胡三清，宋 濤，柯曉歡，張 金

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

新型降粘劑LS-AA的合成與評價

胡三清，宋 濤，柯曉歡，張 金

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

木質(zhì)素磺酸鈣(LS)與丙烯酸(AA)單體在一定的條件下發(fā)生聚合，生成丙烯酸木質(zhì)素磺酸鈣接枝共聚物(LS?AA)。對木質(zhì)素磺酸鈣接枝丙烯酸反應(yīng)的引發(fā)劑和工藝條件進(jìn)行優(yōu)選并評價了產(chǎn)品性能。研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的K2S2O8可作為引發(fā)劑；反應(yīng)的最佳工藝條件是丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，反應(yīng)溫度為90℃，反應(yīng)時間為3h；合成的產(chǎn)品有良好的降粘、降濾失性能以及抗鈣和抗鹽性能。

木質(zhì)素磺酸鹽；接枝；引發(fā)劑；鉆井液；降粘劑

木質(zhì)素磺酸鹽是石油鉆井工程中鉆井液的重要處理劑，它不僅能調(diào)節(jié)鉆井液的流變性能[1]，還具有降低鉆井液的濾失量和保護(hù)井壁以及保證井底安全的作用，同時還能保護(hù)油層。木質(zhì)素磺酸鹽接枝丙烯酸改性形成丙烯酸-木質(zhì)素磺酸鈣接枝共聚物(LS-AA)，可以提高木質(zhì)素磺酸鹽的處理效果和適用范圍，而引發(fā)劑對木質(zhì)素磺酸鹽接枝丙烯酸的反應(yīng)有影響[2-4]。為此，筆者對木質(zhì)素磺酸鈣接枝丙烯酸反應(yīng)的引發(fā)劑和工藝條件進(jìn)行優(yōu)選并評價了產(chǎn)品性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1藥品與儀器

1)藥品 木質(zhì)素磺酸鈣(Ca-LS，工業(yè)級)、鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽(FCLS，工業(yè)級)、 雙氧水(30%，工業(yè)級)；丙烯酸(AA)、氯化亞鐵、丙酮、高價鈰鹽、過硫酸鉀、NaCl和CaCl2均為分析純。

2)儀器 HH-S型恒溫水浴鍋；DZF-1型真空干燥箱；NXS-11A型旋轉(zhuǎn)黏度計；API失水儀；HTHP失水儀；三口燒瓶；溫度計；小燒杯；玻璃棒；電子分析天平等。

1.2試驗(yàn)方法

先進(jìn)行單因素1水平試驗(yàn)，以產(chǎn)率為表征量確定引發(fā)劑的類型，然后以產(chǎn)率為表征量，采用4因素3水平正交試驗(yàn)法確定優(yōu)化的工藝條件，最后評價產(chǎn)品性能。

產(chǎn)率的計算公式為：

(1)

式中，W為產(chǎn)物質(zhì)量，g；WL為加入木質(zhì)素磺酸鈣的質(zhì)量,g；WA為加入丙烯酸的質(zhì)量,g。

2 結(jié)果分析與討論

表1 3種引發(fā)體系下合成的木質(zhì)素磺酸鈣-丙烯酸共聚物的產(chǎn)率

2.1引發(fā)劑的選擇

分別以3種引發(fā)劑Fe2+-H2O2、(NH4)2Ce(NO3)6和K2S2O8引發(fā)木質(zhì)素接枝丙烯酸反應(yīng)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，3種引發(fā)劑的適宜用量均為木質(zhì)素磺酸鈣干重的2%，且3種引發(fā)劑中以K2S2O8的產(chǎn)品產(chǎn)率最高，故選擇K2S2O8作為引發(fā)劑。

2.2接枝共聚反應(yīng)條件的優(yōu)化

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

注：A表示引發(fā)劑K2S2O8質(zhì)量分?jǐn)?shù)(均以LS的質(zhì)量計算)(%)，B表示丙烯酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(均以LS的質(zhì)量計算)(%)，C表示反應(yīng)溫度(℃)，D表示反應(yīng)時間(h)，試驗(yàn)指標(biāo)為產(chǎn)品的產(chǎn)率。

