網(wǎng)狀交聯(lián)聚陽(yáng)離子型黏土膨脹抑制劑及其作用機(jī)理

李麗麗，張 潔，陳 剛，呂陽(yáng)偉，趙景瑞，唐德堯

(1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安長(zhǎng)慶科技工程有限公司，陜西 西安 710018；3.陜西延長(zhǎng)石油油田化學(xué)科技有限公司，陜西 延安 717400)

網(wǎng)狀交聯(lián)聚陽(yáng)離子型黏土膨脹抑制劑及其作用機(jī)理

李麗麗1，張 潔1，陳 剛1，呂陽(yáng)偉2，趙景瑞3，唐德堯3

(1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安長(zhǎng)慶科技工程有限公司，陜西 西安 710018；3.陜西延長(zhǎng)石油油田化學(xué)科技有限公司，陜西 延安 717400)

以二甲胺、環(huán)氧氯丙烷為原料，加入交聯(lián)劑，合成網(wǎng)狀交聯(lián)型聚陽(yáng)離子化合物黏土膨脹抑制劑，以膨潤(rùn)土的線性膨脹率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化抑制劑的合成條件，篩選出對(duì)膨潤(rùn)土具有較好抑制性能的抑制劑。采用防膨?qū)嶒?yàn)、泥球?qū)嶒?yàn)、鉆井液性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)等，綜合評(píng)價(jià)所篩選出的抑制劑DEM-8對(duì)黏土穩(wěn)定性能的影響。防膨?qū)嶒?yàn)顯示0.8%DEM-8防膨率高達(dá)92.3%，泥球?qū)嶒?yàn)與鉆井液性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明該聚陽(yáng)離子化合物有較強(qiáng)的抗黏土水化膨脹功能，并且能提高改性淀粉的抗溫性。采用離子交換實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡(SEM)、熱重分析(TGA)及X-射線衍射(XRD)等手段深入探討了所合成黏土膨脹抑制劑的作用機(jī)理。研究表明，該聚陽(yáng)離子型化合物與黏土中的可交換陽(yáng)離子迅速發(fā)生交換，通過靜電引力吸附于黏土表面和層間，進(jìn)一步通過氫鍵作用、錨固作用以及疏水作用等實(shí)現(xiàn)對(duì)黏土的束縛，從而有效抑制黏土的水化分散膨脹。

黏土穩(wěn)定 聚陽(yáng)離子化合物 交聯(lián)劑 水化膨脹 抑制機(jī)理

油田生產(chǎn)中泥頁(yè)巖井壁的穩(wěn)定性是影響鉆井技術(shù)發(fā)展的重大問題之一，而泥頁(yè)巖親水，其水化及水潤(rùn)作用則是影響井壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵性因素。泥頁(yè)巖指以黏土礦物為主的固結(jié)程度較高的沉積巖，一般黏土中的蒙脫石和伊蒙混層黏土是引起水化膨脹乃至分散的主要起因[1]。聚胺類化合物可提供多個(gè)陽(yáng)離子吸附點(diǎn)，能長(zhǎng)久穩(wěn)定頁(yè)巖，對(duì)抑制黏土的水化分散起著重要作用，且具有分子量較低及對(duì)環(huán)境污染程度小等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，在泥頁(yè)巖中能夠通過其分子鏈中胺基特有的離子交換和吸附作用使其很好地鑲嵌于黏土層間，或通過橋連作用等使黏土層緊密結(jié)合在一起，封堵其他離子或水分子的進(jìn)入，降低黏土吸收水分的趨勢(shì)，有效防止了黏土的水化分散和膨脹，保持地層和鉆井液的穩(wěn)定性[4-5]。同時(shí)聚胺類抑制劑可通過調(diào)整取代基或引入新官能團(tuán)來(lái)優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，在性能上具有較大的提升空間，同時(shí)兼顧了成本與環(huán)保性能，且屬于一種多功能性油田工作液添加劑，是一類很有發(fā)展前景的黏土穩(wěn)定劑[6]。由二甲胺和環(huán)氧氯丙烷制備的鏈狀聚陽(yáng)離子化合物前人已經(jīng)有較多研究，本文研究了以二甲胺和環(huán)氧氯丙烷為主劑，加入交聯(lián)劑合成的交聯(lián)型聚陽(yáng)離子化合物對(duì)黏土水化的抑制作用，并對(duì)比評(píng)價(jià)所篩選出的抑制劑在水基鉆井液中的作用效能，為進(jìn)一步研究新型胺類頁(yè)巖抑制劑提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

