一種水溶性聚合物及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水溶性聚合物技術領域，特別是聚丙烯酰胺技術領域。
【背景技術】
[0002] 壓裂液是壓裂改造油氣層過程中必不可少的工作液。壓裂液應完成兩項施工任 務：一是壓開儲集層，形成人工水力裂縫；二是攜帶支撐劑進人裂縫之中使之成為具有導 流能力的支撐裂縫。壓裂液還必須具備快速破膠水化的功能，以保證壓后增產的實現。壓 裂液包括水基壓裂液、油基壓裂液、泡沫壓裂液、乳化壓裂液和清潔壓裂液等，其中水基壓 裂液具有成本低、安全性較高等優點，目前使用最為廣泛。國內水基壓裂液占整個壓裂液體 系的90%以上。
[0003] 稠化劑是水基壓裂液中最主要的添加劑，其作用是提高水的粘度，降低液體濾失， 懸浮和攜帶支撐劑。其發展經歷了半個世紀，但是性能更好的壓裂液稠化劑一直是國內外 學者研宄的方向。按稠化劑化學結構的不同水基壓裂液可分以下4類：（1)天然植物膠及其 改性物壓裂液，例如胍膠，羥丙基胍膠；（2)纖維素衍生物壓裂液；（3)合成聚合物壓裂液；
[4] VES壓裂液。前兩類稠化劑由于含不溶于水的物質，所形成壓裂液破膠后殘渣高。隨著 環保意識不斷增強，油氣田對儲層保護加強，促進了 VES清潔壓裂液的研宄，但因其所需表 面活性劑用量高，成本難以降低限制其推廣使用。與天然聚合物壓裂液相比，合成聚合物壓 裂液有增稠能力強、對細菌不敏感、凍膠穩定性好、懸砂能力強、無殘渣、對地層低傷害等特 點。因此，現在合成聚合物壓裂液的研宄成為國內外研宄的熱點。
[0004] 合成的水溶性聚合物可以用作增稠劑、分散劑、膠粘劑等。
[0005] 中國發明專利201410667477. 5公開了一種水基壓裂液增稠劑及其制備方法，其 采用丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉和4-丙烯酰嗎啉共聚合成了一種水溶 性聚合物，該聚合物可以作為水基壓裂液增稠劑，無水不溶物殘渣，具有良好的增稠、耐溫、 耐剪切作用。但該發明的聚合物在水溶液中的分散性能較差。

【發明內容】

[0006] 本發明的主要目的是提供一種水溶性聚合物及其制備方法，使其作為分散劑，具 有良好的分散性能。
[0007] 本發明的目的是這樣實現的，一種水溶性聚合物，為由60~64. 9質量％的丙烯酰 胺、35~39質量％的2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉及0. 1~I. 0質量％的4-丙烯 酰嗎啉共聚合生成的水溶性聚合物。
[0008] 其中，所述水溶性聚合物的粘均分子量優選為3000000~22000000 ;所述水溶性 聚合物的粘均分子量更優選為5500000~8500000 ;所述水溶性聚合物的粘均分子量再次 優選為 6000000 ~7000000。
[0009] 本發明還提供了一種水溶性聚合物的制備方法，其是上述水溶性聚合物的制備方 法，其中包括如下步驟：
[0010] 首先，將60~64. 9質量％的丙烯酰胺、35~39質量％的2-丙烯酰胺基-2-甲 基-1-丙磺酸鈉和〇. 1~1.0質量％的4-丙烯酰嗎啉加入到去離子水中，使這三種物質的 總質量濃度在23~35質量％ ;
[0011] 其次，用堿或酸將溶液的pH調整至6~12 ;
[0012] 最后，加入聚合引發劑和鏈轉移劑引發聚合反應，聚合體系溫度達到最高點后保 持1~2小時，制得水溶性聚合物。
[0013] 作為本發明一種水溶性聚合物的制備方法的一個優選方案，還需要進一步對所述 水溶性聚合物進行干燥和研磨處理，以獲得所需要聚合物產品。
[0014] 其中，所述堿優選為氫氧化鈉，酸優選為鹽酸。
[0015] 所述引發劑優選為過硫酸銨和亞硫酸氫鈉。
[0016] 所述過硫酸銨的使用量優選為每克反應液加入2~20微克，亞硫酸氫鈉的使用量 優選為每克反應液加入2~20微克。
[0017] 所述鏈轉移劑優選為次磷酸鈉、甲酸鈉或硫氰化鈉。
[0018] 所述鏈轉移劑的使用量優選為每克反應液加入1~5微克，可以通過調整引發劑 和鏈轉移劑的加入量來控制聚合物的粘均分子量。
[0019] 與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：由于作為本發明的水溶性聚合物 分子鏈上具有的2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉的長鏈基團和磺酸基團及4-丙烯酰 嗎啉的環狀基團具有耐高溫和耐剪切的作用，因此，本水溶性聚合物在高溫和高速剪切下， 仍然具有良好的分散性能，與含有8~12質量％的4-丙烯酰嗎啉的聚合物產品相比，在相 同條件下本發明的分散性能提高20%以上。
