木質(zhì)素磺酸鹽的接枝改性及其應(yīng)用研究

朱 勝 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

何丹丹 (華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

木質(zhì)素磺酸鹽的接枝改性及其應(yīng)用研究

朱 勝 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

何丹丹 (華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

木質(zhì)素磺酸鹽SFP在鉆井液中可起降粘、起泡及絮凝3種作用。主要對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣與丙烯酸的接枝共聚及改性后的產(chǎn)物作為鉆井液處理劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽進(jìn)行接枝改性，可以提高其作用效果，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。改性后的木質(zhì)素磺酸鹽作為鉆井液處理劑，有較好的降粘及降濾失作用，并具有較好的耐溫抗鈣污染能力。

木質(zhì)素磺酸鹽；接枝共聚；鉆井液處理劑

木質(zhì)素磺酸鹽SFP及其改性產(chǎn)物可用作鉆井液稀釋劑和起泡劑，也可用作處理廢鉆井液的絮凝劑[1]。木質(zhì)素磺酸鹽是木漿法造紙的副產(chǎn)品，價(jià)廉易得，分子上含有各種官能團(tuán)，在一定條件下能與多種物質(zhì)發(fā)生多種改性反應(yīng)(主要有氧化劑氧化、金屬離子絡(luò)合、磺化劑磺化、甲醛縮合或接枝等)，其進(jìn)行化學(xué)改性后，是良好的鉆井液降粘劑，同時(shí)具有一定的降失水作用[2]。下面，筆者主要對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣與丙烯酸的接枝共聚及改性后的產(chǎn)物作為鉆井液處理劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究。采用自由基共聚反應(yīng)對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣進(jìn)行羧基接枝改性，制備得到木質(zhì)素磺酸鈣與丙烯酸的接枝共聚物，試驗(yàn)結(jié)果表明，接枝改性物是一種性能良好的鉆井液處理劑，而且具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1原理

木質(zhì)素磺酸鹽接枝共聚反應(yīng)原理由以下反應(yīng)式表示為[3]：

1.2試驗(yàn)藥品及儀器

1)藥品 木質(zhì)素磺酸鈣(簡(jiǎn)稱SL，工業(yè)品)；丙烯酸(簡(jiǎn)稱AA)、K2S2O8(引發(fā)劑)、丙酮、乙醚均為分析純；NaCl、CaCl2等。

2)儀器 有機(jī)合成反應(yīng)裝置一套；ZNN-D6A型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；ZNS-2A型中壓濾失儀；TDL-5Z離心機(jī)；fann滾子加熱爐；NicoletNexus470型FT-IR傅立葉變換紅外光譜儀。

1.3試驗(yàn)方法

木質(zhì)素磺酸鹽的接枝反應(yīng)主要有自由基引發(fā)體系和光照輻射引發(fā)體系2種[4]，試驗(yàn)采用常用的自由基聚合引發(fā)劑K2S2O8。在三口燒瓶中，按一定的比例加入木質(zhì)素磺酸鈣和蒸餾水，攪拌10min，使木質(zhì)素活化后加入配比量的引發(fā)劑和丙烯酸單體，攪拌下控制一定反應(yīng)溫度，反應(yīng)3h。向產(chǎn)物中加入適量丙酮溶液，靜置用TDL-5Z離心機(jī)分離，再用乙醚洗滌，干燥，稱重，計(jì)算反應(yīng)產(chǎn)率[5]：

產(chǎn)率=[W/(WL+WA)]×100%

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

2 結(jié)果與討論

圖1 原料及接枝產(chǎn)物紅外光譜圖

2.1接枝共聚物的鑒定

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果

注：A1～A3表示K2S2O8的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為2%、3%、4%；B1～B3表示反應(yīng)溫度，分別為70、80、90℃；C1～C3表示丙烯酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為4%、8%、12%。

2.2接枝共聚反應(yīng)條件的優(yōu)化和正交試驗(yàn)分析

試驗(yàn)將木質(zhì)素磺酸鈣質(zhì)量和反應(yīng)時(shí)間等因素取為定值，采用三因素三水平正交試驗(yàn)法確定優(yōu)化的工藝條件，測(cè)定以產(chǎn)率最大為最優(yōu)化條件。由表1可見，在A1，B3和C3這一反應(yīng)條件下接枝共聚物的產(chǎn)率最高，所以反應(yīng)的最佳工藝條件是A1B3C3。由極差分析看出，影響接枝共聚反應(yīng)產(chǎn)率的最主要的因素是反應(yīng)溫度，各因素對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率影響程度的大小是B>C>A。

2.3接枝產(chǎn)物在鉆井液中的性能評(píng)價(jià)

