【正文】 氫鍵作用使得部分水分子在極性基周?chē)^為有序的排列成為束縛水；而疏水基則有從水介質(zhì)中逃逸出來(lái)的趨向。由于側(cè)基的上述作用使得分子內(nèi)和分子間的卷曲、纏繞減少，高分子鏈在水溶液中的排列成梳子形狀?，F(xiàn)已研制出的新型梳形抗鹽聚合物具有較好的抗溫抗鹽能力和良好的剪切穩(wěn)定性，此類(lèi)聚合物在鹽水中的增稠能力，比目前國(guó)內(nèi)超高分子量聚丙烯酰胺在鹽水中的增稠能力提高 50%以上。梳形聚丙烯酰胺（KY—PAM）具有梳型分子結(jié)構(gòu)的超高分子量的 AM/AHPE 共聚物，其中共聚單體 AHPE 結(jié)構(gòu)未知。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在各種礦化度條件下， KYPAM 抗鹽聚合物的粘度均大于普通超高分子量 PAM，且礦化度越高，其粘度超幅越大 。]25[通過(guò)對(duì)目前耐溫抗鹽聚合物的分析，我認(rèn)為兩性聚合物、耐溫耐鹽單體與丙烯酰胺的共聚物、疏水締合聚合物、多元組合（復(fù)合型）聚合物和梳形聚合物各具特色，可以在不同的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮作用。但在鉆井液用添加劑領(lǐng)域，耐溫耐鹽單體與丙烯酰胺的共聚物和梳形聚合物更具有應(yīng)用可行性，從成本考慮，目前以梳形聚合物最具有應(yīng)用前景，有望成為新一代的鉆井液用增粘劑和降慮失劑，預(yù)計(jì)在三次采油領(lǐng)域，也將會(huì)全面取代聚丙烯酰胺。 本文主要研究?jī)?nèi)容及目的隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展和高分子聚合物的深入研究，迫切需求高相對(duì)分子質(zhì)量，水溶性好、穩(wěn)定性好且耐溫耐鹽的聚丙烯酰胺類(lèi)添加劑，滿足鉆井過(guò)程中增粘、防塌防漏、降慮失等需要，因此各種耐溫耐鹽聚丙烯酰胺性能的研究成為 PAM 研究的熱點(diǎn)。本文主要研究三種聚丙烯酰胺：梳形聚合物 KYPAM部分水解聚丙烯酰胺概述第 17 頁(yè)（共 35 頁(yè)）HPAM、反相乳液 MICROG 的性能，包括分子量、耐溫耐鹽性、鉆井液中流變性等。根據(jù) 的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定其特性粘數(shù)，由分子量和粘度之間的關(guān)系，我們可以計(jì)算出聚合物的粘均分子量，對(duì)比分析不同合成方法對(duì)聚合物分子量的影響。此外我們通過(guò)改變鹽濃度，測(cè)定在 %~1%的 NaCl 中聚丙烯酰胺溶液粘度的變化，比較其耐鹽性，得出相關(guān)結(jié)論。在鉆井液基漿或體系中測(cè)定聚合物的流變性及慮失量，比較三種聚丙烯酰胺對(duì)鉆井液性能的影響，選出最優(yōu)鉆井液用聚丙烯酰胺。鉆井液用聚丙烯酰胺性能研究第 18 頁(yè)（共 35 頁(yè)）2 實(shí)驗(yàn)部分 實(shí)驗(yàn)試劑及主要儀器 試劑和主要試劑來(lái)源 表 1 實(shí)驗(yàn)樣品及試劑名稱(chēng) 規(guī)格 生產(chǎn)廠家KYPAM1 工業(yè)級(jí) 北京恒聚HPAM 工業(yè)級(jí) 山東東營(yíng)MICROG 工業(yè)級(jí) 實(shí)驗(yàn)室自制氯化鈉固體 分析純 天津市大茂化學(xué)試劑廠碳酸鈉固體 分析純 連云港市大晶化工有限公司氫氧化鈉固體 分析純 天津市大茂化學(xué)試劑廠氯化鉀固體 分析純 天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司RS1 粉末、lube 乳液、紅坂土及海水、蒸餾水等 主要儀器 本實(shí)驗(yàn)所涉及的主要實(shí)驗(yàn)儀器列于表 2；此外，還有烏氏粘度計(jì)（）、高攪杯、老化罐、高純氮?dú)馄?、砂芯漏斗、容量瓶、燒杯、錐形瓶、移液管、量筒、量杯、玻璃棒、溫度計(jì)、滴定管、秒表、濾紙、洗耳球和玻璃棒若干等。 