疏水基團(tuán)對(duì)頁巖抑制劑性能的影響

李菁熠

【摘要】在催化劑及少量膠體穩(wěn)定劑的作用下，以丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）為主要原料，通過無皂乳液聚合制備了一系列的P（AM/DMC/MMA）乳液。通過激光顆粒粒度分析儀（DLS） 、熱失重分析（TGA）分析了不同MMA用量對(duì)乳液粒徑和膠膜熱穩(wěn)定性的影響。研究了不同MMA含量對(duì)頁巖回收率和膨脹率的影響。研究結(jié)果表明：隨MMA的增加乳液粒徑先減小后增大，乳膠膜分解溫度略微降低，頁巖回收率達(dá)15.1%，膨脹率達(dá)13.68%。

【關(guān)鍵詞】頁巖抑制劑 流變性 丙烯酰胺 水基鉆井液

銨（胺）類聚合物作為頁巖抑制劑具有許多優(yōu)良的性能，其以水為分散介質(zhì)，帶有部分陽電荷，對(duì)環(huán)境和人身危害小[1]。用來抑制頁巖水化膨脹、改善鉆井液性能已有很長的歷史[2]。人們對(duì)水基鉆井液用頁巖抑制劑不僅要求該產(chǎn)品對(duì)環(huán)境友好，其次產(chǎn)品具有良好的成膜性，流變性及較好的施工性[3-5]。由于高分子材料對(duì)環(huán)境友好，而聚合物乳液膠束粒徑對(duì)它的成膜性能和對(duì)泥頁巖吸附性等有很大的影響，其流變性施工性能亦有重要的影響。本實(shí)驗(yàn)研究疏水基團(tuán)對(duì)頁巖抑制劑性能的影響有重要意義。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原料及試劑

丙烯酰胺（AM）：分析純，天津福晨化學(xué)試劑廠，用氯仿重結(jié)晶后置于冰箱中冷藏，備用；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）：化學(xué)純，無錫新宇化工有限公司；甲基丙烯酸甲酯（MMA），分析純，過硫酸鉀（KPS）：分析純，臨沂市天科工貿(mào)有限公司；實(shí)驗(yàn)用水：去離子水等。

1.2 頁巖抑制劑的合成

將裝有攪拌器、溫度計(jì)的三頸燒瓶置于恒溫水浴槽中，加入一定量的去離子水、AM、DMC、MMA，攪拌并使之溶解，在70℃恒溫下將引發(fā)劑全部加入，反應(yīng)3h，得到固含量15%的粘稠略泛白乳液，即為頁巖抑制劑。

2結(jié)果討論

為便于以下討論特編制下表：

表1 不同含量MMA的P（AM/DMC/MMA）乳液

Designation A B C D E F

W（MMA）（%） 0 6.7 8.2 9.7 11.1 12.1

2.1 MMA用量對(duì)熱穩(wěn)定性能的影響

在溫度較低（小于180℃）時(shí)，A和D的失重率都較小，為8.7%，可能是高分子中小分子和局部高分子鏈的斷裂導(dǎo)致。隨著MMA用量的增加，乳膠膜的熱穩(wěn)定性下降，且存在兩個(gè)放熱吸收峰，并隨著MMA的引入放熱峰增大。第一個(gè)放熱峰在260℃左右，第二個(gè)放熱峰在360℃附近。D的最大失重速率溫度略微降低，失重速率稍微升高。這是由于引入MMA后使聚合物分子鏈間的氫鍵作用力減弱，分子鏈之間容易滑動(dòng)，進(jìn)而膠膜的熱穩(wěn)定性略微變差。

2.2 MMA用量對(duì)乳液粒徑的影響

隨MMA用量的增加，聚合物乳液的粒徑由206.8 nm先減少至134.1nm，后增加至186.6nm，且粒徑分布亦如此變化。這是由于MMA用量的增加，聚合物中AM的用量相應(yīng)減少，聚合物分子之間的氫鍵作用降低，分子運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，有利于聚合物分子均勻分散在水中，使粒徑減少。但當(dāng)MMA用量增大到9%左右時(shí)，聚合物乳液粒徑增加。這是由于MMA作為疏水單體，其用量的增加會(huì)使得體系中的原始增溶膠束數(shù)目減少，增大了乳膠粒粒徑。同時(shí)，乳膠粒在生長過程中由于粒徑不斷增大，膠粒表面電荷密度降低而不穩(wěn)定，使粒子在增長的同時(shí)容易發(fā)生凝聚，從而導(dǎo)致膠粒數(shù)下降，粒徑變得更大。

2.3 MMA用量對(duì)頁巖回收率及膨脹率的影響

隨MMA用量的增加，頁巖回收率先增加后減少，膨脹率線下降后升高。這是因?yàn)镸MA作為疏水單體，其用量的增加時(shí)聚合物分子的疏水性增加，可以有效地減緩泥頁巖的水化作用，使水分子難以進(jìn)入泥頁巖的內(nèi)部，故頁巖回收率升高，膨脹率下降。但當(dāng)MMA增大到一定程度時(shí)，乳液粒徑增大，乳膠粒分散性不好，導(dǎo)致成膜性和滲透性變差，使聚合物分子在泥頁巖上的吸附能力降低，從而使頁巖回收率降低，膨脹率升高。

3小結(jié)

（1）隨著MMA含量的增加，膠膜的熱力學(xué)性能膠膜熱穩(wěn)定性略微下降，粒徑先減小后增大。

（2）頁巖回收率達(dá)15.1%，膨脹率達(dá)13.68%。

【參考文獻(xiàn)】

[1] Yuanzhi Qu， Xiaoqing Lai， Laifang Zou， Yi'nao Su. Polyoxyalkyleneamine as shale inhibitor in water-based drilling fluids[J]. Applied Clay Science， 2009 （44） ：265–268.

[2]Arvind D.Patel， Emanuel Stamatakis. SHALE HYDRATION INHIBITION AGENT AND METHOD OF USE[P]. United States Patent： US7312183B2， Dec 25，2007.

[3]Arvind D.Patel.LOW TOXICITY SHALE HYDRATION INHIBITION AGENT AND METHOD OF USE[P]. United States Patent： US7939473B2， May 10，2011.

[4]Simon Neil Duncum， Christopher Alan Sawdon. WELLBORE FLUID COMPRISING AT LEAST ONE POLYMER CONTAINING PENDANT ALKYL GROUPS[P]. United States Patent：US7943554B2，May 17，2011.

[5]Harry Dearing， Jay Simpson， Doug Huddle， Steve Daniel. Flexible Drilling Fluid Formulation and Application[R]. Houston， Texas： Houston Chapter of the American Association of Drilling Engineers，2004.