1.3 ASCM合成方法及優(yōu)化

1.3.1 ASCM的合成方法

1）將白油、CnDMAAC、Span80、Tween80按一定比例加反應(yīng)容器中，并通入氮氣，在室溫下以400～600 r/min的速率攪拌制備油相體系，緩慢升溫至反應(yīng)溫度。

2）按一定的比例AM、DEAM、SSS、亞硫酸氫鈉充分溶解于水中，采用NaOH水溶液調(diào)pH至中性，然后將水溶液滴加到油相中，邊滴加邊攪拌，直至獲得均勻的乳狀液。

3）在恒溫下，向乳液中緩慢滴加過硫酸銨引發(fā)劑，持續(xù)攪拌并通入氮氣，恒溫反應(yīng)一定時間后獲得白色乳狀液ASCM。

1.3.2 ASCM合成條件優(yōu)化

聚合單體的摩爾比、單體總質(zhì)量百分比、油水體積比等會影響到聚合的耐鹽、增黏、乳液穩(wěn)定性等性能指標和應(yīng)用效果，通過優(yōu)化合成條件，有助于獲得性能優(yōu)異的ASCM聚合。

1）聚合單體摩爾比。疏水單體摩爾比影響到聚合物溶液的黏度和溶解性能，溶液黏度隨疏水單體比例的增加而顯著增加，聚合物溶解性能則降低，一般疏水單體摩爾比不超過2%。SSS具有較大的空間位阻，摩爾比例較大無法完全聚合，還會干擾聚丙烯酰胺主鏈的增長，一般在5%～20%。DEAM空間位阻較小，水溶性較好，聚合相對容易，單體摩爾比例在5%～15%。設(shè)計L9（34）正交實驗，并以1.2%聚合物在標準鹽水中的黏度為指標，優(yōu)選最佳單體物質(zhì)的量比例為：AM∶SSS∶DEAM∶CnDMAAC=8∶0.5∶1∶0.15。

2）乳化劑優(yōu)化。乳化劑是制備乳液的主要成分，乳化劑種類及加量直接影響乳液的均勻性和穩(wěn)定性，為獲得穩(wěn)定的油包水乳液，乳化劑的HLB值在3～6，復合表面活性劑比單一的表面活性劑要好，本工作采用Span-80和Tween-80復合表面活性劑，該復合物表面活性劑在壓裂液破膠后能夠有效降低破膠液的表面張力，起到良好的助排作用。乳化劑加量較低時，乳化劑不足以完全覆蓋乳液滴，無法形成穩(wěn)定的油包水乳液，隨著乳化劑的增加，體系的相轉(zhuǎn)變溫度降低，更容易形成油包水乳液，綜合考慮實用性和經(jīng)濟性，乳化劑的加量為7%。

3）油水體積比。分別設(shè)計油水體積比為1∶3～1∶0.8對比實驗，考察乳液穩(wěn)定性、本體黏度、起黏情況。油水體積比低于1∶2時，不易形成油包水型乳液或形成的乳液不穩(wěn)定，隨著油水體積比的增大，乳液穩(wěn)定性越來越好，本體黏度降低，溶解時間延長，乳液中聚合物有效含量降低。從實用性和經(jīng)濟性綜合考慮，乳液稠化劑本體黏度越低越易抽吸，溶解越快越好，聚合物有效含量越高經(jīng)濟性越好，推薦油水比為1∶1～1∶1.2。

4）引發(fā)劑用量。引發(fā)劑用量是影響聚合反應(yīng)速率和產(chǎn)物性能的關(guān)鍵因素之一，在自由基聚合中，反應(yīng)速率通常與引發(fā)劑濃度的平方根成正比，平均分子量通常與引發(fā)劑濃度的平方根成反比，引發(fā)劑用量增加能夠提高自由基濃度，加快反應(yīng)速率和鏈終止，不利于獲得高分子量的聚合物。通過平行對比實驗發(fā)現(xiàn)引發(fā)劑用量在0.2～0.25%較為合適。

5）反應(yīng)溫度。反應(yīng)溫度直接影響到引發(fā)劑的分解效率、反應(yīng)速率、乳液的穩(wěn)定性，高溫條件下反應(yīng)快，分子量低，甚至發(fā)生爆聚，乳液穩(wěn)定性差。低溫條件下有利于降低反應(yīng)速率，提高乳液穩(wěn)定性，獲得高分子量的聚合物。實驗發(fā)現(xiàn)當反應(yīng)溫度高于60℃時，聚合物的增黏能力較差，當溫度低于30℃時，反應(yīng)時間過長，結(jié)合公司乳液聚合生產(chǎn)經(jīng)驗，推薦反應(yīng)溫度40～50℃。

6）聚合單體濃度。聚合物單體濃度決定了乳液中聚合物的有效含量，直接影響到聚合物水溶液的黏度，一般單體濃度越高越好，隨著單體濃度的增大，會出現(xiàn)乳化不均勻，局部反應(yīng)較快形成大顆粒聚集體，導致乳液顆粒不均勻、易分層，同時產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，當聚合單體總質(zhì)量占乳液總質(zhì)量的30%較佳。

綜上所述，優(yōu)化后的ASCM聚合條件如表1所示，采用優(yōu)化后合成條件制備的ASCM聚合物稠化劑為白色均勻乳狀液，在25℃下產(chǎn)品本體黏度小于250 mPa·s，在?10℃下本體黏度為300～360 mPa·s，產(chǎn)品流動性好，便于抽吸，滿足冬季低溫條件下使用需求；常溫下放置30 d，無分層，無析出等異常，產(chǎn)品穩(wěn)定性好。

表1優(yōu)化后的ASCM稠化劑聚合物條件

2.性能評價

2.1溶解增黏性能

分別用清水、蘇里格氣田水、標準鹽水配制不同濃度的ASCM水溶液，測試起黏時間和3 min后的溶液黏度，溶解增黏性能，結(jié)果如表2所示。

表2 ASCM在不同水質(zhì)中的溶解增黏性能

由表2可知，ASCM在不同水質(zhì)中的起黏時間為20～40 s，溶解起黏快，滿足在線連續(xù)混配需求；1.0%～1.4%的加量在清水中的黏度為90～140 mPa·s，同等加量下，在標準鹽水中的黏度保持率在80%左右，在蘇里格氣田水中的黏度保持率在75%以上，具有良好的增黏效果和耐鹽性能，滿足蘇里格變黏壓裂液的黏度要求。