陰離子型聚丙烯酰胺減阻性能評價及影響因素研究

摘要：為揭示不同因素對陰離子型聚丙烯酰胺類減阻性能的影響，研究了分子量大小、減阻劑濃度對滑溜水壓裂液減阻性能影響，考察了不同濃度及類型條件下的滑溜水壓裂液的抗溫性能、抗鹽性能。結果表明，在較低加量下，分子量對陰離子型聚丙烯酰胺水溶液減阻性能影響很小；其較佳濃度值的所在區(qū)間為：400-600×10⁶；在清水常溫條件下，減阻率到達72%；溫度對陰離子型聚丙烯酰胺溶液減阻性能影響很大，80℃時，減阻率提高到78%；但其抗鹽能力較差，在清水條件下，加入鈉鹽后，減阻率下降至70%；同樣在清水條件下，隨著鈣鹽的加量增加，減阻率下降至53%。

作為滑溜水體系的核心部分，減阻劑的各性能評價顯得尤為重要。但目前性能良好的減阻劑仍然處于實驗階段，而且測試方法大多采用計算方式進行；而對于現場的實際操作檢測很難真實模擬，從而得到的數據以及結論很可能并不適用于現場的實際應用當中。本文采用閉式循環(huán)減阻系統，通過把減阻劑直接加入清水中，通過前后壓差的對比，真實還原現場條件下的減阻性能變化。除此之外，由于現場滑溜水體系用于不同的地層，其地層中溫度、所含的鹽離子對整個體系的影響也不能忽略。故我們模擬現場條件，進行溫度以及鹽類濃度對陰離子型聚丙烯酰胺水溶液減阻性能評價，進而更好的分析陰離子型聚丙烯酰胺水溶液的適用條件，并在現場中得到廣泛應用。

1、實驗部分

1.1 材料與儀器

800萬、1000萬、1200萬、1600萬、1800萬分子量聚丙烯酰胺（簡稱PAM）；NaCl和CaCl₂，分析純，市售；實驗用水：工業(yè)用水。

高溫高壓流動阻力試驗儀，自制。

1.2 實驗方法

（1）在儲液罐中裝入35L清水，開啟裝置循環(huán)1min，使管路內裝滿清水，并檢查流量計、壓差傳感器是否正常運行，確保數據的準確性和穩(wěn)定性。

（2）循環(huán)清水3min，記錄流量以及當前流量下的壓差w。

（3）加入減阻劑，同時按下軟件的按鈕，記錄每秒鐘的減阻率變化，循環(huán)30min，如需檢測抗溫性能需在溫度達到要求值時，開啟保溫裝置，并繼續(xù)循環(huán)30min，從而記錄當前流量下的不同壓差△w、減阻率。

（4）用清水清洗循環(huán)系統，直到清水的壓差滿足當前流量所對應的壓差為止。

2、結果與討論

2.1 分子量對于陰離子型聚丙烯酰胺減阻性能的影響

流體脈動的較小單元不是單個分子，而是由許多分子組成的大小不同的“流體微團”。分子量較大的高分子抵制徑向脈動的能力較強，因此，高聚物相對分子質量是影響高聚物降阻效果的重要因素。

在0.06%濃度陰離子型聚丙烯酰胺以及常溫以及60℃條件下，分別對分子量為800萬、1000萬、1200萬、1600萬、1800萬的陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能進行對比。減阻率隨時間的變化見圖1。

研究表明在較低加量、常溫條件下，分子量的變化對于其減阻性能的影響很小基本都在69%-72%之間；但由于低分子量陰離子聚丙烯酰胺比高分子陰離子聚丙烯酰胺溶解速度快，故低分子量的減阻性能略好于高分子量的減阻性能。隨著溫度的升高，在60℃條件下，由于五個不同分子量的陰離子型聚丙烯酰胺減阻劑都充分溶解故其溶液的減阻性能在穩(wěn)定后都提升到74%左右。綜上所述，滑溜水體系中減阻劑加量較少、溫度低于60℃的條件下分子量的變化對于其減阻性能的影響不大。