環(huán)氧氯丙烷(AR，天津市天力化學(xué)試劑有限公司)、33%二甲胺水溶液(AR，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)、無(wú)水碳酸鈉(AR，天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑廠)、氯化鉀(AR，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠)、鈣膨潤(rùn)土(西安永久化工有限公司)、鈉膨潤(rùn)土(青銅峽市長(zhǎng)慶膨潤(rùn)土責(zé)任有限公司)、改性淀粉均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。SC-03低速離心機(jī)(安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司)；TGA/DSC1熱重分析儀(梅特勒-托利多有限公司)，X-射線衍射儀(D8 Advance Bruker)，Nicolet 5700傅里葉紅外光譜儀(美國(guó)熱電有限公司)，JSM-6390A型掃描電子顯微鏡(捷歐路科貿(mào)有限公司)，NP-01型常溫常壓膨脹率測(cè)定儀、GJSS-B12K變頻高速攪拌機(jī)、ZNN-D6S型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)及BGRL-5滾子加熱爐均由青島海通達(dá)專用儀器廠生產(chǎn)。

1.2 抑制劑的合成

在反應(yīng)釜中按摩爾比1∶1加入二甲胺和環(huán)氧氯丙烷，再加入一定量的交聯(lián)劑，水作為溶劑，反應(yīng)4 h，冷卻至室溫即得到聚陽(yáng)離子型黏土穩(wěn)定劑溶液，試劑的加入順序依次為二甲胺、蒸餾水、環(huán)氧氯丙烷和交聯(lián)劑。

1.3 膨潤(rùn)土的線性膨脹率

參照中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T6335-1997《鉆井液用頁(yè)巖抑制劑評(píng)價(jià)方法》評(píng)價(jià)頁(yè)巖抑制劑對(duì)膨潤(rùn)土線性膨脹率的影響，膨潤(rùn)土線性膨脹率的計(jì)算公式如下所示[7]：

(1)

式中：Sr為膨潤(rùn)土的線性膨脹率；R0為膨潤(rùn)土的膨脹量，mm；ΔL為巖心高度，mm。

1.4 防膨?qū)嶒?yàn)

參照中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5971-1994《注水用黏土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》評(píng)價(jià)合成黏土穩(wěn)定劑的防膨性能[8]。具體實(shí)驗(yàn)方法：將黏土穩(wěn)定劑配成溶液，稱取0.5 g膨潤(rùn)土，裝入10 mL離心管中，加入10 mL不同濃度的黏土穩(wěn)定劑溶液，充分搖勻，在室溫下靜置2 h，裝入離心機(jī)內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min下離心分離15 min，讀出膨潤(rùn)土膨脹后的體積V1。分別用10 mL水和煤油取代黏土穩(wěn)定劑溶液，測(cè)定膨潤(rùn)土在水和煤油中的膨脹體積V2和V0，按公式(2)計(jì)算防膨率[8-9]。

(2)

式中：B1為防膨率；V1為膨潤(rùn)土在不同濃度黏土穩(wěn)定劑溶液中的膨脹體積；V2為膨潤(rùn)土在水中的膨脹體積；V0為膨潤(rùn)土在煤油中的膨脹體積。

1.5 泥球?qū)嶒?yàn)

室溫下將鈉基膨潤(rùn)土與自來(lái)水按質(zhì)量比2∶1混合均勻后團(tuán)成約10 g/個(gè)的泥球，分別放入等體積不同種類的抑制劑水溶液或自來(lái)水中浸泡12 h以上，觀察并記錄泥球的外觀變化[10-11]。

1.6 鉆井液的性能評(píng)價(jià)

向大燒杯中加入一定量的清水，邊攪拌邊依次加入0.2%無(wú)水碳酸鈉和4.0%鈣基膨潤(rùn)土，繼續(xù)攪拌2 h，密封陳化24 h備用。向上述陳化后的基漿中分別加入一定量的處理劑，高攪20 min混合均勻后密封，繼續(xù)陳化16 h后，高速攪拌20 min，測(cè)試處理漿的表觀黏度(AV)、塑性黏度(PV)、動(dòng)切力(YP)、動(dòng)塑比(YP/PV)、7.5 min濾失量(FL)以及摩阻系數(shù)(tg)等性能參數(shù)[11-14]。

1.7 膨潤(rùn)土物性評(píng)價(jià)

