.2∶19.4∶19.4∶3.0），pH值為5.0，反應溫度為25 ℃，引發(fā)劑含量為反應單體總質量的0.05%，反應時間為4 h。其中引發(fā)劑為氧化還原復合引發(fā)體系（亞硫酸氫鈉與過硫酸銨的物質的量比為2∶1）。

2　結果與討論

2.1 聚合物溶液流變特性

稱取一定質量的PAADC和PAAD，根據設計的減阻劑濃度加入一定量的自來水，經攪拌并充分溶解后，形成一定濃度的減阻溶液。25 ℃下，在穩(wěn)定剪切模式下，通過研究溶液黏度、剪切應力隨剪切速率的變化關系，研究各體系的剪切變稀性和觸變性。

2.1.1 聚合物溶液黏度隨剪切速率的變化

在25 ℃下，不同質量濃度的PAADC溶液和PAAD溶液的黏度隨剪切速率的變化關系見圖1。不同濃度下的PAADC溶液和PAAD溶液的黏度均隨剪切速率的增大而減小，呈現剪切變稀性。使用冪律模型對不同濃度的PAADC溶液黏度曲線進行擬合，擬合的相關參數見表1。

圖1　不同濃度的PAADC溶液和PAAD溶液黏度隨剪切速率的變化

表1　不同濃度PAADC和PAAD溶液黏度曲線冪律模型參數

由表1中相關系數的平方R2可知，相關性較好，使用冪律模型擬合4個濃度下的PAADC溶液和PAAD溶液的剪切變稀曲線的效果良好。另外，隨著聚合物濃度的增大，K值增大，而n值減小，表明隨著聚合物濃度的增大，溶液的增稠能力變強，而且溶液的非牛頓流體剪切變稀特性更加明顯。

2.1.2 聚合物溶液觸變性

在25 ℃條件下，對比同一濃度下的PAADC溶液和PAAD溶液的觸變性，結果如圖2所示。

圖2　不同濃度下聚合物溶液的觸變性

由圖2可知，濃度為0.1%時，PAADC和PAAD溶液均沒有產生滯后環(huán)，且PAAD體系的上行線和下行線均高于PAADC的上行線和下行線；對于濃度為0.2%、0.3%和0.4%的PAADC和PAAD溶液均產生正觸變環(huán)，且PAADC溶液的正觸變環(huán)應力大于PAAD溶液的正觸變環(huán)應力，表明同一濃度下PAADC溶液的內部結構更強。這是由于與PAAD相比，PAADC分子之間存在較強的疏水作用所致。

2.2 聚合物溶液減阻性能

流變研究表明，PAADC溶液與傳統(tǒng)PAAD溶液均具有明顯的剪切變稀特性，黏度隨剪切速率的變化符合冪律模型η=Kγn-1，其中K為稠度系數，n為流性參數，各擬合參數見表1。PAADC溶液與傳統(tǒng)PAAD溶液減阻性能評價方法和性能參數指標值（廣義雷諾數、直管摩擦阻力系數、減阻率）等的計算均可參考文獻[6]。

2.2.1 PAADC溶液的減阻性能

光滑管中不同濃度PAADC溶液的壓降隨流量的變化關系如圖3所示。由圖3可知對于各個濃度的PAADC溶液以及水，壓降隨著流量的增大而增大，并且在同一流量（大于1 L/s）下，水的壓降大于各個濃度下的PAADC溶液；對于同一流量下的4個濃度的PAADC溶液，壓降從小到大的排序為：0.3% PAADC溶液≤0.2% PAADC溶液＜0.4% PAADC溶液＜0.1% PAADC溶液。

圖3　光滑管中PAADC溶液壓降隨流量的變化關系

光滑管中不同濃度PAADC溶液的摩擦阻力系數f隨廣義雷諾數ReM的變化關系如圖4所示。由圖4可知，對于同一廣義雷諾數下的4個濃度的PAADC溶液以及水，摩擦阻力系數從小到大的排序為：0.3%PAADC溶液＜0.4%PAADC溶液＜0.2%PAADC溶液＜0.1%PAADC溶液＜自來水。這表明各個濃度下的PAADC溶液均具有減阻效果。

