木质素磺酸盐的接枝改性及其应用研究

朱 胜 (长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023)

何丹丹 (华中师范大学化学学院，湖北 武汉 430079)

木质素磺酸盐的接枝改性及其应用研究

朱 胜 (长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023)

何丹丹 (华中师范大学化学学院，湖北 武汉 430079)

木质素磺酸盐SFP在钻井液中可起降粘、起泡及絮凝3种作用。主要对木质素磺酸钙与丙烯酸的接枝共聚及改性后的产物作为钻井液处理剂进行了试验研究。对木质素磺酸盐进行接枝改性，可以提高其作用效果，扩大其应用范围。改性后的木质素磺酸盐作为钻井液处理剂，有较好的降粘及降滤失作用，并具有较好的耐温抗钙污染能力。

木质素磺酸盐；接枝共聚；钻井液处理剂

木质素磺酸盐SFP及其改性产物可用作钻井液稀释剂和起泡剂，也可用作处理废钻井液的絮凝剂[1]。木质素磺酸盐是木浆法造纸的副产品，价廉易得，分子上含有各种官能团，在一定条件下能与多种物质发生多种改性反应(主要有氧化剂氧化、金属离子络合、磺化剂磺化、甲醛缩合或接枝等)，其进行化学改性后，是良好的钻井液降粘剂，同时具有一定的降失水作用[2]。下面，笔者主要对木质素磺酸钙与丙烯酸的接枝共聚及改性后的产物作为钻井液处理剂进行了试验研究。采用自由基共聚反应对木质素磺酸钙进行羧基接枝改性，制备得到木质素磺酸钙与丙烯酸的接枝共聚物，试验结果表明，接枝改性物是一种性能良好的钻井液处理剂，而且具有绿色环保、经济等优点。

1 试验部分

1.1原理

木质素磺酸盐接枝共聚反应原理由以下反应式表示为[3]：

1.2试验药品及仪器

1)药品 木质素磺酸钙(简称SL，工业品)；丙烯酸(简称AA)、K2S2O8(引发剂)、丙酮、乙醚均为分析纯；NaCl、CaCl2等。

2)仪器 有机合成反应装置一套；ZNN-D6A型旋转粘度计；ZNS-2A型中压滤失仪；TDL-5Z离心机；fann滚子加热炉；NicoletNexus470型FT-IR傅立叶变换红外光谱仪。

1.3试验方法

木质素磺酸盐的接枝反应主要有自由基引发体系和光照辐射引发体系2种[4]，试验采用常用的自由基聚合引发剂K2S2O8。在三口烧瓶中，按一定的比例加入木质素磺酸钙和蒸馏水，搅拌10min，使木质素活化后加入配比量的引发剂和丙烯酸单体，搅拌下控制一定反应温度，反应3h。向产物中加入适量丙酮溶液，静置用TDL-5Z离心机分离，再用乙醚洗涤，干燥，称重，计算反应产率[5]：

产率=[W/(WL+WA)]×100%

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

2 结果与讨论

图1 原料及接枝产物红外光谱图

2.1接枝共聚物的鉴定

表1 正交试验结果

注：A1～A3表示K2S2O8的质量分数，分别为2%、3%、4%；B1～B3表示反应温度，分别为70、80、90℃；C1～C3表示丙烯酸的质量分数，分别为4%、8%、12%。

2.2接枝共聚反应条件的优化和正交试验分析

试验将木质素磺酸钙质量和反应时间等因素取为定值，采用三因素三水平正交试验法确定优化的工艺条件，测定以产率最大为最优化条件。由表1可见，在A1，B3和C3这一反应条件下接枝共聚物的产率最高，所以反应的最佳工艺条件是A1B3C3。由极差分析看出，影响接枝共聚反应产率的最主要的因素是反应温度，各因素对产物产率影响程度的大小是B>C>A。