取自制黏土樣3～10 mg放入氧化鋁坩堝中，置于TGA/DSC1熱重分析儀內(nèi)，設(shè)定N2氣流速為10 mL/min、升溫速率為20 ℃/min，記錄25～600 ℃之間樣品的TG曲線。采用德國(guó)Bruker公司D8 Advance型X射線衍射儀進(jìn)行XRD分析，Cu靶，陶瓷X光管，管電流40 mA，管電壓40 kV，步長(zhǎng)為0.02°，掃描范圍為5°～80°(2θ)。采用Nicolet 5700型傅里葉紅外光譜儀采用壓片法分析固體樣品[15-16]。將固體樣品與KBr按質(zhì)量比1∶100混合研磨成細(xì)粉，置于壓片模具內(nèi)，在減壓下壓成透明的薄片，置于樣品架上測(cè)試。采用LS 13320激光衍射粒度分析儀利用光散原理，根據(jù)粒徑對(duì)光的散射角度來(lái)決定粒徑的大小，測(cè)定懸浮在液體中的顆粒粒度分布，測(cè)量范圍0.04～2 000 μm，采用5 Mw、750 nm的固體半導(dǎo)體激光器作為主光源，12 W、450，600，900 nm為輔助光源，預(yù)熱5 min，泵速設(shè)定為48%，平均測(cè)樣時(shí)間為8～10 min。

2 結(jié)果與討論

抑制劑合成溫度、交聯(lián)劑用量以及抑制劑濃度對(duì)其抑制效果均有不同程度影響[12]，實(shí)驗(yàn)以膨潤(rùn)土的線性膨脹率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化抑制劑合成條件，進(jìn)而對(duì)篩選出效果較好的抑制劑進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)、防膨?qū)嶒?yàn)、泥球?qū)嶒?yàn)及鉆井液性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，并通過掃描電鏡、熱重分析及X射線衍射等實(shí)驗(yàn)分析手段對(duì)該聚陽(yáng)離子型黏土抑制劑的強(qiáng)抑制作用機(jī)理進(jìn)行了探究。

2.1 交聯(lián)型聚陽(yáng)離子的合成與抑制性評(píng)價(jià)

2.1.1 交聯(lián)劑用量及溫度的篩選

分別考察交聯(lián)劑用量、合成溫度對(duì)抑制劑性能的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 聚陽(yáng)離子型抑制劑合成條件篩選

由表1可知，合成抑制劑的最優(yōu)條件是90 ℃，交聯(lián)劑用量為0.1%，即DEM-8對(duì)黏土水化膨脹的抑制效果最佳，90 min時(shí)黏土的線性膨脹率為56.07%。原因可能是少量的交聯(lián)劑有利于聚合物形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)覆蓋或吸附于黏土片層間抑制黏土水化，抑制效果較強(qiáng)，但交聯(lián)劑用量過大時(shí)可能導(dǎo)致過度交聯(lián)，不利于聚合物在黏土表面的鋪展，過小又不能形成穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無(wú)法有效抑制黏土的水化膨脹。且升高溫度有利于胺化反應(yīng)，但是溫度過高會(huì)使產(chǎn)物的特性粘數(shù)減小，陽(yáng)離子度也減小，抑制作用降低，而在低溫下反應(yīng)生成的有效產(chǎn)物量相對(duì)較少，其抑制效果不佳[9，17]。故后續(xù)抑制劑的評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)均使用90 ℃下、交聯(lián)劑用量為0.1%合成的聚陽(yáng)離子化合物。

2.1.2 抑制劑濃度對(duì)抑制性的影響

考察優(yōu)化條件下合成的抑制劑濃度對(duì)其抑制性的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，黏土線性膨脹率隨著抑制劑濃度的增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，即0.5%DEM-8溶液對(duì)黏土水化膨脹的抑制效果較佳，90 min時(shí)黏土的線性膨脹率為56.07%。其原因可能是隨著抑制劑濃度的增大，聚胺分子上的疏水部分覆蓋在蒙脫土表面，減少表面親水性，滯緩水分子向黏土晶層中滲透，從而有效抑制其水化膨脹，但抑制劑濃度過大，束縛達(dá)到極限，過多的聚胺分子在蒙脫土表面起作用，其高分子鏈會(huì)在顆粒間起到橋連的作用，表現(xiàn)出一定的聚結(jié)傾向，致使抑制效果有所降低[18]。因此，抑制劑濃度以0.5%為宜。

圖1 抑制劑濃度對(duì)膨潤(rùn)土膨脹率的影響

圖2 DEM-8與傳統(tǒng)抑制劑的配伍性結(jié)果

2.1.3 配伍性實(shí)驗(yàn)