根據(jù)上述試驗(yàn)的初步分析，在綜合比較各因素影響程度的基礎(chǔ)上，采用4因素3水平正交試驗(yàn)法確定優(yōu)化的工藝條件。正交試驗(yàn)的因素水平表如表2所示。

按照正交試驗(yàn)組合合成出各種條件下的產(chǎn)物，對產(chǎn)物分離提純，干燥后碾碎稱重，并分別計算出產(chǎn)率，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，在丙烯酸單體用量為木質(zhì)素磺酸鈣干重的10%時接枝共聚物的產(chǎn)率最高，所以反應(yīng)的最佳工藝條件是A1B1C1D1，即引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.0%、丙烯酸單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、反應(yīng)溫度90℃和反應(yīng)時間3h。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3性能評價

1)產(chǎn)品在淡水基漿中的性能 取400ml已老化好的基漿，加入不同濃度的LS-AA，攪拌2h使之完全溶解。用ZNN-D6A型旋轉(zhuǎn)黏度計測定鉆井液的流變參數(shù)，利用ZNS-2A型中壓濾失儀測定鉆井液的濾失量，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，LS-AA具有明顯的降粘作用，并具有一定的降濾失效果。

表4 LS-AA在淡水基漿中的性能測定結(jié)果

注：AV為表觀黏度；PV為塑性黏度；YP為動切力；FLAPI為API濾失量。

2)抗鹽性 在已經(jīng)老化24h的基漿中分別加入0.6%的LS-AA及FCLS，攪拌2h使其完全溶解，然后依次加入不同量的NaCl，測定其性能，結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，LS-AA與FCLS的抗鹽性相當(dāng)。與FCLS相比，LS-AA對流變性能有明顯影響，但濾失量偏大，所以在產(chǎn)品使用過程中應(yīng)添加適量的降濾失劑。

3)抗鈣性能 在已老化好的淡水基漿中分別加入0.6%的LS-AA和FCLS，攪拌2h使之完全溶解后加入不同量的CaCl2，溶解后測其性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，經(jīng)LS-AA處理過的鉆井液抗CaCl2可達(dá)0.6%，而經(jīng)FCLS處理過的鉆井液抗CaCl2為0.4%，說明LS-AA具有良好的抗鈣性能。

表5 LS-AA及FCLS抗NaCl對比試驗(yàn)

4)抗高溫性能 在已經(jīng)老化好的淡水基漿中分別加入0.6%的LS-AA和FCLS，攪拌2h使之完全溶解，在不同溫度下養(yǎng)護(hù)12h，測定其性能，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，加有LS-AA的鉆井液表觀黏度隨溫度變化較平緩，且與加有FCLS泥漿的表觀黏度變化基本一致，說明LS-AA的具有良好的抗溫性能。

圖1 LS-AA與FCLS的抗鈣性能的比較 圖2 LS-AA與FCLS抗溫性能的比較

3 結(jié) 論

1) 3種引發(fā)劑的適宜用量是木質(zhì)素磺酸鈣干重的2%。在引發(fā)劑用量適宜的條件下，引發(fā)劑K2S2O8的產(chǎn)率最高。

2)反應(yīng)的最優(yōu)工藝條件是K2S2O8的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，反應(yīng)溫度為90℃，反應(yīng)時間為3h。

3)合成的產(chǎn)品有良好的降粘、降濾失性能和良好的抗鈣、抗鹽性能，說明改性的LS-AA產(chǎn)品具有較好的應(yīng)用價值。

[1]王善舉,楊小華.近5年國內(nèi)鉆井液降粘劑研發(fā)進(jìn)展[J].油田化學(xué),2007(4):65-66.

[2]Chen R L,Kikta B V. Some water-soluble copolymers from Lignin[J].JApp l Polym Sci,1986,32:4815-4826.

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[4]張致發(fā),鄧國華,葉躍華,等.木質(zhì)素磺酸鹽和丙烯酸電化學(xué)接枝共聚反應(yīng)的研究[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),1998,6(1):55-60.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.11.013

TE357

A

16731409(2012)11N03603