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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)鹽水中的黏度為指標(biāo)，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(fù)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(fù)合表面活性劑，該復(fù)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(jì)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(jì)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(jì)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(dāng)反應(yīng)溫度高于60℃時，聚合物的增黏能力較差，當(dāng)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(dǎo)致乳液顆粒不均勻、易分層，同時產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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。