表面活性剂浓度对煤岩润湿性影响的实验研究

    王立辉

    

    

    

    摘 ?????要：研究了分子量大小、减阻剂浓度、温度、矿化度以及pH值对非离子聚丙烯酰胺减阻性能的影响。结果表明，在低加量条件下（小于0.1%），不同分子量的非离子聚丙烯酰胺的减阻性能相差不大，非离子聚丙烯酰胺的浓度越大减阻性能越好;有一定的抗温性能，抗温临界点为65 ℃;钙离子对其减阻性能有一定的影响，钙离子越高减阻性能越低，提高减阻剂浓度能提高抗钙能力;碱性环境对非离子聚丙烯酰胺的减阻性能影响很小，几乎没有影响，酸性环境对其减阻性能影响很大，酸性越强，减阻性能越差。

    关 ?键 ?词：非离子聚丙烯酰胺;减阻剂;分子量;浓度;温度

    中图分类号：TQ 016 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）01-0056-04

    Abstract： The effect of molecular weight， drag reducing agent concentration， temperature， salinity and pH value on the drag reducing properties of nonionic polyacrylamide was studied. The results showed that the molecular weight of non-ionic polyacrylamide had little effect on its drag reduction performance at low dosage， and the higher the concentration of non-ionic polyacrylamide， the better the drag reduction performance; it had a certain temperature resistance， the critical temperature resistance point was 65 ℃; calcium ion had a certain effect on its drag reduction performance， the higher the calcium ion concentration， the worse the drag reduction performance. Increasing drag reducing agent concentration could improve the calcium resistance; alkaline environment had little effect on the drag reduction performance of non-ionic polyacrylamide，while acid environment had a great impact on its drag reduction performance， the stronger the acidity， the worse the drag reduction performance.

    Key words： Nonionic polyacrylamide; Drag reducing agent; Molecular weight; Concentration; Temperature

    利用化學添加剂来降低压裂系统的摩阻，在节约能源、投资和加速原油的开发利用方面都具有重要的意义，非离子聚丙烯酰胺减阻剂就是其中较为有效的一种化学添加剂，是降低能耗非常重要的手段。在石油开发的过程中，减阻剂应用于不同的地层，不同的地层环境、不同的施工工艺对其减阻性能产生不同的影响。由于大排量注入，流体的剪切速率很高，高剪切速率下高分子减阻剂会发生剪切降解;当水中含有钙金属离子时，会使减阻剂减阻性能降低;地层水pH值的变化也不同程度影响减阻性能;PAM水溶液在低温下具有非常高的减阻效果，但在高温条件下，高分子减阻剂会存明显降解，从而降低减阻性能;非离子聚丙烯酰胺的浓度不同，减阻性能也会有差异，通过实验研究合适的浓度加量，既能达到减阻效果又能最大程度的降低生产成本。本文采用封闭循环系统，模拟现场地层条件进行实验，来探索非离子聚丙烯酰胺分子量大小、减阻剂浓度、温度、矿化度以及pH值等几种因素对非离子聚丙烯酰胺减阻剂减阻性能的影响，从而分析非离子聚丙烯酰胺减阻剂的适用条件，并更好的在现场应用[1-8]。

    1 ?实验部分

    1.1 ?实验材料及实验仪器

    1.1.1 ?实验材料

    800万非离子聚丙烯酰胺、1 000万非离子聚丙烯酰胺、1 200万量聚丙烯酰胺（郑州智远化工有限公司）;盐酸，36%～38%，市售;CaCl2·6H20，分析纯，市售;NaOH，分析纯，市售;pH试纸;实验用水：工业用水[1]。

    1.1.2 ?实验仪器

    高温高压流动阻力实验仪，自制。

    1.2 ?实验方法

    实验装置的设计简图如图1所示。

    2 ?结果与讨论

    2.1 ?分子量对非离子聚丙烯酰胺减阻性能的影响

    通常高分子聚合物只有当高分子聚合物的分子量超过一定值后才具有减阻作用[2]，这个特定的分子量称为减阻剂作用的起始分子量。为评价非离子聚丙烯酰胺的减阻效果，分子量的大小是评价其减阻性能的主要结构参数之一[2]。

    在常温、浓度加量为0.02%的情况下，对800万、1 000万、1 200万分子量的非离子聚丙烯酰胺的减阻性能进行对比，减阻率的变化如图2。

    实验数据表明，在低加量、常温条件下，溶解前期，分子量小的非离子聚丙烯酰胺减阻率略大，随时间的增加，分子量对减阻率的影响越来越小，最终趋于一致，0.02%浓度的非离子聚丙烯酰胺减阻率趋于60%。高分子溶解后，形成粘稠的溶液，达到减阻的效果。

    从微观角度分析，分子量小的非离子聚丙烯酰胺溶解速度快，故溶解前期，分子量小的非离子聚丙烯酰胺减阻性能略好。随着时间的延长，分子量大的非离子聚丙烯酰胺充分溶液之后，不同分子量的非离子聚丙烯酰胺的减阻性能趋于一致。综上所述，在低加量、常温条件下，分子量的变化对其减阻性能影响不大。

    2.2 ?浓度对非离子聚丙烯酰胺减阻性能的影响

    聚丙烯酰胺减阻剂可以在低加量的条件下达到很强的减阻效果。但加量过低，则达不到预期的减阻效果，加量偏大，就会增加生产成本。研究非离子聚丙烯酰胺的最佳浓度，节约成本的情况下达到预期的减阻效果非常重要。