表 2 實(shí)驗(yàn)儀器名稱(chēng) 型號(hào) 生產(chǎn)廠家控硅恒溫水浴鍋 GKC 上海錦屏儀器儀表有限公司精密增力電動(dòng)攪拌器 JJ1 常州國(guó)華電器有限公司精密電子天平 JA2103N 上海錦屏儀器儀表有限公司磁力加熱攪拌器 Jan79 江蘇省金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠Brookfield 粘度儀 DVⅢ+ 美國(guó) Brookfield 公司生產(chǎn)六速旋轉(zhuǎn)粘度儀 ZNND6A 青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器廠變頻高速攪拌機(jī) GJSB12K 青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器廠高溫滾子爐 XGRL4 青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器廠失水測(cè)量?jī)x 青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器廠電熱鼓風(fēng)干燥箱 FN1012 長(zhǎng)沙儀器儀表廠實(shí)驗(yàn)部分第 19 頁(yè)（共 35 頁(yè)） 聚丙烯酰胺特性粘度的測(cè)定 ]26[聚合物的特性粘數(shù)描述它在分散體系中的單個(gè)分子行為，表征一個(gè)大分子在溶液中占有的有效體積。按照分散體系粘度的 Einstein 理論，大分子在溶液中的特性粘數(shù)愈大，它對(duì)溶液粘度的貢獻(xiàn)就愈大。特性粘數(shù)是聚合物濃度趨近于零時(shí)比濃粘度（或比濃對(duì)數(shù)粘度）的極限值，表示單位聚合物分子在溶液中所占流體力學(xué)體積的相對(duì)大小，也是度量聚合物分子尺寸的一個(gè)重要參數(shù)。聚合物的特性粘數(shù)對(duì)于評(píng)價(jià)聚合物的增粘性能有著非常重要的意義。2.. 烏氏粘度計(jì)的使用方法圖 1 即為烏氏粘度計(jì)，其使用步驟如下：（1）將恒溫水槽調(diào)節(jié)至 ，夾好烏氏粘度計(jì)，放入恒溫Co25 水槽，液面應(yīng)高過(guò) a 線上方的球 2cm，使毛細(xì)管垂直于水面；（2）用移液管移取 10 mL 液體，注入 A 管，恒溫 10min； 　（3）按住 B 管不通氣，用洗耳球在 C 管抽氣， 吸至 a 線 上方的球一半時(shí)停止； （4）拿下洗耳球，放開(kāi) B 管； 圖 1 烏氏粘度計(jì) （5）記錄液面流經(jīng) a 至 b 的時(shí)間，測(cè)三次，求平均值（時(shí)間差不超過(guò) ）。 溶劑、溶液的配制（1）溶劑的配置： 準(zhǔn)確稱(chēng)取 約 200mL 水溶解后，倒入 500mL容量瓶中，再用蒸餾水潤(rùn)洗燒杯，倒入容量瓶中，然后用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，即配成 。 ：先準(zhǔn)確稱(chēng)取 固體，用約 200mL 蒸餾水溶解后，倒入 500mL 容量瓶中，再用蒸餾水潤(rùn)洗燒杯，倒入容量瓶中，然后用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，即配成 。（2）試樣溶液的配置粉狀聚丙烯酰胺：稱(chēng)取 均勻的粉狀試樣，準(zhǔn)確至 。用約 25mL 的鉆井液用聚丙烯酰胺性能研究第 20 頁(yè)（共 35 頁(yè)）蒸餾水溶解，待試樣溶解后，加入 100mL 容量瓶中，用移液管準(zhǔn)確加入 50mL 濃度，然后用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，放在 30℃水浴中。即得聚合物濃度約 ，氯化鈉濃度為 。乳液聚丙烯酰胺：稱(chēng)取固含量為 30%的乳液試樣 ，準(zhǔn)確至 。用約50mL 的蒸餾水溶解，待試樣溶解后，加入 200mL 容量瓶中，用移液管準(zhǔn)確加入100mL 濃度 ，然后用蒸餾水稀釋至刻度，搖勻，放在 30℃水浴中。即得聚合物濃度約 ，氯化鈉濃度為 。 測(cè)定特性粘度的實(shí)驗(yàn)步驟（1）測(cè)定溶劑流出時(shí)間將鐵架臺(tái)放置水平，夾好粘度計(jì)，使毛細(xì)管垂直于水面。用移液管從 A 管注入10ml 溶劑，用手按住 B 管使不通氣，而在 C 管上用洗耳球抽氣，使溶劑吸至 a 線上方的球一半時(shí)停止抽氣。先把洗耳球取下，而后放開(kāi) B 管，空氣進(jìn)入圓球，使毛細(xì)管內(nèi)溶劑和 A 管下端的球分開(kāi)，這時(shí)水平地注視液面的下降，用秒表記錄液面流經(jīng)a 和 b 線的時(shí)間，此即為 to，重復(fù)三次，誤差不超過(guò) 秒。取其平均值為 to，然后倒出溶劑。