黃原膠／AMPS／膨潤土制備油田堵水劑的研究

李 輝， 李宇劍

（1.渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125000；2.大連理工大學(xué)，遼寧大連116024）

黃原膠是一種由假黃單胞菌屬發(fā)酵產(chǎn)生的單孢多糖，黃原膠本身具極強的親水性，在水中能快速溶解，其溶液粘度不隨溫度的變化而發(fā)生變化，對熱具有較強的穩(wěn)定性，在pH為5～10時，溶液相當(dāng)穩(wěn)定，具有極強的耐酸堿性［1］。由于黃原膠的耐高溫性和耐酸堿性以及其優(yōu)異的吸水性，在油田堵水劑方面有極其廣闊的應(yīng)用前景［2］。

國內(nèi)外以黃原膠和丙烯酸，黃原膠和丙烯酰胺等為原料制備吸水樹脂方法較為常見，但是以2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸、膨潤土和黃原膠三元復(fù)合制備吸水樹脂的方法較為少見［3－7］。黃原膠本身為水溶性膠，不能直接用作吸附材料，黃原膠－2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸保留了黃原膠的側(cè)鏈上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群，增加了酰胺基和磺酸基，極大的增強了產(chǎn)物的吸水能力。

本文以黃原膠為主原料，以2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸／膨潤土三元復(fù)合，采用水溶液法制備了一種具有高吸水性、耐熱性和耐鹽性的新型油田堵水劑。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

黃原膠（XG）、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸（AMPS）、膨潤土、N，N－亞甲基雙丙烯酰胺、過硫酸銨、氫氧化鈉，以上試劑均為分析純。

1.2 吸水性能測試

堵水劑的吸水倍率和保水值的測定方法見參考文獻［8］。

1.3 堵水劑的制備

在250mL四口燒瓶中加入5g黃原膠和一定質(zhì)量的2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸，并加入100mL去離子水?dāng)嚢?0min使其完全溶解，加入一定量的膨潤土攪拌均勻，然后加入交聯(lián)劑N，N－亞甲基雙丙烯酰胺，通入氮氣將燒瓶中的氧氣驅(qū)盡，加入過硫酸銨引發(fā)聚合反應(yīng)，在60℃溫度下反應(yīng)4 h，加入1.0g氫氧化鈉，調(diào)節(jié)pH至中性。待反應(yīng)結(jié)束后取出產(chǎn)物，在80℃的烘箱中真空干燥至恒重，粉碎，得粗產(chǎn)品，備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤土質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響

圖1為膨潤土質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響。

膨潤土本身是層狀的粘土物質(zhì)，具有優(yōu)良的吸水能力，雖然不能和堵水劑的吸水性能相比，但其表面存在許多化學(xué)活性點，能與樹脂插層形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。吸水樹脂一般主要通過形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而達到吸水的目的，在聚合反應(yīng)過程中，加入膨潤土可以形成微疏水的環(huán)境，因而形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更為規(guī)整，因此吸水倍率在膨潤土用量較少時明顯提高。從圖1中可以看出，當(dāng)膨潤土質(zhì)量分數(shù)超過15%時，樹脂的吸水倍率呈下降趨勢，原因是當(dāng)膨潤土質(zhì)量分數(shù)過大時，聚合物中磺酸基、酰胺基等親水基團的含量減小，致使三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外的滲透壓變小，堵水劑的吸水倍率因而下降。

Fig.1 Effect of bentonite concentration on waterabsorption capacity of water shutoff agent圖1 膨潤土質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響

2.2 AMPS質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響

圖2為AMPS質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響。

Fig.2 Effect of APMS concentration on waterabsorption capacity of water shutoff agent圖2 AMPS質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響

從圖2中可以看出，堵水劑的吸水倍率隨AMPS用增加呈先增后減趨勢，當(dāng)用量為黃原膠質(zhì)量的3%時，聚合反應(yīng)速度較慢，會引起部分自由基失去活性，不能有效形成高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，吸水倍率較低；隨著AMPS用量的增大，反應(yīng)速度提高，每個自由基引發(fā)接枝的單體數(shù)目增多，吸水倍率慢慢提高，但當(dāng)AMPS質(zhì)量分數(shù)大于3%時，很多單體聚集一起，聚合過程散熱困難，單體發(fā)生均聚反應(yīng)的幾率增加，致使產(chǎn)物吸水性降低。