【具體實施方式】
[0020] 以下對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例，下列實施 例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規條件。
[0021] 原料用量：
[0022] 在本發明中，對原料用量，通常是將60~64. 9質量％的丙烯酰胺、35~39質量％ 的2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉和0. 1~I. 0質量％的4-丙烯酰嗎啉加入到去離 子水中，使這三種物質的總質量濃度在23~35質量％。
[0023] 丙烯酰胺的用量如果低于60質量％，則產品的分子量低，而高于64. 9質量％，則 產品的分子量高，影響產品在分散劑領域的使用；2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸鈉的 用量低于35質量％，則產品的耐溫性能、耐剪切及分散性能會降低，而高于39質量％，會造 成原料的浪費，產物不純，對產物分子量分布有影響，并無其他有益效果；4-丙烯酰嗎啉的 用量低于〇. 1質量％，則產品的耐鹽和耐剪切性能會降低，高于1.0質量％，不僅會造成原 料的浪費，分散性能會下降，并無其他有益效果；上述三種物質的總質量濃度在23~35質 量％，如果上述三種物質的總質量濃度低于23質量％，則聚合后形成的膠體粘度大，不利 于后繼的切割和干燥處理，而上述三種物質的總質量濃度高于35質量％，則聚合反應溫度 增長過快，對分子量控制的難度會加大。
[0024] 溶液的pH調整：
[0025] 在本發明中，對溶液的pH調整并無特別限定，通常是用堿或酸將溶液的pH調整至 6~12,如果溶液的pH小于6,則造成體系酸度過強，影響聚合反應過快，不利于對產品的分 子量進行控制，而體系PH大于12,則反應引發難度增大，可能造成聚合反應無法進行。
[0026] 聚合時間：
[0027] 在本發明中，對聚合時間并無特別限定，通常是加入聚合引發劑和鏈轉移劑引發 聚合反應，聚合體系溫度達到最高點后保持1~2小時，制得水溶性聚合物，如果小于lh，造 成聚合時間不足，參與反應的原料的參與量會增加，原料的轉化率會降低，而聚合時間大于 2小時，則聚合時間過長，造成沒必要的時間浪費，使生產設備的使用率降低，從而降低裝置 的生產效率，增減裝置的能源消耗。
[0028] 本發明中，還可以進一步對制得的水溶性聚合物進行干燥和研磨處理，以獲得所 需要的增稠劑產品。
[0029] 調整溶液pH所用物質：
[0030] 在本發明中，對調整pH所用物質并無特別限定，通常選用的酸為鹽酸，堿為氫氧 化鈉；選用鹽酸的好處是廉價易得，而對聚合反應不會產生任何副面影響，選用堿為氫氧化 鈉的好處也是廉價易得，而對聚合反應不會產生任何副面影響，若選用其他的酸堿，特別是 有機酸或堿，則出現伴隨聚合反應會產生鏈轉移反應或交聯反應，對產品的分子量或溶解 性能產生不利影響。
[0031] 引發劑：
[0032] 在本發明中，對引發劑并無特別限定，通常選用的引發劑為過硫酸銨和亞硫酸氫 鈉。選用引發劑為過硫酸銨和亞硫酸氫鈉，因為采用水即可對其進行溶解，不需要采用其他 有機溶劑，與聚合原料的溶解溶劑可以保持一致，不會對聚合反應長生不必要的影響，有益 于引發劑的配置，選用其他引發劑，則可能造成不易配置或需要采用其他有機溶劑，對聚合 反應產生不利影響。
[0033] 過硫酸銨和亞硫酸氫鈉用量：
[0034] 在本發明中，對引發劑過硫酸銨和亞硫酸氫鈉用量并無特別限定，通常過硫酸銨 的使用量為每克反應液加入2~20微克，亞硫酸氫鈉的使用量為每克反應液加入2~20 微克；如果過硫酸銨的使用量每克反應液小于2微克，由于使用量太少，造成產品的分子量 過高和聚合反應過慢，如果過硫酸銨的使用量每克反應液大于20微克，會造成產品的分子 量過低和聚合反應過快，并無其他有益效果；亞硫酸氫鈉的使用量每克反應液小于2微克， 由于使用量太少，造成產品的分子量過高和聚合反應過慢，而亞硫酸氫鈉的使用量每克反 應液大于20微克，會造成亞硫酸氫鈉的浪費，會造成產品的分子量過低和聚合反應過快， 并無其他有益效果。
[0035] 鏈轉移劑：
[0036] 在本發明中，對鏈轉移劑并無特別限定，通常為次磷酸鈉、甲酸鈉或硫氰化鈉，選 擇次磷酸鈉、甲酸鈉或硫氰化鈉為鏈轉移劑的好處是鏈轉移性能適中，能夠與所采用的過 硫酸銨和亞硫酸氫鈉共同作用，使產品具有很好的分子量分布；若選擇其他物質，則會造成 產品的分子量分布過寬或過窄，使產品的整體性能受到影響。
[0037] 鏈轉移劑用量：
[0038] 在本發明中，對鏈轉移劑用量并無特別限定，通常鏈轉移劑的使用量為每克反應 液加入1~5微克，如果鏈