2.2 陰離子型聚丙烯酰胺減阻劑抗溫性能評價

通常來講，高聚物隨著溫度變化會存在一定程度上降解現象，因此結合地層條件考察降阻劑不同溫度下的降阻效果十分必要。在0.06%濃度基礎上，800萬、1200萬、1800萬分子量陰離子型聚丙烯酰胺對25、50、80、85℃進行減阻性能對比。

圖2可知，在0.06%的濃度下，常溫至75℃條件下，隨著溫度的升高，溶液的減阻性能呈現上升狀態(tài)，直至性能平穩(wěn)而升至75℃以后隨著溫度的升高，800萬以及1200萬分子量的陰離子型聚丙烯酰胺溶液的減阻性能呈現略微下降趨勢，升至80℃以后，1800萬分子量的陰離子型聚丙烯酰胺溶液的減阻性能也開始呈下降趨勢，但下降速率較慢。故在0.06%濃度下，不同分子量類型的陰離子型聚丙烯酰胺溶液抗溫性能均較好，且差異性不大超過臨界溫度后，減阻性能略微下降，但整體水平依然超過70%。

2.3 陰離子型聚丙烯酰胺減阻劑抗鹽性能評價

無機鹽尤其是陽離子Na⁺、高價陽離子Ca²⁺等，影響陰離子型聚丙烯酰胺溶液的減阻性能。當地層水礦化度較高時會直接導致溶液減阻率下降。因此對陰離子型聚丙烯酰胺溶液的抗鹽性能進行評價顯得尤為重要。

2.3.1 鈉鹽對于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能影響

在濃度0.06%、1800萬陰離子型聚丙烯酰胺基礎上，對清水、濃度1%、2%Na⁺含量進行比較，研究鈉離子濃度對于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能影響。實驗結果見圖3。

由圖3可知，陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能隨鈉離子的加入而降低。常溫條件下，濃度1%-2%Na⁺含量的減阻性能相比較清水條件下降了3%高溫條件下，雖然Na⁺溶解更充分，但陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能并沒有繼續(xù)下降減阻率保持相比于清水條件下，下降3%。值得注意的是隨著鈉離子含量的增加，陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能也并沒有進一步下降；1%與2%濃度加量對于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能的影響保持一致。故該溶液的抗鈉性能較好。

2.3.2 鈣鹽對于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能影響

在0.6%濃度、1800萬陰離子型聚丙烯酰胺基礎上，對清水、濃度500、1000、1500mL·g^-1Ca²⁺含量進行比較研究Ca²⁺含量對于陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能影響。實驗結果見圖4。

由圖4可知，陰離子型聚丙烯酰胺的減阻性能隨Ca²⁺含量的增加而逐步降低。常溫條件下，500-1500mgL^-1Ca²⁺含量的減阻性能相比較清水條件下降了5%-7%高溫條件下，由于Ca²⁺溶解更充分，陰離子型聚丙烯酰胺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。

3、結論

通過實驗對陰離子型聚丙烯酰胺溶液的減阻性能評價可知，分子量對其減阻性能影響較小；且常溫條件下低分子量溶液減阻性能略好于高分子量溶液升溫后，高分子量溶液減阻性能略好于低分子量溶液滑溜水體系中，僅根據減阻性能來看，較佳添加濃度為400-600×10^-6；在0.02%濃度下，隨著溫度的升高，減阻性能呈現先上升后降低的狀態(tài)；在0.06%濃度下，隨著溫度的升高減阻性能呈現先上升后近乎平穩(wěn)的狀態(tài)；溶液整體抗鈉鹽性能較好，但抗鈣鹽性能較差。所以該類型溶液配制的滑溜水體系，在0.06%濃度下，適用于溫度較高，含鈉鹽較多，但含鈣鹽較少的地層。