2.3 交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響

圖3為交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響。從圖3中可以看出，堵水劑吸水倍率隨交聯(lián)劑的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為2%時，吸水倍率達到最大值。原因是交聯(lián)密度與堵水劑的吸水性相關(guān)，交聯(lián)劑用量太少時，聚合物不能形成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可溶成分偏多，即水溶性大，因此吸水倍率小；當(dāng)交聯(lián)劑用量太大時，聚合物所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于密集，也就是說網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的縫隙變小，因此相對應(yīng)的存貯水分的空間變小，吸水倍率也就相應(yīng)的變小，與Flory的吸水倍率與交聯(lián)密度成反比的結(jié)論相符。

Fig.3 Effect of crosslinking agent concentration on waterabsorption capacity of water shutoff agent圖3 交聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響

2.4 引發(fā)劑質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響

圖4為引發(fā)劑質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響。

Fig.4 Effect of initiator concentration on waterabsorption capacity of water shutoff agent圖4 引發(fā)劑質(zhì)量分數(shù)對堵水劑吸水性能的影響

從圖4中可以看出，堵水劑的吸水倍率在引發(fā)劑質(zhì)量分數(shù)小于2.5%時，隨其用量的增加而變大，但是當(dāng)引發(fā)劑質(zhì)量分數(shù)超過2.5%時，吸水倍率反而開始降低。引發(fā)劑的用量在聚合反應(yīng)中能夠影響聚合反應(yīng)速率，引發(fā)劑用量太少，聚合反應(yīng)速率慢，隨著引發(fā)劑用量的增大，聚合體系自由基增多，聚合反應(yīng)速率變快，因此吸水倍率增加；但是當(dāng)引發(fā)劑質(zhì)量分數(shù)過大時，雖然聚合反應(yīng)速率很快，但是均聚反應(yīng)和偶合終止反應(yīng)慢慢增加，產(chǎn)生了大量吸水性差的均聚物，從而導(dǎo)致吸水能力的下降。

2.5 堵水劑的穩(wěn)定性研究

2.5.1 環(huán)境溫度對堵水劑吸水性能的影響 圖5為不同溫度下堵水劑的吸水倍率。

從圖5中可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，堵水劑的吸水倍率逐漸下降，這是由于堵水劑在達到飽和吸水狀態(tài)后，分子間的作用力減弱，部分分子鍵斷裂，堵水劑中能溶解性部分增加，因此吸水倍率降低，但在80℃的高溫下仍保持著1590g／g的吸水倍率。

Fig.5 Waterabsorbency of the water shutoff agent at different temperature圖5 不同溫度下堵水劑的吸水倍率

2.5.2 堵水劑的保水性能 圖6為不同溫度12h后吸水樹脂的保水率。

Fig.6 Water retaining rate of the water shutoff agent at diferentem temperatures after 12 h圖6 不同溫度12h后吸水樹脂的保水率

從圖6中可以看出，隨著環(huán)境溫度的升高，堵水劑的保水性能不斷下降，在80℃，12h后仍能保水20%以上，說明具有良好的熱穩(wěn)定性。

2.6 堵水劑的耐鹽性測試

圖7為不同質(zhì)量分數(shù)的NaCl溶液對堵水劑吸水性能的影響。從圖7中可以看出，雖然堵水劑的吸水性能為其主要指標(biāo)，但其耐鹽性太差也不能發(fā)揮其應(yīng)有作用，在相同環(huán)境下，堵水劑吸去離子水的能力為1 677g／g，但是其吸收質(zhì)量分數(shù)為0.9% NaCl溶液的能力僅為165g／g，而且隨著NaCl溶液質(zhì)量分數(shù)的提高，其吸鹽水的能力逐漸下降。主要原因為外界電解質(zhì)溶液會減小堵水劑分子網(wǎng)絡(luò)與電解質(zhì)溶液之間的滲透壓，導(dǎo)致吸鹽水倍率降低。但在質(zhì)量分數(shù)為5%的NaCl溶液中，其吸鹽水的倍率仍在100g／g以上，說明其具有良好的耐鹽性。

Fig.7 Effect of NaCl concentration on waterabsorption capacity of water shutoff agent圖7 不同質(zhì)量分數(shù)NaCl溶液對堵水劑吸水性能的影響

3 結(jié)束語

（1）以水溶液法制備了一種新型黃原膠／2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸／膨潤土三元復(fù)合油田堵水劑，在20℃下其吸去離子水的倍率達到1 677g／g；（2）制備的堵水劑具有良好的熱穩(wěn)定性，在80℃的高溫下仍保持著1 590g／g的吸水倍率，12h后仍能保水20%以上；

（3）制備的堵水劑具有良好的耐鹽性，20℃下吸收質(zhì)量分數(shù)為0.9%NaCl溶液的能力為165g／g。

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