新型降粘剂LS-AA的合成与评价

胡三清，宋 涛，柯晓欢，张 金

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

新型降粘剂LS-AA的合成与评价

胡三清，宋 涛，柯晓欢，张 金

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

木质素磺酸钙(LS)与丙烯酸(AA)单体在一定的条件下发生聚合，生成丙烯酸木质素磺酸钙接枝共聚物(LS⁃AA)。对木质素磺酸钙接枝丙烯酸反应的引发剂和工艺条件进行优选并评价了产品性能。研究表明，质量分数为2%的K2S2O8可作为引发剂；反应的最佳工艺条件是丙烯酸质量分数为10%，反应温度为90℃，反应时间为3h；合成的产品有良好的降粘、降滤失性能以及抗钙和抗盐性能。

木质素磺酸盐；接枝；引发剂；钻井液；降粘剂

木质素磺酸盐是石油钻井工程中钻井液的重要处理剂，它不仅能调节钻井液的流变性能[1]，还具有降低钻井液的滤失量和保护井壁以及保证井底安全的作用，同时还能保护油层。木质素磺酸盐接枝丙烯酸改性形成丙烯酸-木质素磺酸钙接枝共聚物(LS-AA)，可以提高木质素磺酸盐的处理效果和适用范围，而引发剂对木质素磺酸盐接枝丙烯酸的反应有影响[2-4]。为此，笔者对木质素磺酸钙接枝丙烯酸反应的引发剂和工艺条件进行优选并评价了产品性能。

1 试验部分

1.1药品与仪器

1)药品 木质素磺酸钙(Ca-LS，工业级)、铁铬木质素磺酸盐(FCLS，工业级)、 双氧水(30%，工业级)；丙烯酸(AA)、氯化亚铁、丙酮、高价铈盐、过硫酸钾、NaCl和CaCl2均为分析纯。

2)仪器 HH-S型恒温水浴锅；DZF-1型真空干燥箱；NXS-11A型旋转黏度计；API失水仪；HTHP失水仪；三口烧瓶；温度计；小烧杯；玻璃棒；电子分析天平等。

1.2试验方法

先进行单因素1水平试验，以产率为表征量确定引发剂的类型，然后以产率为表征量，采用4因素3水平正交试验法确定优化的工艺条件，最后评价产品性能。

产率的计算公式为：

(1)

式中，W为产物质量，g；WL为加入木质素磺酸钙的质量,g；WA为加入丙烯酸的质量,g。

2 结果分析与讨论

表1 3种引发体系下合成的木质素磺酸钙-丙烯酸共聚物的产率

2.1引发剂的选择

分别以3种引发剂Fe2+-H2O2、(NH4)2Ce(NO3)6和K2S2O8引发木质素接枝丙烯酸反应，结果如表1所示。由表1可知，3种引发剂的适宜用量均为木质素磺酸钙干重的2%，且3种引发剂中以K2S2O8的产品产率最高，故选择K2S2O8作为引发剂。

2.2接枝共聚反应条件的优化

表2 正交试验因素水平表

注：A表示引发剂K2S2O8质量分数(均以LS的质量计算)(%)，B表示丙烯酸的质量分数(均以LS的质量计算)(%)，C表示反应温度(℃)，D表示反应时间(h)，试验指标为产品的产率。

根据上述试验的初步分析，在综合比较各因素影响程度的基础上，采用4因素3水平正交试验法确定优化的工艺条件。正交试验的因素水平表如表2所示。

按照正交试验组合合成出各种条件下的产物，对产物分离提纯，干燥后碾碎称重，并分别计算出产率，试验结果如表3所示。由表3可以看出，在丙烯酸单体用量为木质素磺酸钙干重的10%时接枝共聚物的产率最高，所以反应的最佳工艺条件是A1B1C1D1，即引发剂质量分数2.0%、丙烯酸单体质量分数10%、反应温度90℃和反应时间3h。

表3 正交试验结果

2.3性能评价

1)产品在淡水基浆中的性能 取400ml已老化好的基浆，加入不同浓度的LS-AA，搅拌2h使之完全溶解。用ZNN-D6A型旋转黏度计测定钻井液的流变参数，利用ZNS-2A型中压滤失仪测定钻井液的滤失量，结果如表4所示。从表4可以看出，LS-AA具有明显的降粘作用，并具有一定的降滤失效果。

表4 LS-AA在淡水基浆中的性能测定结果

注：AV为表观黏度；PV为塑性黏度；YP为动切力；FLAPI为API滤失量。

2)抗盐性 在已经老化24h的基浆中分别加入0.6%的LS-AA及FCLS，搅拌2h使其完全溶解，然后依次加入不同量的NaCl，测定其性能，结果如表5所示。从表5可以看出，LS-AA与FCLS的抗盐性相当。与FCLS相比，LS-AA对流变性能有明显影响，但滤失量偏大，所以在产品使用过程中应添加适量的降滤失剂。

3)抗钙性能 在已老化好的淡水基浆中分别加入0.6%的LS-AA和FCLS，搅拌2h使之完全溶解后加入不同量的CaCl2，溶解后测其性能，试验结果如图1所示。由图1可以看出，经LS-AA处理过的钻井液抗CaCl2可达0.6%，而经FCLS处理过的钻井液抗CaCl2为0.4%，说明LS-AA具有良好的抗钙性能。

表5 LS-AA及FCLS抗NaCl对比试验

4)抗高温性能 在已经老化好的淡水基浆中分别加入0.6%的LS-AA和FCLS，搅拌2h使之完全溶解，在不同温度下养护12h，测定其性能，结果如图2所示。从图2可以看出，加有LS-AA的钻井液表观黏度随温度变化较平缓，且与加有FCLS泥浆的表观黏度变化基本一致，说明LS-AA的具有良好的抗温性能。

图1 LS-AA与FCLS的抗钙性能的比较 图2 LS-AA与FCLS抗温性能的比较

3 结 论

1) 3种引发剂的适宜用量是木质素磺酸钙干重的2%。在引发剂用量适宜的条件下，引发剂K2S2O8的产率最高。

2)反应的最优工艺条件是K2S2O8的质量分数为2%、丙烯酸质量分数为10%，反应温度为90℃，反应时间为3h。

3)合成的产品有良好的降粘、降滤失性能和良好的抗钙、抗盐性能，说明改性的LS-AA产品具有较好的应用价值。

[1]王善举,杨小华.近5年国内钻井液降粘剂研发进展[J].油田化学,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]张致发,邓国华,叶跃华,等.木质素磺酸盐和丙烯酸电化学接枝共聚反应的研究[J].纤维素科学与技术,1998,6(1):55-60.

[编辑] 李启栋

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

TE357

A

16731409(2012)11N03603