新型降粘劑LS-AA的合成與評價

胡三清，宋 濤，柯曉歡，張 金

(長江大學化學與環境工程學院，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

(長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023)

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

木質素磺酸鹽；接枝；引發劑；鉆井液；降粘劑

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

1 試驗部分

1.1藥品與儀器

1)藥品 木質素磺酸鈣(Ca-LS，工業級)、鐵鉻木質素磺酸鹽(FCLS，工業級)、 雙氧水(30%，工業級)；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試驗方法

先進行單因素1水平試驗，以產率為表征量確定引發劑的類型，然后以產率為表征量，采用4因素3水平正交試驗法確定優化的工藝條件，最后評價產品性能。

產率的計算公式為：

(1)

式中，W為產物質量，g；WL為加入木質素磺酸鈣的質量,g；WA為加入丙烯酸的質量,g。

2 結果分析與討論

表1 3種引發體系下合成的木質素磺酸鈣-丙烯酸共聚物的產率

2.1引發劑的選擇

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

2.2接枝共聚反應條件的優化

表2 正交試驗因素水平表

注：A表示引發劑K2S2O8質量分數(均以LS的質量計算)(%)，B表示丙烯酸的質量分數(均以LS的質量計算)(%)，C表示反應溫度(℃)，D表示反應時間(h)，試驗指標為產品的產率。

根據上述試驗的初步分析，在綜合比較各因素影響程度的基礎上，采用4因素3水平正交試驗法確定優化的工藝條件。正交試驗的因素水平表如表2所示。

按照正交試驗組合合成出各種條件下的產物，對產物分離提純，干燥后碾碎稱重，并分別計算出產率，試驗結果如表3所示。由表3可以看出，在丙烯酸單體用量為木質素磺酸鈣干重的10%時接枝共聚物的產率最高，所以反應的最佳工藝條件是A1B1C1D1，即引發劑質量分數2.0%、丙烯酸單體質量分數10%、反應溫度90℃和反應時間3h。

表3 正交試驗結果

2.3性能評價

1)產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型旋轉黏度計測定鉆井液的流變參數，利用ZNS-2A型中壓濾失儀測定鉆井液的濾失量，結果如表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，結果如表5所示。從表5可以看出，LS-AA與FCLS的抗鹽性相當。與FCLS相比，LS-AA對流變性能有明顯影響，但濾失量偏大，所以在產品使用過程中應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，試驗結果如圖1所示。由圖1可以看出，經LS-AA處理過的鉆井液抗CaCl2可達0.6%，而經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

4)抗高溫性能 在已經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，在不同溫度下養護12h，測定其性能，結果如圖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 論

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

2)反應的最優工藝條件是K2S2O8的質量分數為2%、丙烯酸質量分數為10%，反應溫度為90℃，反應時間為3h。

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

[1]王善舉,楊小華.近5年國內鉆井液降粘劑研發進展[J].油田化學,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.

[3]Cai C,Majcherczyk A, Huttermann A.Chemo-enzymatic synthesis and characterization of graft copolymers from lignin and acrylic compounds[J].Enzyme and Microbial Technology,2000,27:167-175.

[4]張致發,鄧國華,葉躍華,等.木質素磺酸鹽和丙烯酸電化學接枝共聚反應的研究[J].纖維素科學與技術,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