一种水溶性聚合物及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水溶性聚合物技术领域，特别是聚丙烯酰胺技术领域。
【背景技术】
[0002] 压裂液是压裂改造油气层过程中必不可少的工作液。压裂液应完成两项施工任 务：一是压开储集层，形成人工水力裂缝；二是携带支撑剂进人裂缝之中使之成为具有导 流能力的支撑裂缝。压裂液还必须具备快速破胶水化的功能，以保证压后增产的实现。压 裂液包括水基压裂液、油基压裂液、泡沫压裂液、乳化压裂液和清洁压裂液等，其中水基压 裂液具有成本低、安全性较高等优点，目前使用最为广泛。国内水基压裂液占整个压裂液体 系的90%以上。
[0003] 稠化剂是水基压裂液中最主要的添加剂，其作用是提高水的粘度，降低液体滤失， 悬浮和携带支撑剂。其发展经历了半个世纪，但是性能更好的压裂液稠化剂一直是国内外 学者研宄的方向。按稠化剂化学结构的不同水基压裂液可分以下4类：（1)天然植物胶及其 改性物压裂液，例如胍胶，羟丙基胍胶；（2)纤维素衍生物压裂液；（3)合成聚合物压裂液；
[4] VES压裂液。前两类稠化剂由于含不溶于水的物质，所形成压裂液破胶后残渣高。随着 环保意识不断增强，油气田对储层保护加强，促进了 VES清洁压裂液的研宄，但因其所需表 面活性剂用量高，成本难以降低限制其推广使用。与天然聚合物压裂液相比，合成聚合物压 裂液有增稠能力强、对细菌不敏感、冻胶稳定性好、悬砂能力强、无残渣、对地层低伤害等特 点。因此，现在合成聚合物压裂液的研宄成为国内外研宄的热点。
[0004] 合成的水溶性聚合物可以用作增稠剂、分散剂、胶粘剂等。
[0005] 中国发明专利201410667477. 5公开了一种水基压裂液增稠剂及其制备方法，其 采用丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠和4-丙烯酰吗啉共聚合成了一种水溶 性聚合物，该聚合物可以作为水基压裂液增稠剂，无水不溶物残渣，具有良好的增稠、耐温、 耐剪切作用。但该发明的聚合物在水溶液中的分散性能较差。
【发明内容】
[0006] 本发明的主要目的是提供一种水溶性聚合物及其制备方法，使其作为分散剂，具 有良好的分散性能。
[0007] 本发明的目的是这样实现的，一种水溶性聚合物，为由60~64. 9质量％的丙烯酰 胺、35~39质量％的2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠及0. 1~I. 0质量％的4-丙烯 酰吗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优选为3000000~22000000 ;所述水溶性 聚合物的粘均分子量更优选为5500000~8500000 ;所述水溶性聚合物的粘均分子量再次 优选为 6000000 ~7000000。
[0009] 本发明还提供了一种水溶性聚合物的制备方法，其是上述水溶性聚合物的制备方 法，其中包括如下步骤：
[0010] 首先，将60~64. 9质量％的丙烯酰胺、35~39质量％的2-丙烯酰胺基-2-甲 基-1-丙磺酸钠和〇. 1~1.0质量％的4-丙烯酰吗啉加入到去离子水中，使这三种物质的 总质量浓度在23~35质量％ ;
[0011] 其次，用碱或酸将溶液的pH调整至6~12 ;
[0012] 最后，加入聚合引发剂和链转移剂引发聚合反应，聚合体系温度达到最高点后保 持1~2小时，制得水溶性聚合物。
[0013] 作为本发明一种水溶性聚合物的制备方法的一个优选方案，还需要进一步对所述 水溶性聚合物进行干燥和研磨处理，以获得所需要聚合物产品。
[0014] 其中，所述碱优选为氢氧化钠，酸优选为盐酸。
[0015] 所述引发剂优选为过硫酸铵和亚硫酸氢钠。
[0016] 所述过硫酸铵的使用量优选为每克反应液加入2~20微克，亚硫酸氢钠的使用量 优选为每克反应液加入2~20微克。
[0017] 所述链转移剂优选为次磷酸钠、甲酸钠或硫氰化钠。
[0018] 所述链转移剂的使用量优选为每克反应液加入1~5微克，可以通过调整引发剂 和链转移剂的加入量来控制聚合物的粘均分子量。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：由于作为本发明的水溶性聚合物 分子链上具有的2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠的长链基团和磺酸基团及4-丙烯酰 吗啉的环状基团具有耐高温和耐剪切的作用，因此，本水溶性聚合物在高温和高速剪切下， 仍然具有良好的分散性能，与含有8~12质量％的4-丙烯酰吗啉的聚合物产品相比，在相 同条件下本发明的分散性能提高20%以上。
【具体实施方式】