考察了DEM-8分別與1.0%KCl及1.0%改性淀粉復(fù)配后對(duì)膨潤(rùn)土線性膨脹率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，相同條件下0.5%DEM-8與1.0%改性淀粉復(fù)配后抑制效果較單獨(dú)使用DEM-8明顯增強(qiáng)，而與1%KCl配伍后抑制效果較單獨(dú)使用DEM-8略減弱。原因可能是淀粉鏈端的羥基與聚陽(yáng)離子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)交替，強(qiáng)化了在黏土表面形成的吸附膜，黏土表面的憎水性增強(qiáng)，有效抑制水分向黏土內(nèi)部滲透，大大增強(qiáng)了其抑制黏土水化膨脹的能力[18]，而KCl與黏土的作用主要靠陽(yáng)離子交換，K+與聚胺陽(yáng)離子交換填充于黏土層間，但兩者電性相同，無(wú)協(xié)同作用，因此效果差于聚胺陽(yáng)離子。

2.2 防膨?qū)嶒?yàn)

采用離心法，通過測(cè)定膨潤(rùn)土在不同濃度黏土穩(wěn)定劑溶液中的體積膨脹量，評(píng)價(jià)合成產(chǎn)物對(duì)膨潤(rùn)土的防膨效果，結(jié)果如圖3所示。

圖3 DEM-8濃度對(duì)防膨率的影響

由圖3可知，聚胺抑制劑對(duì)黏土的防膨率隨著抑制劑濃度的增大，呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，與黏土線性膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，其中0.8%DEM-8的防膨率高達(dá)92.3%。

2.3 泥球?qū)嶒?yàn)

室溫下將鈉基膨潤(rùn)土與自來(lái)水按質(zhì)量比2∶1混合均勻后團(tuán)成約10 g/個(gè)的泥球，分別放入80 mL不同抑制劑水溶液中浸泡12 h，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，1.0%KCl浸泡液中的泥球表面依然完好，而自來(lái)水中的泥球已散開。0.5%DEM-8處理劑中的泥球表面則出現(xiàn)了裂縫，并未明顯水化膨脹而坍塌，說明聚陽(yáng)離子型抑制劑對(duì)黏土水化膨脹有一定的抑制作用。而0.5%DEM-8與1.0%KCl復(fù)配溶液中的泥球也出現(xiàn)了裂紋，但沒有0.5%DEM-8溶液中的深而寬，這是因?yàn)镵+與聚胺陽(yáng)離子交換填充于黏土層間，減弱了聚陽(yáng)離子的交換能力。

a.自來(lái)水; b.0.5%DEM-8溶液; c.1.0%KCl溶液; d.0.5%DEM-8+1.0%KCl溶液

圖4 12 h后泥球在不同抑制劑溶液中浸泡的外觀

2.4 鉆井液性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.4.1 鉆井液抑制性能評(píng)價(jià)

向基漿中加入0.01%DEM-8，并進(jìn)行與改性淀粉的配伍性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。與空白漿相比加入DEM-8或者改性淀粉的處理漿，其膨脹率降低；DEM-8與改性淀粉復(fù)配后其抑制效果明顯增強(qiáng)，由此可見聚陽(yáng)離子型黏土膨脹抑制劑與常規(guī)鉆井液添加劑有良好的配伍性。

表2 添加劑對(duì)鉆井液抑制性的影響

2.4.2 鉆井液流變性能評(píng)價(jià)

向基漿中加入DEM-8，并進(jìn)行與改性淀粉的配伍性實(shí)驗(yàn)，對(duì)比考察不同溫度下鉆井液流變性能，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。由表3可知，室溫下與空白漿相比加入DEM-8后鉆井液的表觀黏度，塑性黏度均有所下降，而濾失量則明顯增大，主要是聚胺陽(yáng)離子化合物絮凝作用的體現(xiàn)[19]。將DEM-8與改性淀粉復(fù)配后黏度明顯增加，濾失量下降。120 ℃下與基漿相比加入DEM-8的處理漿黏度較基漿略有降低，動(dòng)切力和濾失量明顯增大，是高溫絮凝效果的體現(xiàn)[20]，而將DEM-8與改性淀粉復(fù)配后漿液黏度較改性淀粉處理漿有所降低，濾失量較單獨(dú)添加DEM-8和改性淀粉的基漿明顯下降，150 ℃條件下實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本與120 ℃實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。需要注意的是單獨(dú)使用改性淀粉時(shí)處理漿在150 ℃下濾失量已經(jīng)超過基漿，即失去降濾失作用，是因?yàn)楦邷厥沟矸鄯纸饣蛘咦冃裕藭r(shí)處理漿已呈深褐色；而加入DEM-8與改性淀粉復(fù)配后漿液的濾失量降低近一半，說明了DEM-8能有效提高改性淀粉的抗溫性。

