CN105777984A - 一种耐温耐盐型卤水管道减阻剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐温耐盐型卤水管道减阻剂及其制备方法,属于高分子功能材料制备技术领域。该减阻剂为聚(丙烯酰胺‑2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸‑马来酸酐)。其制备方法为：(1)聚(丙烯酰胺‑2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸‑马来酸酐)的共聚。(2)聚(丙烯酰胺‑2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸‑马来酸酐)的提纯与制粉。本发明所涉及的减阻剂不仅减阻效果好、而且成本低廉,生产简单,过程清洁无污染。经实验,本发明所涉及的减阻剂在温度为25℃、流量为960L/h、含盐量为150g/L的模拟卤水、减阻剂用量20ppm的情况下减阻率可达到45.3％。

Description

一种耐温耐盐型卤水管道减阻剂及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子功能材料制备技术领域，特别涉及一种耐温耐盐型卤水管道减阻剂及其制备方法。

背景技术

卤水是一种极为重要的盐化工业原料，广泛应用于石油化工、盐业以及精细化工等多种行业。经过多年的开采，目前浅层地下卤水日渐枯竭，因此深层地下卤水的高效开采对于国民经济的发展起到显著作用。与近地面卤水相比，深层卤水的开采存在着开采难度大，输送费用高等重大问题。因此，和石油的开采类似，如何降低提输卤过程的能耗是目前本行业的瓶颈性难题。

水溶性减阻剂分子中含有强亲水性基团，是吸水能力超强的线性高分子物质。当水溶性减阻剂分子添加到处于湍流状态的流体管道中时，减阻剂分子延管流方向呈舒展状态并在管壁附近形成弹性层，可以显著降低湍流漩涡对管壁的冲击作用，大大降低摩擦阻力，从而实现减阻作用。

但是深层卤水具有高温、高盐的特点，因此耐温耐盐性能是卤水管道减阻剂的基本要求。目前市场上存在的改性水溶性减阻剂耐温性能尚可，但其耐盐性能还存在很大缺陷。因此，本专利以丙烯酰胺为主要聚合单体，使其和含有耐盐型磺酸基单体以及能够增加主链刚性的非离子单体一起共聚成耐温耐盐型卤水管道减阻剂。

中国专利(CN201510428565.4)公开了一种改性卤水管道减阻剂，具有较好的减阻效果和耐盐、耐温性能，但受限于溶解速率慢和减阻性能不很理想的问题，限制了其应用，无法满足某些特殊条件下的使用要求。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种耐温耐盐型卤水管道减阻剂及其制备方法。

为了获得合适功能的共聚单体，本发明对共聚高分子的结构对其减阻性能的影响进行了分析，比如，现有的聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-衣康酸)由于衣康酸中羧基受到-CH₂-的隔离作用，对主链的刚性增强效果受限，主链刚性较弱，主链分子的“拉、弹”作用差，阻碍了其减阻效率的提升。为了克服上述问题，本发明对多种不饱和双功能酸酐的结构特点进行了系统分析和筛选，发现采用马来酸酐替代衣康酸与丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸进行三元共聚，可有效增强高分子主链的刚性，实现其耐温、耐盐要求。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种耐温耐盐型卤水管道减阻剂，所述卤水管道减阻剂为聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)，其结构式为：

其中，m、n、p为非零的自然数。

所述聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)的分子量在3×10⁶以上。

本发明在主链中引入马来酸酐，既能增加主链的刚性，其官能团部分水解还可以起到耐盐、速溶作用，因此与现有耐温、耐盐减阻剂相比，其在卤水中的溶解速度明显变快。

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸分子中含有水溶性好、阴离子性强的磺酸基团，对外界阳离子进攻不敏感，体现出良好的耐盐性能，其庞大侧基还可以提高聚合物的耐温性能。

优选的，所述卤水管道减阻剂的红外光谱图如图1所示。

本发明还提供了一种耐温耐盐型卤水管道减阻剂的制备方法。

将丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和马来酸酐在氧化还原引发体系中进行水溶液聚合，得耐温耐盐型卤水管道减阻剂。

聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)减阻剂中的酸酐非离子型亲水单体受电解质的影响不大；同时酸酐基团也增大了减阻剂的流体力学体积，阻止了电解质对长链分子的卷曲；因此减阻剂聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)表现出了优异的耐盐性能。

优选的，所述丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和马来酸酐的质量比为4：1：0.5-1.5。

优选的，所述引发体系中，单体的总质量与溶剂质量比为1：2-2.5

优选的，所述的引发剂是质量比为1：1的过硫酸钾/亚硫酸氢钠。

过氧化物引发剂和偶氮类引发剂分解温度较高(50～100℃)，限制了在低温聚合反应中的应用。氧化还原引发体系是利用氧化剂和还原剂之间的电子转移所生成的自由基引发聚合反应。因此氧化还原引发剂较之热分解引发剂具有可以在较低温度(0～50℃)下引发聚合反应，其优点可以提高反应速率，降低能耗。本发明对引发剂的组合进行优选后发现，采用过硫酸钾/亚硫酸氢钠作为氧化还原引发剂可有效降低马来酸酐、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和丙烯酰胺聚合反应的活化能，在较低温度下引发反应。

优选的，所述的引发剂的质量占单体总质量的百分比0.015％-0.05％。

本发明中反应温度对聚合产物的性能有较大影响，温度过高会使分子量下降，减阻性能变差。因此，本发明通过引发剂的选取和反应条件的优选，在保证聚合反应速率的前提下，实现了马来酸酐、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺单体的低温聚合，优选的聚合反应条件为：在30-60℃温度反应3-8小时。

优选的，所述聚合反应完成后，将聚合产物进行洗涤、干燥、粉碎，得微黄色的聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)粉末。

上述方法合成的耐温耐盐型卤水管道减阻剂采用TENSOR37红外光谱仪进行表征，减阻性能采用室内减阻率测试环道进行评价。

本发明的有益效果是，本方法制备的新型卤水管道减阻剂具有很好的耐温、耐盐性能，减阻效果好。

本发明所涉及的卤水管道减阻剂不仅减阻性能好、适用范围广，而且合成简单。经实验，本发明所涉及的卤水管道减阻剂对各矿化度的模拟卤水均有较好的减阻性能，其中温度为20℃、流量为960L/h、含盐量为150g/L的模拟卤水、减阻剂用量20ppm的情况下，减阻率可达到45.3％，明显高于现有卤水管道减阻剂。

附图说明

图1为聚合物(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)的红外光谱图。

图2为聚合产物的减阻率与模拟卤水温度之间的关系曲线。

图3为聚合产物的减阻率与模拟卤水含盐量之间的关系曲线。

图4为聚合产物的减阻率与减阻剂用量之间的关系曲线。

具体实施方式

下面通过具体实例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：

聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)卤水管道减阻剂的制备方法，步骤如下：

(1)采用水溶液聚合方法，按丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和马来酸酐质量比为4:1:1和单体总量与蒸馏水的质量比为1:3分别称取一定量的单体溶于蒸馏水中，用15％的氢氧化钠调节pH至中性，转移到三口烧瓶中，在氮气的保护下进行恒温(水浴30℃)搅拌(100r/min)30分钟，然后将事先配置好的氧化、还原引发剂溶液依次逐滴加入到三口烧瓶中，加入引发剂为总单体质量的0.02％，恒温搅拌反应5～6h即可得到粘稠状的聚合物。

(2)将其产物取出经丙酮洗涤多次，然后在50℃的真空干燥箱干燥，再经研磨粉碎得到微黄色聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)粉末。

合成的聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)分子量在3×10⁶以上。

经测定，在150g/L的模拟卤水中,流量为960L/h，温度为20℃时，减阻剂用量20ppm的情况下减阻率可达到45.3％。

合成的聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)通过红外光谱仪进行分析。如图1所示。从图1可知，1620～1650cm^-1未出现C＝C吸收峰，说明所有单体参加了聚合反应。3427cm^-1为—NH₂吸收峰；2971cm^-1为—CH₃吸收峰；2925cm^-1为—CH₂吸收峰；1656cm^-1为—C＝O吸收峰；1447cm^-1为—C—N拉伸振动吸收峰；1115cm^-1为—S＝O吸收峰；1040cm^-1为—C-O-C吸收峰；731cm^-1为—C-H吸收峰，由上可知合成的产物为三元共聚物。红外图谱说明成功合成聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)。

