疏水基团对页岩抑制剂性能的影响

李菁熠

【摘要】在催化剂及少量胶体稳定剂的作用下，以丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）为主要原料，通过无皂乳液聚合制备了一系列的P（AM/DMC/MMA）乳液。通过激光颗粒粒度分析仪（DLS） 、热失重分析（TGA）分析了不同MMA用量对乳液粒径和胶膜热稳定性的影响。研究了不同MMA含量对页岩回收率和膨胀率的影响。研究结果表明：随MMA的增加乳液粒径先减小后增大，乳胶膜分解温度略微降低，页岩回收率达15.1%，膨胀率达13.68%。

【关键词】页岩抑制剂 流变性 丙烯酰胺 水基钻井液

铵（胺）类聚合物作为页岩抑制剂具有许多优良的性能，其以水为分散介质，带有部分阳电荷，对环境和人身危害小[1]。用来抑制页岩水化膨胀、改善钻井液性能已有很长的历史[2]。人们对水基钻井液用页岩抑制剂不仅要求该产品对环境友好，其次产品具有良好的成膜性，流变性及较好的施工性[3-5]。由于高分子材料对环境友好，而聚合物乳液胶束粒径对它的成膜性能和对泥页岩吸附性等有很大的影响，其流变性施工性能亦有重要的影响。本实验研究疏水基团对页岩抑制剂性能的影响有重要意义。

1实验部分

1.1实验原料及试剂

丙烯酰胺（AM）：分析纯，天津福晨化学试剂厂，用氯仿重结晶后置于冰箱中冷藏，备用；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）：化学纯，无锡新宇化工有限公司；甲基丙烯酸甲酯（MMA），分析纯，过硫酸钾（KPS）：分析纯，临沂市天科工贸有限公司；实验用水：去离子水等。

1.2 页岩抑制剂的合成

将装有搅拌器、温度计的三颈烧瓶置于恒温水浴槽中，加入一定量的去离子水、AM、DMC、MMA，搅拌并使之溶解，在70℃恒温下将引发剂全部加入，反应3h，得到固含量15%的粘稠略泛白乳液，即为页岩抑制剂。

2结果讨论

为便于以下讨论特编制下表：

表1 不同含量MMA的P（AM/DMC/MMA）乳液

Designation A B C D E F

W（MMA）（%） 0 6.7 8.2 9.7 11.1 12.1

2.1 MMA用量对热稳定性能的影响

在温度较低（小于180℃）时，A和D的失重率都较小，为8.7%，可能是高分子中小分子和局部高分子链的断裂导致。随着MMA用量的增加，乳胶膜的热稳定性下降，且存在两个放热吸收峰，并随着MMA的引入放热峰增大。第一个放热峰在260℃左右，第二个放热峰在360℃附近。D的最大失重速率温度略微降低，失重速率稍微升高。这是由于引入MMA后使聚合物分子链间的氢键作用力减弱，分子链之间容易滑动，进而胶膜的热稳定性略微变差。

2.2 MMA用量对乳液粒径的影响

随MMA用量的增加，聚合物乳液的粒径由206.8 nm先减少至134.1nm，后增加至186.6nm，且粒径分布亦如此变化。这是由于MMA用量的增加，聚合物中AM的用量相应减少，聚合物分子之间的氢键作用降低，分子运动能力增强，有利于聚合物分子均匀分散在水中，使粒径减少。但当MMA用量增大到9%左右时，聚合物乳液粒径增加。这是由于MMA作为疏水单体，其用量的增加会使得体系中的原始增溶胶束数目减少，增大了乳胶粒粒径。同时，乳胶粒在生长过程中由于粒径不断增大，胶粒表面电荷密度降低而不稳定，使粒子在增长的同时容易发生凝聚，从而导致胶粒数下降，粒径变得更大。

2.3 MMA用量对页岩回收率及膨胀率的影响

随MMA用量的增加，页岩回收率先增加后减少，膨胀率线下降后升高。这是因为MMA作为疏水单体，其用量的增加时聚合物分子的疏水性增加，可以有效地减缓泥页岩的水化作用，使水分子难以进入泥页岩的内部，故页岩回收率升高，膨胀率下降。但当MMA增大到一定程度时，乳液粒径增大，乳胶粒分散性不好，导致成膜性和渗透性变差，使聚合物分子在泥页岩上的吸附能力降低，从而使页岩回收率降低，膨胀率升高。

3小结

（1）随着MMA含量的增加，胶膜的热力学性能胶膜热稳定性略微下降，粒径先减小后增大。

（2）页岩回收率达15.1%，膨胀率达13.68%。

【参考文献】

[1] Yuanzhi Qu， Xiaoqing Lai， Laifang Zou， Yi'nao Su. Polyoxyalkyleneamine as shale inhibitor in water-based drilling fluids[J]. Applied Clay Science， 2009 （44） ：265–268.

[2]Arvind D.Patel， Emanuel Stamatakis. SHALE HYDRATION INHIBITION AGENT AND METHOD OF USE[P]. United States Patent： US7312183B2， Dec 25，2007.

[3]Arvind D.Patel.LOW TOXICITY SHALE HYDRATION INHIBITION AGENT AND METHOD OF USE[P]. United States Patent： US7939473B2， May 10，2011.

[4]Simon Neil Duncum， Christopher Alan Sawdon. WELLBORE FLUID COMPRISING AT LEAST ONE POLYMER CONTAINING PENDANT ALKYL GROUPS[P]. United States Patent：US7943554B2，May 17，2011.

[5]Harry Dearing， Jay Simpson， Doug Huddle， Steve Daniel. Flexible Drilling Fluid Formulation and Application[R]. Houston， Texas： Houston Chapter of the American Association of Drilling Engineers，2004.