[0020] 以下对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施 例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。
[0021] 原料用量：
[0022] 在本发明中，对原料用量，通常是将60~64. 9质量％的丙烯酰胺、35~39质量％ 的2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠和0. 1~I. 0质量％的4-丙烯酰吗啉加入到去离 子水中，使这三种物质的总质量浓度在23~35质量％。
[0023] 丙烯酰胺的用量如果低于60质量％，则产品的分子量低，而高于64. 9质量％，则 产品的分子量高，影响产品在分散剂领域的使用；2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸钠的 用量低于35质量％，则产品的耐温性能、耐剪切及分散性能会降低，而高于39质量％，会造 成原料的浪费，产物不纯，对产物分子量分布有影响，并无其他有益效果；4-丙烯酰吗啉的 用量低于〇. 1质量％，则产品的耐盐和耐剪切性能会降低，高于1.0质量％，不仅会造成原 料的浪费，分散性能会下降，并无其他有益效果；上述三种物质的总质量浓度在23~35质 量％，如果上述三种物质的总质量浓度低于23质量％，则聚合后形成的胶体粘度大，不利 于后继的切割和干燥处理，而上述三种物质的总质量浓度高于35质量％，则聚合反应温度 增长过快，对分子量控制的难度会加大。
[0024] 溶液的pH调整：
[0025] 在本发明中，对溶液的pH调整并无特别限定，通常是用碱或酸将溶液的pH调整至 6~12,如果溶液的pH小于6,则造成体系酸度过强，影响聚合反应过快，不利于对产品的分 子量进行控制，而体系PH大于12,则反应引发难度增大，可能造成聚合反应无法进行。
[0026] 聚合时间：
[0027] 在本发明中，对聚合时间并无特别限定，通常是加入聚合引发剂和链转移剂引发 聚合反应，聚合体系温度达到最高点后保持1~2小时，制得水溶性聚合物，如果小于lh，造 成聚合时间不足，参与反应的原料的参与量会增加，原料的转化率会降低，而聚合时间大于 2小时，则聚合时间过长，造成没必要的时间浪费，使生产设备的使用率降低，从而降低装置 的生产效率，增减装置的能源消耗。
[0028] 本发明中，还可以进一步对制得的水溶性聚合物进行干燥和研磨处理，以获得所 需要的增稠剂产品。
[0029] 调整溶液pH所用物质：
[0030] 在本发明中，对调整pH所用物质并无特别限定，通常选用的酸为盐酸，碱为氢氧 化钠；选用盐酸的好处是廉价易得，而对聚合反应不会产生任何副面影响，选用碱为氢氧化 钠的好处也是廉价易得，而对聚合反应不会产生任何副面影响，若选用其他的酸碱，特别是 有机酸或碱，则出现伴随聚合反应会产生链转移反应或交联反应，对产品的分子量或溶解 性能产生不利影响。
[0031] 引发剂：
[0032] 在本发明中，对引发剂并无特别限定，通常选用的引发剂为过硫酸铵和亚硫酸氢 钠。选用引发剂为过硫酸铵和亚硫酸氢钠，因为采用水即可对其进行溶解，不需要采用其他 有机溶剂，与聚合原料的溶解溶剂可以保持一致，不会对聚合反应长生不必要的影响，有益 于引发剂的配置，选用其他引发剂，则可能造成不易配置或需要采用其他有机溶剂，对聚合 反应产生不利影响。
[0033] 过硫酸铵和亚硫酸氢钠用量：
[0034] 在本发明中，对引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠用量并无特别限定，通常过硫酸铵 的使用量为每克反应液加入2~20微克，亚硫酸氢钠的使用量为每克反应液加入2~20 微克；如果过硫酸铵的使用量每克反应液小于2微克，由于使用量太少，造成产品的分子量 过高和聚合反应过慢，如果过硫酸铵的使用量每克反应液大于20微克，会造成产品的分子 量过低和聚合反应过快，并无其他有益效果；亚硫酸氢钠的使用量每克反应液小于2微克， 由于使用量太少，造成产品的分子量过高和聚合反应过慢，而亚硫酸氢钠的使用量每克反 应液大于20微克，会造成亚硫酸氢钠的浪费，会造成产品的分子量过低和聚合反应过快， 并无其他有益效果。
[0035] 链转移剂：
[0036] 在本发明中，对链转移剂并无特别限定，通常为次磷酸钠、甲酸钠或硫氰化钠，选 择次磷酸钠、甲酸钠或硫氰化钠为链转移剂的好处是链转移性能适中，能够与所采用的过 硫酸铵和亚硫酸氢钠共同作用，使产品具有很好的分子量分布；若选择其他物质，则会造成 产品的分子量分布过宽或过窄，使产品的整体性能受到影响。
[0037] 链转移剂用量：
[0038] 在本发明中，对链转移剂用量并无特别限定，通常链转移剂的使用量为每克反应 液加入1~5微克，如果链