1)淡水基漿的配制 淡水基漿配制如下：膨潤(rùn)土∶水=4∶100，NaCO3：膨潤(rùn)土=4∶100，高速攪拌1h，在室溫下老化24h，備用。

2)產(chǎn)品在淡水鉆井液中的性能 在配制好的淡水基漿中加入一定量產(chǎn)物，高速攪拌1h，測(cè)其性能如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，木質(zhì)素磺酸鈣與丙烯酸的接枝產(chǎn)物SL-AA具有明顯的降粘作用，并具有一定的降濾失效果。分析表中數(shù)據(jù)可知，在加量為0.6%時(shí)，表觀粘度下降了50%，濾失量下降了42%，動(dòng)切力下降了43%，可見產(chǎn)品性能良好。

表2 SL-AA在淡水鉆井液中的性能

注：AV為表觀粘度，PV為塑性粘度，YP為動(dòng)切力，F(xiàn)L為中壓濾失量，下同。

3)產(chǎn)品的抗溫性能 在已經(jīng)老化好的淡水基漿中分別加入0.6%的SL-AA及0.6%的鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽FCLS，高速攪拌1h，放入fann滾子加熱爐中熱滾16h，測(cè)定其流變性及失水量，結(jié)果如表3所示。由表3可以看出，經(jīng)SL-AA處理過的鉆井液，其抗溫性能優(yōu)于FCLS。

4)產(chǎn)品的抗鈣性能 在已老化好的淡水基漿中分別加入0.6%的SL-AA及0.6%的FCLS，攪拌2h使之完全分散后加入不同量的CaCl2，攪拌30min，測(cè)定其流變性及失水量，結(jié)果如表4所示。由表4可以看出，經(jīng)SL-AA處理過的鉆井液，其抗鈣能力優(yōu)于FCLS。

表3 SL-AA及FCLS抗溫對(duì)比試驗(yàn)

表4 SL-AA及FCLS抗鈣對(duì)比試驗(yàn)

5)產(chǎn)品的抗鹽性能 在已老化好的淡水基漿中分別加入0.6%的SL-AA及0.6%的FCLS，攪拌2h使之完全分散后加入不同量的NaCl，攪拌30min，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5可以看出，經(jīng)Na-LS-AA處理過的鉆井液，其抗鹽能力優(yōu)于FCLS。

表5 SL-AA及FCLS抗鹽對(duì)比試驗(yàn)

3 結(jié) 論

1) 丙烯酸單體的用量對(duì)接枝共聚物的產(chǎn)率有很大影響，單體用量少，木質(zhì)素磺酸鈣周圍丙烯酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)小，使部分木質(zhì)素磺酸鈣游離基在未反應(yīng)時(shí)就失去了活性，從而使共聚物的產(chǎn)率受到影響。但是單體丙烯酸用量過大，又使丙烯酸自聚反應(yīng)增加，同樣也影響共聚反應(yīng)的進(jìn)行。

2)接枝共聚產(chǎn)物是通過氫鍵吸附在粘土表面，提高粘土顆粒表面的負(fù)電性并增加水化層厚度，將粘土顆粒形成的結(jié)構(gòu)拆散，從而起到降低粘度和切力的作用。由于接枝共聚物中有耐鹽、耐溫的磺酸鹽基團(tuán)，所以共聚物具有良好的抗鈣、抗鹽、抗溫等性能。

3)將合成出的共聚物與已有的優(yōu)良的鉆井液處理劑FCLS進(jìn)行性能比較，比較的結(jié)果表明，SL-AA性能優(yōu)良，加之其無毒、原料豐富、價(jià)廉易得等優(yōu)良性質(zhì)，在未來的發(fā)展中會(huì)越來越被重視利用。

[1]拐碧如,王柯.木質(zhì)素磺酸鹽接枝共聚物(CT3-11)的研究與應(yīng)用[J].石油與天然氣化工,1996,25(3):162-166.

[2]易明新,劉金斗.接枝共聚法制備鉆井液處理劑的研究與應(yīng)用[J].石油與天源氣化工,2000,29(1):43-44.

[3]趙福麟.油田化學(xué)[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社,2007:17-93.

[4]馬曉偉,代斌.木質(zhì)素磺酸鈣接枝丙烯酰胺影響因素研究[J].精細(xì)與專用化學(xué)品,2007，6,15(11):19-22.

[5]謝燕,曾祥欽.引發(fā)劑對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽接枝丙烯酸的影響[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996，12,34(6):36-38.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.08.006

TE254.4

A

1673-1409(2012)08-N016-03

2012-05-17

朱勝(1985-)， 男，2009年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事油氣井工程專業(yè)方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