木質素磺酸鹽的接枝改性及其應用研究

朱 勝 (長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023)

何丹丹 (華中師范大學化學學院，湖北 武漢 430079)

木質素磺酸鹽的接枝改性及其應用研究

朱 勝 (長江大學石油工程學院，湖北 荊州 434023)

何丹丹 (華中師范大學化學學院，湖北 武漢 430079)

木質素磺酸鹽SFP在鉆井液中可起降粘、起泡及絮凝3種作用。主要對木質素磺酸鈣與丙烯酸的接枝共聚及改性后的產物作為鉆井液處理劑進行了試驗研究。對木質素磺酸鹽進行接枝改性，可以提高其作用效果，擴大其應用范圍。改性后的木質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。

木質素磺酸鹽；接枝共聚；鉆井液處理劑

木質素磺酸鹽SFP及其改性產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]。木質素磺酸鹽是木漿法造紙的副產品，價廉易得，分子上含有各種官能團，在一定條件下能與多種物質發生多種改性反應(主要有氧化劑氧化、金屬離子絡合、磺化劑磺化、甲醛縮合或接枝等)，其進行化學改性后，是良好的鉆井液降粘劑，同時具有一定的降失水作用[2]。下面，筆者主要對木質素磺酸鈣與丙烯酸的接枝共聚及改性后的產物作為鉆井液處理劑進行了試驗研究。采用自由基共聚反應對木質素磺酸鈣進行羧基接枝改性，制備得到木質素磺酸鈣與丙烯酸的接枝共聚物，試驗結果表明，接枝改性物是一種性能良好的鉆井液處理劑，而且具有綠色環保、經濟等優點。

1 試驗部分

1.1原理

木質素磺酸鹽接枝共聚反應原理由以下反應式表示為[3]：

1.2試驗藥品及儀器

1)藥品 木質素磺酸鈣(簡稱SL，工業品)；丙烯酸(簡稱AA)、K2S2O8(引發劑)、丙酮、乙醚均為分析純；NaCl、CaCl2等。

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

1.3試驗方法

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

產率=[W/(WL+WA)]×100%

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

2 結果與討論

圖1 原料及接枝產物紅外光譜圖

2.1接枝共聚物的鑒定

表1 正交試驗結果

注：A1～A3表示K2S2O8的質量分數，分別為2%、3%、4%；B1～B3表示反應溫度，分別為70、80、90℃；C1～C3表示丙烯酸的質量分數，分別為4%、8%、12%。

2.2接枝共聚反應條件的優化和正交試驗分析

試驗將木質素磺酸鈣質量和反應時間等因素取為定值，采用三因素三水平正交試驗法確定優化的工藝條件，測定以產率最大為最優化條件。由表1可見，在A1，B3和C3這一反應條件下接枝共聚物的產率最高，所以反應的最佳工藝條件是A1B3C3。由極差分析看出，影響接枝共聚反應產率的最主要的因素是反應溫度，各因素對產物產率影響程度的大小是B>C>A。

2.3接枝產物在鉆井液中的性能評價

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

2)產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物，高速攪拌1h，測其性能如表2所示。由表中數據可以看出，木質素磺酸鈣與丙烯酸的接枝產物SL-AA具有明顯的降粘作用，并具有一定的降濾失效果。分析表中數據可知，在加量為0.6%時，表觀粘度下降了50%，濾失量下降了42%，動切力下降了43%，可見產品性能良好。

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為動切力，FL為中壓濾失量，下同。

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

4)產品的抗鈣性能 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，測定其流變性及失水量，結果如表4所示。由表4可以看出，經SL-AA處理過的鉆井液，其抗鈣能力優于FCLS。

表3 SL-AA及FCLS抗溫對比試驗

表4 SL-AA及FCLS抗鈣對比試驗

5)產品的抗鹽性能 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，試驗結果如表5所示。由表5可以看出，經Na-LS-AA處理過的鉆井液，其抗鹽能力優于FCLS。

表5 SL-AA及FCLS抗鹽對比試驗

3 結 論

1) 丙烯酸單體的用量對接枝共聚物的產率有很大影響，單體用量少，木質素磺酸鈣周圍丙烯酸質量分數小，使部分木質素磺酸鈣游離基在未反應時就失去了活性，從而使共聚物的產率受到影響。但是單體丙烯酸用量過大，又使丙烯酸自聚反應增加，同樣也影響共聚反應的進行。

2)接枝共聚產物是通過氫鍵吸附在粘土表面，提高粘土顆粒表面的負電性并增加水化層厚度，將粘土顆粒形成的結構拆散，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，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良的鉆井液處理劑FCLS進行性能比較，比較的結果表明，SL-AA性能優良，加之其無毒、原料豐富、價廉易得等優良性質，在未來的發展中會越來越被重視利用。

[1]拐碧如,王柯.木質素磺酸鹽接枝共聚物(CT3-11)的研究與應用[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用[J].石油與天源氣化工,2000,29(1):43-44.

[3]趙福麟.油田化學[M].東營:中國石油大學出版社,2007:17-93.

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

[5]謝燕,曾祥欽.引發劑對木質素磺酸鹽接枝丙烯酸的影響[J].貴州工業大學學報,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年大學畢業，碩士生，現主要從事油氣井工程專業方面的研究工作。

[編輯] 洪云飛