将合成的聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)对一定矿化度的模拟卤水进行减阻率测试。将聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)溶于一定量水中，减阻率测试环道水槽中注入50L一定矿化度的模拟卤水，打开电磁泵，待压力表读数稳定时读取管路两端压力表示数，计算压力差ΔP₀；将上述聚合物溶液加入到模拟卤水中，搅拌5min，打开电磁泵，待压力表读数稳定时读取管路两端压力表示数，计算出压力差ΔP。温度区间为20℃-50℃，流量区间为800L/h-1000L/h；矿化度区间为0g/L-250g/L；减阻剂用量区间为0ppm-80ppm。减阻剂减阻率(DR)的计算方法如下：

$DR=\frac{{\mathrm{\Δp}}_0-\mathrm{\Δ}p}{{\mathrm{\Δp}}_0}\×100\%$

式中：ΔP₀—未加减阻剂时某直管段流体的压力降，Pa；ΔP—加入减阻剂后相同直管段流体的压力降,Pa。

结果如图2、图3、图4所示。

图2为聚合产物的减阻率与模拟卤水温度之间的关系曲线。

从图2可以看出，随着温度的升高减阻率呈下降趋势，但是减阻剂的减阻率对温度的依赖性不是太大。在温度为50℃时，聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)减阻剂的减阻率为39.8％。

图3为聚合产物的减阻率与模拟卤水的含盐量之间的关系曲线。

从图3可以看出，随着含盐量的增加减阻剂的减阻率先急剧下降然后均匀下降，研究认为聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)减阻剂中的酸酐非离子型亲水单体受电解质的影响不大；同时酸酐基团也增大了减阻剂的流体力学体积，阻止了电解质对长链分子的卷曲；因此减阻剂聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)表现出了优异的耐盐性能。

图4为聚合产物的减阻率与用量之间的关系曲线。

从图可以看出，随着加入量的增加，减阻率先明显增大然后趋于平稳，主要是因为聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)减阻剂的加入与水分子以氢键结合，抑制了水分子在管道中的径向波动，分子之间的拉扯加快了轴向的行进速度，减阻剂中马来酸酐增强了减阻剂与水分子的键合作用和分子的刚性，因此在该实验的条件下，AAM的经济加入量为20PPm，减阻率高达45.3％。

实施例2：

聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)卤水管道减阻剂的制备方法，步骤如下：

(1)运用水溶液的聚合方法，按丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和马来酸酐质量比为4:1:1.5和单体总量与蒸馏水的质量比为1:2.5分别称取一定量的单体溶于蒸馏水中，用15％的氢氧化钠调节pH至中性。转移到三口烧瓶中，在氮气的保护下进行恒温(水浴40℃)搅拌(100r/min)30分钟，然后将事先配置好的氧化、还原引发剂溶液依次逐滴加入到三口烧瓶中，加入引发剂为总单体质量的0.05％，恒温搅拌反应5～6h即可得到粘稠状的聚合物。

(2)将其产物取出经丙酮洗涤多次，然后在50℃的真空干燥箱干燥，再经研磨粉碎得到了微黄色的产物聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)粉末。

合成的聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)分子量在3×10⁶以上。

经测定，在150g/L的模拟卤水中,流量为960L/h，温度为20℃时，减阻剂用量20ppm的情况下减阻率可达到40.3％。

实施例3：

聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)卤水管道减阻剂的制备方法，步骤如下：

(1)运用水溶液的聚合方法，按丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸和马来酸酐质量比为4:1:0.5和单体总量与蒸馏水的质量比为1:2分别称取一定量的单体溶于蒸馏水中，用15％的氢氧化钠调节pH至中性。转移到三口烧瓶中，在氮气的保护下进行恒温(水浴30℃)搅拌(100r/min)30分钟，然后将事先配置好的氧化、还原引发剂溶液依次逐滴加入到三口烧瓶中，加入引发剂为总单体质量的0.016％，恒温搅拌反应3～4h即可得到粘稠状的聚合物。

