疏水基團對頁巖抑制劑性能的影響

李菁熠

【摘要】在催化劑及少量膠體穩定劑的作用下，以丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）為主要原料，通過無皂乳液聚合制備了一系列的P（AM/DMC/MMA）乳液。通過激光顆粒粒度分析儀（DLS） 、熱失重分析（TGA）分析了不同MMA用量對乳液粒徑和膠膜熱穩定性的影響。研究了不同MMA含量對頁巖回收率和膨脹率的影響。研究結果表明：隨MMA的增加乳液粒徑先減小后增大，乳膠膜分解溫度略微降低，頁巖回收率達15.1%，膨脹率達13.68%。

【關鍵詞】頁巖抑制劑 流變性 丙烯酰胺 水基鉆井液

銨（胺）類聚合物作為頁巖抑制劑具有許多優良的性能，其以水為分散介質，帶有部分陽電荷，對環境和人身危害小[1]。用來抑制頁巖水化膨脹、改善鉆井液性能已有很長的歷史[2]。人們對水基鉆井液用頁巖抑制劑不僅要求該產品對環境友好，其次產品具有良好的成膜性，流變性及較好的施工性[3-5]。由于高分子材料對環境友好，而聚合物乳液膠束粒徑對它的成膜性能和對泥頁巖吸附性等有很大的影響，其流變性施工性能亦有重要的影響。本實驗研究疏水基團對頁巖抑制劑性能的影響有重要意義。

1實驗部分

1.1實驗原料及試劑

丙烯酰胺（AM）：分析純，天津福晨化學試劑廠，用氯仿重結晶后置于冰箱中冷藏，備用；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）：化學純，無錫新宇化工有限公司；甲基丙烯酸甲酯（MMA），分析純，過硫酸鉀（KPS）：分析純，臨沂市天科工貿有限公司；實驗用水：去離子水等。

1.2 頁巖抑制劑的合成

將裝有攪拌器、溫度計的三頸燒瓶置于恒溫水浴槽中，加入一定量的去離子水、AM、DMC、MMA，攪拌并使之溶解，在70℃恒溫下將引發劑全部加入，反應3h，得到固含量15%的粘稠略泛白乳液，即為頁巖抑制劑。

2結果討論

為便于以下討論特編制下表：

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用量對熱穩定性能的影響

在溫度較低（小于180℃）時，A和D的失重率都較小，為8.7%，可能是高分子中小分子和局部高分子鏈的斷裂導致。隨著MMA用量的增加，乳膠膜的熱穩定性下降，且存在兩個放熱吸收峰，并隨著MMA的引入放熱峰增大。第一個放熱峰在260℃左右，第二個放熱峰在360℃附近。D的最大失重速率溫度略微降低，失重速率稍微升高。這是由于引入MMA后使聚合物分子鏈間的氫鍵作用力減弱，分子鏈之間容易滑動，進而膠膜的熱穩定性略微變差。

2.2 MMA用量對乳液粒徑的影響

隨MMA用量的增加，聚合物乳液的粒徑由206.8 nm先減少至134.1nm，后增加至186.6nm，且粒徑分布亦如此變化。這是由于MMA用量的增加，聚合物中AM的用量相應減少，聚合物分子之間的氫鍵作用降低，分子運動能力增強，有利于聚合物分子均勻分散在水中，使粒徑減少。但當MMA用量增大到9%左右時，聚合物乳液粒徑增加。這是由于MMA作為疏水單體，其用量的增加會使得體系中的原始增溶膠束數目減少，增大了乳膠粒粒徑。同時，乳膠粒在生長過程中由于粒徑不斷增大，膠粒表面電荷密度降低而不穩定，使粒子在增長的同時容易發生凝聚，從而導致膠粒數下降，粒徑變得更大。

2.3 MMA用量對頁巖回收率及膨脹率的影響

隨MMA用量的增加，頁巖回收率先增加后減少，膨脹率線下降后升高。這是因為MMA作為疏水單體，其用量的增加時聚合物分子的疏水性增加，可以有效地減緩泥頁巖的水化作用，使水分子難以進入泥頁巖的內部，故頁巖回收率升高，膨脹率下降。但當MMA增大到一定程度時，乳液粒徑增大，乳膠粒分散性不好，導致成膜性和滲透性變差，使聚合物分子在泥頁巖上的吸附能力降低，從而使頁巖回收率降低，膨脹率升高。

3小結

（1）隨著MMA含量的增加，膠膜的熱力學性能膠膜熱穩定性略微下降，粒徑先減小后增大。

（2）頁巖回收率達15.1%，膨脹率達13.68%。

【參考文獻】

[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.