阴离子型聚丙烯酰胺减阻性能评价及影响因素研究

摘要：为揭示不同因素对阴离子型聚丙烯酰胺类减阻性能的影响，研究了分子量大小、减阻剂浓度对滑溜水压裂液减阻性能影响，考察了不同浓度及类型条件下的滑溜水压裂液的抗温性能、抗盐性能。结果表明，在较低加量下，分子量对阴离子型聚丙烯酰胺水溶液减阻性能影响很小；其较佳浓度值的所在区间为：400-600×10⁶；在清水常温条件下，减阻率到达72%；温度对阴离子型聚丙烯酰胺溶液减阻性能影响很大，80℃时，减阻率提高到78%；但其抗盐能力较差，在清水条件下，加入钠盐后，减阻率下降至70%；同样在清水条件下，随着钙盐的加量增加，减阻率下降至53%。

作为滑溜水体系的核心部分，减阻剂的各性能评价显得尤为重要。但目前性能良好的减阻剂仍然处于实验阶段，而且测试方法大多采用计算方式进行；而对于现场的实际操作检测很难真实模拟，从而得到的数据以及结论很可能并不适用于现场的实际应用当中。本文采用闭式循环减阻系统，通过把减阻剂直接加入清水中，通过前后压差的对比，真实还原现场条件下的减阻性能变化。除此之外，由于现场滑溜水体系用于不同的地层，其地层中温度、所含的盐离子对整个体系的影响也不能忽略。故我们模拟现场条件，进行温度以及盐类浓度对阴离子型聚丙烯酰胺水溶液减阻性能评价，进而更好的分析阴离子型聚丙烯酰胺水溶液的适用条件，并在现场中得到广泛应用。

1、实验部分

1.1 材料与仪器

800万、1000万、1200万、1600万、1800万分子量聚丙烯酰胺（简称PAM）；NaCl和CaCl₂，分析纯，市售；实验用水：工业用水。

高温高压流动阻力试验仪，自制。

1.2 实验方法

（1）在储液罐中装入35L清水，开启装置循环1min，使管路内装满清水，并检查流量计、压差传感器是否正常运行，确保数据的准确性和稳定性。

（2）循环清水3min，记录流量以及当前流量下的压差w。

（3）加入减阻剂，同时按下软件的按钮，记录每秒钟的减阻率变化，循环30min，如需检测抗温性能需在温度达到要求值时，开启保温装置，并继续循环30min，从而记录当前流量下的不同压差△w、减阻率。

（4）用清水清洗循环系统，直到清水的压差满足当前流量所对应的压差为止。

2、结果与讨论

2.1 分子量对于阴离子型聚丙烯酰胺减阻性能的影响

流体脉动的较小单元不是单个分子，而是由许多分子组成的大小不同的“流体微团”。分子量较大的高分子抵制径向脉动的能力较强，因此，高聚物相对分子质量是影响高聚物降阻效果的重要因素。

在0.06%浓度阴离子型聚丙烯酰胺以及常温以及60℃条件下，分别对分子量为800万、1000万、1200万、1600万、1800万的阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能进行对比。减阻率随时间的变化见图1。

研究表明在较低加量、常温条件下，分子量的变化对于其减阻性能的影响很小基本都在69%-72%之间；但由于低分子量阴离子聚丙烯酰胺比高分子阴离子聚丙烯酰胺溶解速度快，故低分子量的减阻性能略好于高分子量的减阻性能。随着温度的升高，在60℃条件下，由于五个不同分子量的阴离子型聚丙烯酰胺减阻剂都充分溶解故其溶液的减阻性能在稳定后都提升到74%左右。综上所述，滑溜水体系中减阻剂加量较少、温度低于60℃的条件下分子量的变化对于其减阻性能的影响不大。

2.2 阴离子型聚丙烯酰胺减阻剂抗温性能评价

通常来讲，高聚物随着温度变化会存在一定程度上降解现象，因此结合地层条件考察降阻剂不同温度下的降阻效果十分必要。在0.06%浓度基础上，800万、1200万、1800万分子量阴离子型聚丙烯酰胺对25、50、80、85℃进行减阻性能对比。

图2可知，在0.06%的浓度下，常温至75℃条件下，随着温度的升高，溶液的减阻性能呈现上升状态，直至性能平稳而升至75℃以后随着温度的升高，800万以及1200万分子量的阴离子型聚丙烯酰胺溶液的减阻性能呈现略微下降趋势，升至80℃以后，1800万分子量的阴离子型聚丙烯酰胺溶液的减阻性能也开始呈下降趋势，但下降速率较慢。故在0.06%浓度下，不同分子量类型的阴离子型聚丙烯酰胺溶液抗温性能均较好，且差异性不大超过临界温度后，减阻性能略微下降，但整体水平依然超过70%。

2.3 阴离子型聚丙烯酰胺减阻剂抗盐性能评价

无机盐尤其是阳离子Na⁺、高价阳离子Ca²⁺等，影响阴离子型聚丙烯酰胺溶液的减阻性能。当地层水矿化度较高时会直接导致溶液减阻率下降。因此对阴离子型聚丙烯酰胺溶液的抗盐性能进行评价显得尤为重要。

2.3.1 钠盐对于阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能影响

在浓度0.06%、1800万阴离子型聚丙烯酰胺基础上，对清水、浓度1%、2%Na⁺含量进行比较，研究钠离子浓度对于阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能影响。实验结果见图3。

由图3可知，阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能随钠离子的加入而降低。常温条件下，浓度1%-2%Na⁺含量的减阻性能相比较清水条件下降了3%高温条件下，虽然Na⁺溶解更充分，但阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能并没有继续下降减阻率保持相比于清水条件下，下降3%。值得注意的是随着钠离子含量的增加，阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能也并没有进一步下降；1%与2%浓度加量对于阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能的影响保持一致。故该溶液的抗钠性能较好。

2.3.2 钙盐对于阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能影响

在0.6%浓度、1800万阴离子型聚丙烯酰胺基础上，对清水、浓度500、1000、1500mL·g^-1Ca²⁺含量进行比较研究Ca²⁺含量对于阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能影响。实验结果见图4。

由图4可知，阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能随Ca²⁺含量的增加而逐步降低。常温条件下，500-1500mgL^-1Ca²⁺含量的减阻性能相比较清水条件下降了5%-7%高温条件下，由于Ca²⁺溶解更充分，阴离子型聚丙烯酰胺的减阻性能下降也更为明显，减阻率分别下降至60%、57%、54%。故该溶液的抗钙性能较差。

3、结论

通过实验对阴离子型聚丙烯酰胺溶液的减阻性能评价可知，分子量对其减阻性能影响较小；且常温条件下低分子量溶液减阻性能略好于高分子量溶液升温后，高分子量溶液减阻性能略好于低分子量溶液滑溜水体系中，仅根据减阻性能来看，较佳添加浓度为400-600×10^-6；在0.02%浓度下，随着温度的升高，减阻性能呈现先上升后降低的状态；在0.06%浓度下，随着温度的升高减阻性能呈现先上升后近乎平稳的状态；溶液整体抗钠盐性能较好，但抗钙盐性能较差。所以该类型溶液配制的滑溜水体系，在0.06%浓度下，适用于温度较高，含钠盐较多，但含钙盐较少的地层。