(2)将其产物取出经丙酮洗涤多次，然后在50℃的真空干燥箱干燥，再经研磨粉碎得到了微黄色的产物聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)粉末。

合成的聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)分子量在3×10⁶以上。

经测定，在150g/L的模拟卤水中,流量为960L/h，温度为20℃时，减阻剂用量20ppm的情况下减阻率可达到44.1％。

实施例4：

聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)卤水管道减阻剂的制备方法，步骤如下：

(1)运用水溶液的聚合方法，按丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和马来酸酐质量比为4:1:0.8和单体总量与蒸馏水的质量比为1:3分别称取一定量的单体溶于蒸馏水中，用15％的氢氧化钠调节pH至中性。转移到三口烧瓶中，在氮气的保护下进行恒温(水浴40℃)搅拌(100r/min)30分钟，然后将事先配置好的氧化、还原引发剂溶液依次逐滴加入到三口烧瓶中，加入引发剂为总单体质量的0.021％，恒温搅拌反应5～6h即可得到粘稠状的聚合物。

(2)将其产物取出经丙酮洗涤多次，然后在50℃的真空干燥箱干燥，再经研磨粉碎得到了微黄色的产物聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)粉末。

合成的聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)分子量在3×10⁶以上。

经测定，在150g/L的模拟卤水中,流量为960L/h，温度为20℃时，减阻剂用量20ppm的情况下减阻率可达到38.6％。

实施例5：

聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)卤水管道减阻剂的制备方法，步骤如下：

(1)运用水溶液的聚合方法，按丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和马来酸酐质量比为4:1:1和单体总量与蒸馏水的质量比为1:3分别称取一定量的单体溶于蒸馏水中，用15％的氢氧化钠调节pH至中性。转移到三口烧瓶中，在氮气的保护下进行恒温(水浴60℃)搅拌(100r/min)30分钟，然后将事先配置好的氧化、还原引发剂溶液依次逐滴加入到三口烧瓶中，加入引发剂为总单体质量的0.018％，恒温搅拌反应7～8h即可得到粘稠状的聚合物。

(2)将其产物取出经丙酮洗涤多次，然后在50℃的真空干燥箱干燥，再经研磨粉碎得到了微黄色的产物聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)粉末。

合成的聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)分子量在3×10⁶以上。

经测定，在150g/L的模拟卤水中,流量为960L/h，温度为20℃时，减阻剂用量20ppm的情况下减阻率可达到37.9％。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种耐温耐盐型卤水管道减阻剂，其特征在于，所述卤水管道减阻剂为聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)，其结构式为：

其中，m、n、p为非零的自然数。

所述聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)的分子量在3×10⁶以上。

2.如权利要求1所述的卤水管道减阻剂，其特征在于，所述卤水管道减阻剂的红外光谱图如图1所示。

3.一种耐温耐盐型卤水管道减阻剂的制备方法，其特征在于，

将丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和马来酸酐在氧化还原引发体系中进行水溶液聚合，得耐温耐盐型卤水管道减阻剂。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和马来酸酐的质量比为4:1：0.5-1.5。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述引发体系中，单体的总质量与溶剂质量比为1:2-2.5；

或所述的引发剂为质量比为1：1的过硫酸钾/亚硫酸氢钠。

6.如权利要求3所述的方法，其特征是，所述的引发剂的质量占单体总质量的百分比0.015％-0.05％。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述聚合反应条件为：在30-60℃温度反应4-8小时。

8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，聚合反应完成后，将聚合产物进行洗涤、干燥、粉碎，得微黄色的产物聚(丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-马来酸酐)粉末。

9.权利要求3-8任一项所述的方法制备的耐温耐盐型卤水管道减阻剂。

10.权利要求1、2或9所述的耐温耐盐型卤水管道减阻剂在卤水开采与卤水管道输运中的应用。