2.3接枝产物在钻井液中的性能评价

1)淡水基浆的配制 淡水基浆配制如下：膨润土∶水=4∶100，NaCO3：膨润土=4∶100，高速搅拌1h，在室温下老化24h，备用。

2)产品在淡水钻井液中的性能 在配制好的淡水基浆中加入一定量产物，高速搅拌1h，测其性能如表2所示。由表中数据可以看出，木质素磺酸钙与丙烯酸的接枝产物SL-AA具有明显的降粘作用，并具有一定的降滤失效果。分析表中数据可知，在加量为0.6%时，表观粘度下降了50%，滤失量下降了42%，动切力下降了43%，可见产品性能良好。

表2 SL-AA在淡水钻井液中的性能

注：AV为表观粘度，PV为塑性粘度，YP为动切力，FL为中压滤失量，下同。

3)产品的抗温性能 在已经老化好的淡水基浆中分别加入0.6%的SL-AA及0.6%的铁铬木质素磺酸盐FCLS，高速搅拌1h，放入fann滚子加热炉中热滚16h，测定其流变性及失水量，结果如表3所示。由表3可以看出，经SL-AA处理过的钻井液，其抗温性能优于FCLS。

4)产品的抗钙性能 在已老化好的淡水基浆中分别加入0.6%的SL-AA及0.6%的FCLS，搅拌2h使之完全分散后加入不同量的CaCl2，搅拌30min，测定其流变性及失水量，结果如表4所示。由表4可以看出，经SL-AA处理过的钻井液，其抗钙能力优于FCLS。

表3 SL-AA及FCLS抗温对比试验

表4 SL-AA及FCLS抗钙对比试验

5)产品的抗盐性能 在已老化好的淡水基浆中分别加入0.6%的SL-AA及0.6%的FCLS，搅拌2h使之完全分散后加入不同量的NaCl，搅拌30min，试验结果如表5所示。由表5可以看出，经Na-LS-AA处理过的钻井液，其抗盐能力优于FCLS。

表5 SL-AA及FCLS抗盐对比试验

3 结 论

1) 丙烯酸单体的用量对接枝共聚物的产率有很大影响，单体用量少，木质素磺酸钙周围丙烯酸质量分数小，使部分木质素磺酸钙游离基在未反应时就失去了活性，从而使共聚物的产率受到影响。但是单体丙烯酸用量过大，又使丙烯酸自聚反应增加，同样也影响共聚反应的进行。

2)接枝共聚产物是通过氢键吸附在粘土表面，提高粘土颗粒表面的负电性并增加水化层厚度，将粘土颗粒形成的结构拆散，从而起到降低粘度和切力的作用。由于接枝共聚物中有耐盐、耐温的磺酸盐基团，所以共聚物具有良好的抗钙、抗盐、抗温等性能。

3)将合成出的共聚物与已有的优良的钻井液处理剂FCLS进行性能比较，比较的结果表明，SL-AA性能优良，加之其无毒、原料丰富、价廉易得等优良性质，在未来的发展中会越来越被重视利用。

[1]拐碧如,王柯.木质素磺酸盐接枝共聚物(CT3-11)的研究与应用[J].石油与天然气化工,1996,25(3):162-166.

[2]易明新,刘金斗.接枝共聚法制备钻井液处理剂的研究与应用[J].石油与天源气化工,2000,29(1):43-44.

[3]赵福麟.油田化学[M].东营:中国石油大学出版社,2007:17-93.

[4]马晓伟,代斌.木质素磺酸钙接枝丙烯酰胺影响因素研究[J].精细与专用化学品,2007，6,15(11):19-22.

[5]谢燕,曾祥钦.引发剂对木质素磺酸盐接枝丙烯酸的影响[J].贵州工业大学学报,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

朱胜(1985-)， 男，2009年大学毕业，硕士生，现主要从事油气井工程专业方面的研究工作。

[编辑] 洪云飞