    在常温、800万分子量的条件下，分别对0.02%、0.04%、0.06%、0.08%浓度的非离子聚丙烯酰胺的减阻性能进行对比。减阻率的变化如图3。

    实验数据表明，在加量为0.02%～0.08%条件下，浓度越大，非离子聚丙烯酰胺的减阻性能越好。800万分子量的非离子聚丙烯酰胺在0.02%、0.04%、0.06%、0.08%四个浓度下的最终减阻率分别为62%、72%、74%、77%。浓度为0.02%时，减阻效果相对较低，浓度为0.04%、0.06%、0.08%时，减阻效果相差不大，减阻率都大于70%。

    从微观角度分析，减阻剂浓度越大，高分子的微观分布状态越好，减阻效率越高，减阻效果也越好。

    2.3 ?温度对减阻率的影响

    不同的油藏环境，其温度差异很大。非离子聚丙烯酰胺溶解后，温度对其溶液的粘度几乎没有影响。但温度升高到一定值时，由于高温使高分子降解，使得溶液粘度急剧降低。故温度对减阻性能的影响也至关重要。

    1200万分子量的非离子聚丙烯酰胺在不断升温的条件下，在不同温度条件下对非离子聚丙烯酰胺的减阻性能进行对比。减阻率的变化如图4。

    实验数据表面，升温过程中，在65 ℃之前，常温减阻率曲线与升温减阻率曲线几乎吻合，温度对非离子聚丙烯酰胺溶液的减阻性能几乎没有影响;温度达到65 ℃时，减阻率为59%，非离子聚丙烯酰胺溶液的减阻性能受到影响，开始缓慢降低;当温度达到75 ℃时，减阻率为50%，非离子聚丙烯酰胺溶液的减阻性能开始剧烈降低;最终，温度达到80 ℃时，在减阻率降低至18%，15 min后，趋于稳定，减阻率为20%。

    从微观角度分析，当温度升高至高分子的高温降解临界点时，高分子开始降解，使得非离子聚丙烯酰胺的减阻性能下降。降解程度越大，减阻率下降越多，减阻性能越差。

    2.4 ?钙离子对减阻率的影响

    不同的油藏环境，其矿化度差异很大。当地层水中钙离子含量较高时，会严重影响非离子聚丙烯酰胺的减阻性能。因此，对抗盐性能的评价显得尤为重要。

    2.5 ?pH对减阻率的影响

    不同的油藏环境，地层水pH值也不尽相同，加之不同的生产工艺（如酸化）也會对地层水的pH值产生很大影响。因此，其抗酸碱性能的评价也很重要。

    将1 200万分子量的非离子聚丙烯酰胺置于pH=10的环境中，用酸逐步中和至中性，再逐渐酸化到pH值为4。在pH不断连续变化的条件下，对非离子聚丙烯酰胺的减阻性能进行对比。减阻率的变化如图7。

    实验数据表明，碱性环境对非离子聚丙烯酰胺溶液的减阻性能影响很小。酸性环境对非离子聚丙烯酰胺溶液的减阻性能影响很大，且酸性越强，非离子聚丙烯酰胺溶液的减阻率降低速度越快。在pH大于7时，减阻率比正常情况略低;pH为6时，减阻率为65%;pH为5时，减阻率为60%;pH为4时，减阻率为49%。

    从微观角度分析，碱性环境中，氢氧根离子几乎不与非离子聚丙烯酰胺高分子发生反应，减阻率与正常情况无异;酸性环境中，氢离子与高分子上的羟基发生反应，影响高分子的微观结构，使其减阻率降低。

    3 ?结 论

    通过实验对非离子聚丙烯酰胺的减阻性能评价可知，在0.02%～0.08%加量条件下，不同分子量的非离子聚丙烯酰胺的减阻性能相差不大，最终减阻率都趋于60;非离子聚丙烯酰胺的浓度越大减阻性能越好，0.06%、0.08%浓度的减阻率最好，分别为72%、74%;非离子聚丙烯酰胺有一定的抗温性能，抗温临界点为65 ℃，温度65 ℃时，减阻性能不受影响，温度大于65 ℃时，温度越高，减阻性能越差;钙离子对其减阻性能有一定的影响，钙离子越高减阻性能越低，提高减阻剂浓度能有效提高抗钙能力，减阻剂浓度越高，抗钙能力越强0.06%、0.08%浓度抗盐新能相近;碱性环境对非离子聚丙烯酰胺的减阻性能影响很小，几乎没有影响，酸性环境对其减阻性能影响很大，酸性越强，减阻性能越差。

    参考文献：

    [1]李洋，文守成，刘文硕.阴离子型聚丙烯酰胺减阻性能评价及影响因素研究[J].化学工程师，2016，30（11）：86-88.

    [2]李江鹏，逯毅，韩磊，张群正.浅谈油品减阻剂的发展现状及趋势[J].广东化工，2014，41（14）：97-98.

    [3]曹彩虹.对聚丙烯酰胺分子量测定方法的探讨[J].当代化工研究，2018（04）：69-70.

    [4]杨博，孙宾宾.聚丙烯酰胺合成研究进展[J].当代化工，2017，46（02）：286-288.

    [6] 王磊，王丹，赖小娟，马少云，蒋纬.一种疏水缔合聚丙烯酰胺作为压裂液减阻剂的性能研究[J].现代化工，2016，36（10）：113-116+118.

    [7]张文龙，伊卓，杜凯，祝纶宇，刘希，林蔚然.水溶性减阻剂在页岩气滑溜水压裂中的应用进展[J].石油化工，2015，44（01）：121-126.

    [8]梁双. 微管中聚丙烯酰胺的减阻特性研究[D].浙江大学，2017.