光滑管中不同濃度PAADC溶液的減阻率DR隨廣義雷諾數ReM的變化關系如圖5所示。由圖5可知，隨著廣義雷諾數的增加，各個濃度PAADC溶液的減阻率均不斷增大；對于0.1%、0.2%、0.3%、0.4% 等4個濃度的PAADC體系，最大減阻率分別為32.29%、62.32%、69.52%和67.35%，其中濃度為0.3%體系的減阻效果最好；對于同一廣義雷諾數下的4個濃度的PAADC溶液，減阻率由高到低的排序為：0.3%PAADC溶液＞0.4%PAADC溶液＞0.2% PAADC溶液＞0.1%PAADC溶液，PAADC溶液的減阻率隨濃度的變化存在先上升后降低的過程。

圖4　光滑管中不同濃度PAADC溶液的摩擦阻力系數

圖5　光滑管中不同濃度PAADC溶液減阻率隨廣義雷諾數的變化曲線

2.2.2 溶液與PAAD溶液的減阻性能

光滑管中不同濃度的PAADC溶液和PAAD溶液的減阻率隨廣義雷諾數的變化關系見圖6。由圖6可知，各個濃度PAADC溶液以及PAAD溶液的減阻率均隨著廣義雷諾數的增加而不斷增大；對于0.1%、0.2%、0.3%、0.4%等4個濃度的PAAD溶液，最大減阻率分別為63.98%、68.02%、66.22%和73.13%，其中濃度為0.4%的PAAD溶液的減阻效果最好；對0.1%和0.4%的聚合物溶液，PAADC溶液的減阻率小于PAAD溶液的減阻率，對于0.3%的聚合物溶液，PAADC溶液的減阻率大于PAAD溶液的減阻率。因為PAADC的臨界締合濃度C*約為0.25%，當溶液濃度低于C*時，疏水聚合物分子間相互作用使溶液黏度較大，減阻效果低于PAAD體系；而當溶液濃度遠高于C*時，聚合物分子間相互作用太強，雖然溶液的彈性也增大，但由于黏性作用更強，使該濃度溶液的減阻性能低于PAAD溶液；在略高于締合濃度下，疏水聚合物分子組裝締合，使溶液具有比較合適的黏彈性，彈性減阻發(fā)揮主要作用，故在0.3%的濃度下PAADC體系的減阻效果優(yōu)于PAAD體系。

圖6　不同聚合物溶液在光滑管中減阻率的比較

3　結論

1.不同濃度的PAADC溶液和PAAD溶液具有明顯剪切變稀特性，且均符合冪律模型。在0.2%、0.3%和0.4%的濃度下，PAADC溶液和PAAD溶液均產生正觸變環(huán)，相同濃度下PAADC溶液的觸變性更強。

2.對于各個濃度下的PAADC溶液和PAAD溶液，其摩擦阻力系數隨著廣義雷諾數的增大而降低。對于0.1%、 0.2%、 0.3%、 0.4%等4個濃度的PAADC體系，最大減阻率分別為32.29%、62.32%、 69.52%和67.35%，其中0.3%PAADC體系的減阻效果最好。證明PAADC溶液是具有良好的減阻效果。

3. 0.1%和0.4%PAADC溶液的減阻效果低于PAAD溶液，而0.2%和0.3%PAADC溶液的減阻效果優(yōu)于PAAD溶液。對比PAADC溶液和PAAD溶液的流變性能和減阻性能可知，疏水基團的締合作用對形成網絡結構和抑制湍流具有更強的效果。

參 考 文 獻

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收稿日期（2015-12-1；HGF=1505F3；編輯 付玥穎）

作者簡介：第一彭飛，1989年生，男，華東理工大學化學工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事油田化學品開發(fā)及流變學研究工作。E-mail：pengfei0510@126.com。

基金項目：863計劃“致密砂巖氣藏低傷害壓裂液體系研究與應用”（2013AA064801）中致密砂巖氣藏新型壓裂液體系流變性研究。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.019

中圖分類號：TE357.12

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0092-05