（2）溶液流出時(shí)間的測(cè)定用移液管吸取 10ml 試樣溶液注入粘度計(jì)，粘度測(cè)定如 1，測(cè)得溶液流出時(shí)間t1，然后再移入 5ml 溶劑，這時(shí)粘度計(jì)內(nèi)溶液濃度是原來(lái)的 2/3，將它混合均勻，并把溶液吸至 a 線上方的球一半處，混合兩次，再用同法測(cè)定 t2，同樣操作再加入5ml 測(cè)得 t3；將上述溶液倒出來(lái)，取 5ml 濃度為 Co 的溶液加 10ml 溶劑測(cè)得 t4，再加入 5ml 溶劑測(cè)得 t5，填入表格。（3）清洗粘度計(jì)將粘度計(jì)中的溶液倒出，按照少量多次的原則用丙酮進(jìn)行清洗，清洗完畢后再加入甲苯溶劑，測(cè)定溶劑的流出時(shí)間 t′，如果 t′與 to 相等，則清洗干凈。 聚丙烯酰胺耐鹽性的測(cè)定 溶液的配制分別配置質(zhì)量濃度為 %（按聚合物﹕水=﹕200 的比例（質(zhì)量比）配置）的 KYPAMHPAM 和 MICROG 水溶液，攪拌，自然放置，待其完全溶解，用實(shí)驗(yàn)部分第 21 頁(yè)（共 35 頁(yè)）Brookfield DVⅢ+粘度儀測(cè)出其粘度。再分別在三份聚合物溶液中逐步加入無(wú)機(jī)鹽NaCl ，濃度從 %%，每加入一次均測(cè)定一次其粘度。 Brookfield DVⅢ+粘度儀的結(jié)構(gòu)及使用方法（1）DVIII+流變儀工作特點(diǎn)對(duì)于一個(gè)特定的轉(zhuǎn)子，在流體中轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力一定的情況下，流體的實(shí)際粘度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成反比，而剪切應(yīng)力與轉(zhuǎn)子的形狀和大小均有關(guān)系。對(duì)于一個(gè)粘度已知的液體，彈簧的扭轉(zhuǎn)角會(huì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和轉(zhuǎn)子幾何尺寸的增加而增加，所以在測(cè)定低粘度液體時(shí)，使用大體積的轉(zhuǎn)子和高轉(zhuǎn)速組合，相反，測(cè)定高粘度的液體時(shí)，則用細(xì)小轉(zhuǎn)子和低轉(zhuǎn)速組合。 （2）使用方法1　選擇合適量程的轉(zhuǎn)子安裝在粘度計(jì)的接頭上；2　打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，使粘度計(jì)自動(dòng)校零；3　輸入轉(zhuǎn)子型號(hào)，設(shè)定轉(zhuǎn)速，選擇粘度單位，然后關(guān)閉轉(zhuǎn)速按鈕使轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)；4　將轉(zhuǎn)子浸入待測(cè)溶液中，直至沒(méi)過(guò)轉(zhuǎn)子上的刻度線；5　打開(kāi)轉(zhuǎn)速按鈕，開(kāi)始測(cè)定粘度，示數(shù)穩(wěn)定后讀取最大值；6　測(cè)量完畢，關(guān)閉轉(zhuǎn)速按鈕，關(guān)閉電源，將轉(zhuǎn)子清洗干凈放回原處。 聚丙烯酰胺在鉆井液中性能的測(cè)定 坂土漿的配制取 5000g 熱水，加入 450g 紅坂土，并且在加入紅坂土的過(guò)程中要用泥漿高速攪拌器不停的攪拌，攪拌一個(gè)小時(shí)左右后向其中加入 的 Na2CO3，然后再用泥漿高速攪拌器攪拌兩個(gè)小時(shí)左右，停止攪拌，靜置一天即可使用了，每次在使用前都要用充分?jǐn)嚢琛?處理海水的配制取一定量的海水，向其中加入 %的 NaOH 和 %的 Na2CO3，用玻璃棒攪拌至溶解就可以使用了。由于在放置的過(guò)程中，溶解的藥品要析出，因此在使用之前要用玻璃棒充分地?cái)嚢?。鉆井液用聚丙烯酰胺性能研究第 22 頁(yè)（共 35 頁(yè)） 實(shí)驗(yàn)儀器 ZNND6A 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì) ]27[ZNND6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)是利用外圓筒的高速回轉(zhuǎn)，造成相對(duì)靜止內(nèi)圓柱的剪切速率，使內(nèi)、外圓筒之間的泥漿受到剪切應(yīng)力的剪切，通過(guò)和內(nèi)圓柱相連的扭力彈簧的扭轉(zhuǎn)角，反映出回轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)克服的液體內(nèi)摩擦阻力的大小值，即反映該剪切率下剪切應(yīng)力的大小。