表3 鉆井液流變性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.5 抑制性作用機(jī)理

2.5.1 離子交換性能

為探索DEM-8的抑制機(jī)理，將一定量的膨潤(rùn)土分別浸泡在1.0%KCl溶液、0.5%DEM-8溶液中，攪拌，隔一定時(shí)間取出混合液，過濾，用EDTA絡(luò)合法測(cè)定濾液中Ca2+濃度，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，溶液中交換出來(lái)的Ca2+濃度不斷增加，DEM-8與Ca2+的交換速度遠(yuǎn)大于K+，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了聚陽(yáng)離子可通過離子交換與黏土作用，進(jìn)而抑制黏土水化分散。

圖5 不同溶液鈣離子交換量隨時(shí)間的變化

2.5.2 熱重分析

對(duì)分別在自來(lái)水及0.5%DEM-8溶液中浸泡24 h的黏土在相同條件下過濾、干燥后，以未水化黏土為對(duì)照分別進(jìn)行熱重分析(TGA)，結(jié)果見圖6。由圖6可知，隨著溫度的升高，黏土顆粒有一定失重[21-22]。當(dāng)溫度從25 ℃升高到300 ℃時(shí)，在自來(lái)水中浸泡后的黏土顆粒失重率為6.25%，而在0.5%DEM-8溶液中浸泡后的黏土顆粒失重率為3.72%，即在抑制劑溶液中浸泡的黏土顆粒失重比在自來(lái)水中的少，說明0.5%DEM-8能有效滯緩水分子向黏土中的滲透作用，抑制膨潤(rùn)土的水化分散。

圖6 黏土顆粒熱失重曲線

2.5.3 黏土顆粒微觀形態(tài)分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)在0.5%DEM-8溶液及自來(lái)水中浸泡的黏土顆粒微觀形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，與水化膨潤(rùn)土相比，加入0.5%DEM-8后，黏土顆粒尺寸明顯增大，表明聚陽(yáng)離子化合物進(jìn)入黏土層間，高分子鏈會(huì)在顆粒間起到橋連作用，表現(xiàn)出一定的聚結(jié)傾向，另一方面又可通過靜電吸附及氫鍵作用等方式包裹并束縛已經(jīng)水化分散的黏土片層，保持黏土顆粒的結(jié)構(gòu)[23-24]。

圖7 抑制劑處理前后黏土的微觀形態(tài)

2.5.4 黏土顆粒粒度分析

分別在膨潤(rùn)土水化前后加入0.5%DEM-8，利用激光衍射粒度分析法測(cè)定不同作用方式下黏土的粒徑分布，評(píng)價(jià)抑制劑對(duì)黏土水化分散程度的影響，黏土粒徑分布曲線如圖8所示，粒徑中值及平均值如表4所示。由圖8及表4綜合可知，未添加處理劑時(shí)黏土水化分散后，黏土的平均粒徑由47.03 μm降為12.15 μm。在黏土顆粒水化前后分別加入0.5%DEM-8，黏土顆粒的平均粒徑較對(duì)照樣均有增大，且在水化前添加抑制劑，被浸泡16 h后黏土顆粒較未水化的黏土顆粒略小，充分證實(shí)了DEM-8對(duì)黏土水化分散的抑制作用。

圖8 不同漿液中的黏土顆粒粒徑分布

2.5.5 黏土顆粒XRD分析

采用XRD分析經(jīng)水和0.5%DEM-8溶液浸泡后膨潤(rùn)土物相結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖9所示。與吸水附膨潤(rùn)土XRD相比，0.5%DEM-8溶液中膨潤(rùn)土顆粒的XRD衍射峰相似，并未出現(xiàn)新衍射峰，即黏土的物相組成沒有發(fā)生改變，沒有出現(xiàn)新的物種；經(jīng)0.5%DEM-8浸泡后黏土顆粒的XRD衍射峰強(qiáng)度明顯強(qiáng)于對(duì)照樣品，即黏土顆粒的分散性弱，說明處DEM-8有效抑制了黏土顆粒的水化分散。