ZNND6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)外筒的六個(gè)轉(zhuǎn)速分別為：3r/min， 6r/min，100r/min，200r/min，300r/min，600r/min，各轉(zhuǎn)速測(cè)得的數(shù)據(jù)分別為 Ф3，Ф6，Ф100，Ф200，Ф300，Ф600 ；最高剪切速率為 1022s1。內(nèi)圓筒的半徑R1=；外圓筒的半徑 R2=；扭力彈簧的彈簧常數(shù)C＝度。 ZNS 型泥漿失水儀ZNS 型泥漿失水儀測(cè)定的是靜態(tài)下的泥漿失水。測(cè)試條件的壓差可以通過(guò)氣筒加壓，氣壓從 0～10 個(gè)大氣壓，過(guò)濾斷面 。 主要實(shí)驗(yàn)步驟（1）取 4%的海水坂土（178g 坂土漿+222g 海水），高速攪拌 20min；（2）向海水坂土漿中緩慢加入聚丙烯酰胺固體或聚合物乳液，高速攪拌 20min；（3）選擇性加入降慮失劑 RS抑制劑 KCl 和潤(rùn)滑劑 lube，高速攪拌 20min；（4）在常溫下，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)其流變性；（5）將鉆井液于老化罐中密封，放入滾子爐，在 130℃下熱滾 16h，取出鉆井液放至室溫，高速攪拌 5min，按 SY/T 5621 的規(guī)定測(cè)定其表觀粘度、塑性粘度、動(dòng)切力及 API 慮失量。實(shí)驗(yàn)部分第 23 頁(yè)（共 35 頁(yè)）鉆井液用聚丙烯酰胺性能研究第 24 頁(yè)（共 35 頁(yè)）η sp/crcr3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 聚丙烯酰胺分子量 特性粘度計(jì)算分子量原理 線形高分子溶液的基本特性之一是粘度比較大，并且其粘度值與平均分子量有關(guān)，因此可利用這一特性測(cè)定其分子量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在恒定條件下，用同一支粘度計(jì)測(cè)定幾種不同濃度的溶液和純?nèi)軇┑牧鞒鰰r(shí)間 t 和 t0 ，可得相對(duì)粘度和增比粘度： )2(1)(00???? ??ttrspr?式中：t——試樣溶液的流經(jīng)時(shí)間，s； to——， s。 粘度對(duì)溶液濃度有很大的依賴(lài)性，實(shí)驗(yàn)中首先要清除濃度對(duì)粘度的影響，常以如下兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)粘度對(duì)濃度的依賴(lài)關(guān)系： ??)3(2??rorspcKc???? )4(ln2??ror?? 式中：co— —試樣溶液初始濃度， g/mL； cr——相對(duì)濃度，即 。 orc?特性粘度 是聚合物溶液的特性粘數(shù)，和濃度無(wú)關(guān)，由此可知，以 cr 為橫坐標(biāo)，???η sp/cr 和 lnη r/cr 為縱坐標(biāo)作圖。通過(guò)兩組點(diǎn)各作直線，外推至 cr=0，求得截距H，若兩條直線不能在縱軸上交于一點(diǎn)，取兩截距的平均值為 H。計(jì)算特性粘數(shù)： )5(][??ocH?當(dāng)聚合物的化學(xué)組成、溶劑、溫度確定后， 值只和聚合物的分子量有關(guān)，用???lnη r/crH實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論第 25 頁(yè)（共 35 頁(yè)）下式表達(dá)這一關(guān)系： ??)6(????KM?式中 K 和 a 為常數(shù)，其值和聚合物、溶劑、溫度有關(guān)，和分子量的范圍也有一定的關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)取 K=102ml/g，a=。 特性粘度測(cè)定結(jié)果測(cè)得 KYPAMHPAM 和 MICROG 三種聚合物的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)表 35）。水溶液法合成聚合物粘度一般較大，分子量較高，所以采用稀釋法計(jì)算其特性粘度；而對(duì)于反相乳液合成 MICROG，其粘度較小，分子量估計(jì)只在 200~500 萬(wàn)左右，稀釋后測(cè)量的變化不大，因此采用一點(diǎn)法計(jì)算。根據(jù)表 34 繪制對(duì)應(yīng)的 ηsp/cr 和lnηr