綜上所述，聚陽(yáng)離子型化合物抑制黏土水化膨脹的作用機(jī)理主要為：離子交換及靜電吸附作用，同時(shí)聚胺陽(yáng)離子型化合物與黏土表面硅氧烷基形成氫鍵，進(jìn)一步強(qiáng)化在黏土表面的吸附[18，25]；聚胺分子上的疏水部分覆蓋在黏土表面，減少表面的親水性，增強(qiáng)憎水性，阻止水分子進(jìn)入，且聚胺在黏土表面的吸附是不可逆的，不易被其他離子交換解吸，另一方面高分子鏈會(huì)在顆粒間起到橋連或錨固作用，表現(xiàn)出優(yōu)異的抑制性能，有效抑制黏土的水化分散膨脹[23，25]。

圖9 DEM-8處理前后黏土的XRD圖

3 小結(jié)

(1)膨潤(rùn)土線性膨脹率實(shí)驗(yàn)表明，交聯(lián)型聚陽(yáng)離子抑制劑的優(yōu)化反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度90 ℃、交聯(lián)劑用量0.1%，濃度0.5%時(shí)對(duì)黏土水化膨脹抑制效果較好，DEM-8與改性淀粉復(fù)配后抑制效果較單獨(dú)使用該抑制劑明顯增強(qiáng)。

(2)泥球?qū)嶒?yàn)與防膨?qū)嶒?yàn)結(jié)果表明，所篩選出的聚陽(yáng)離子化合物能有效抑制黏土的水化膨脹與分散；鉆井液性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)表明，與改性淀粉配伍性好，顯著降低濾失量，并且能有效提高改性淀粉的抗溫性。

(3)聚陽(yáng)離子型黏土抑制劑的強(qiáng)抑制作用機(jī)理探究結(jié)果表明，聚陽(yáng)離子型化合物主要通過離子交換與黏土作用，通過靜電引力、氫鍵作用、錨固作用以及疏水作用等實(shí)現(xiàn)對(duì)黏土的有效束縛，從而有效抑制黏土的水化分散膨脹。

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(編輯 謝 葵)

Network polycationic clay swelling inhibitor and its inhibition mechanism

Li Lili1，Zhang Jie1，Chen Gang1，Lyu Yangwei2，Zhao Jingrui3，Tang Deyao3

(1.CollegeofChemistryandChemicalEngineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China;2.Xi’anChangqingTechnologyEngineeringCo.，Ltd.，Xi’an710018，China；3.ShaanxiYanchangPetroleumOilfieldChemicalTechnologyCo.，Ltd.，Yan’an717400，China)

Dimethylamine and epichlorohydrin used as raw materials，adding a cross-linked agent，a kind of cross-linked polycation compounds were synthesized as clay swelling inhibitor.Taking the linear expansion rate of bentonite as evaluation index，the synthetic conditions were optimized，and a suitable inhibitor for bentonite was screened.Properties of the inhibitor (DEM-8) were evaluated by anti-swelling experiment，mud ball experiment，evaluation experiment of drilling fluid properties，etc.Experimental results showed that an anti-swelling rate of 0.8%DEM-8 reaches up to 92.3%.The mud ball experiment and the evaluation experiment of drilling fluid properties further proved that DEM-8 has stronger inhibitive capability to bentonite hydration swelling and dispersion and can improve temperature tolerance of modified starch.The inhibition mechanism of the polyamine was studied thoroughly by the means of ion exchange method，scanning electron microscope (SEM)，thermogravimetric analysis (TGA) and X-ray diffraction (XRD)，etc.The results demonstrated that exchangeable cations inside clay were rapidly exchanged with the polycation compounds，and the cations were adsorbed on clay surface through electrostatic interaction.In addition，the polycation compounds inhibit effectively the hydration or swelling of clays mainly owing to hydrogen bonding，anchoring effect and hydrophobic effect，etc.

clay stabilization；polycation compounds；cross-linked agent；hydrate swelling；inhibition mechanism

2015-07-14；改回日期：2015-08-10。

李麗麗 (1989—)，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)在讀碩士研究生。電話：029-88382693，E-mail：gangchen@xsyu.edu.cn。

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014TG-09)：抗鹽耐溫型表面活性劑驅(qū)油劑體系研究與應(yīng)用；陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(2013JK0647)：低滲透油田原油組分特征及其低溫流動(dòng)性改進(jìn)研究。

10.16181/j.cnki.fzyqc.2016.01.015

TE39

A