黄原胶／AMPS／膨润土制备油田堵水剂的研究

2011-01-16李宇剑

石油化工高等学校学报 2011年6期

李辉，李宇剑

（1.渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛125000；2.大连理工大学，辽宁大连116024）

黄原胶是一种由假黄单胞菌属发酵产生的单孢多糖，黄原胶本身具极强的亲水性，在水中能快速溶解，其溶液粘度不随温度的变化而发生变化，对热具有较强的稳定性，在pH为5～10时，溶液相当稳定，具有极强的耐酸碱性［1］。由于黄原胶的耐高温性和耐酸碱性以及其优异的吸水性，在油田堵水剂方面有极其广阔的应用前景［2］。

国内外以黄原胶和丙烯酸，黄原胶和丙烯酰胺等为原料制备吸水树脂方法较为常见，但是以2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸、膨润土和黄原胶三元复合制备吸水树脂的方法较为少见［3－7］。黄原胶本身为水溶性胶，不能直接用作吸附材料，黄原胶－2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸保留了黄原胶的侧链上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群，增加了酰胺基和磺酸基，极大的增强了产物的吸水能力。

本文以黄原胶为主原料，以2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸／膨润土三元复合，采用水溶液法制备了一种具有高吸水性、耐热性和耐盐性的新型油田堵水剂。

1 实验部分

1.1 实验试剂

黄原胶（XG）、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸（AMPS）、膨润土、N，N－亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、氢氧化钠，以上试剂均为分析纯。

1.2 吸水性能测试

堵水剂的吸水倍率和保水值的测定方法见参考文献［8］。

1.3 堵水剂的制备

在250mL四口烧瓶中加入5g黄原胶和一定质量的2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸，并加入100mL去离子水搅拌40min使其完全溶解，加入一定量的膨润土搅拌均匀，然后加入交联剂N，N－亚甲基双丙烯酰胺，通入氮气将烧瓶中的氧气驱尽，加入过硫酸铵引发聚合反应，在60℃温度下反应4 h，加入1.0g氢氧化钠，调节pH至中性。待反应结束后取出产物，在80℃的烘箱中真空干燥至恒重，粉碎，得粗产品，备用。

2 结果与讨论

2.1 膨润土质量分数对堵水剂吸水性能的影响

图1为膨润土质量分数对堵水剂吸水性能的影响。

膨润土本身是层状的粘土物质，具有优良的吸水能力，虽然不能和堵水剂的吸水性能相比，但其表面存在许多化学活性点，能与树脂插层形成网状结构。吸水树脂一般主要通过形成网络结构而达到吸水的目的，在聚合反应过程中，加入膨润土可以形成微疏水的环境，因而形成的三维网络结构更为规整，因此吸水倍率在膨润土用量较少时明显提高。从图1中可以看出，当膨润土质量分数超过15%时，树脂的吸水倍率呈下降趋势，原因是当膨润土质量分数过大时，聚合物中磺酸基、酰胺基等亲水基团的含量减小，致使三维网络结构内外的渗透压变小，堵水剂的吸水倍率因而下降。

Fig.1 Effect of bentonite concentration on waterabsorption capacity of water shutoff agent图1 膨润土质量分数对堵水剂吸水性能的影响

2.2 AMPS质量分数对堵水剂吸水性能的影响

图2为AMPS质量分数对堵水剂吸水性能的影响。

Fig.2 Effect of APMS concentration on waterabsorption capacity of water shutoff agent图2 AMPS质量分数对堵水剂吸水性能的影响

从图2中可以看出，堵水剂的吸水倍率随AMPS用增加呈先增后减趋势，当用量为黄原胶质量的3%时，聚合反应速度较慢，会引起部分自由基失去活性，不能有效形成高分子网络结构，吸水倍率较低；随着AMPS用量的增大，反应速度提高，每个自由基引发接枝的单体数目增多，吸水倍率慢慢提高，但当AMPS质量分数大于3%时，很多单体聚集一起，聚合过程散热困难，单体发生均聚反应的几率增加，致使产物吸水性降低。

2.3 交联剂质量分数对堵水剂吸水性能的影响

图3为交联剂质量分数对堵水剂吸水性能的影响。从图3中可以看出，堵水剂吸水倍率随交联剂的增加呈现先升高后降低的趋势，当交联剂质量分数为2%时，吸水倍率达到最大值。原因是交联密度与堵水剂的吸水性相关，交联剂用量太少时，聚合物不能形成三维的网状结构，可溶成分偏多，即水溶性大，因此吸水倍率小；当交联剂用量太大时，聚合物所形成的网络结构过于密集，也就是说网络结构之间的缝隙变小，因此相对应的存贮水分的空间变小，吸水倍率也就相应的变小，与Flory的吸水倍率与交联密度成反比的结论相符。

Fig.3 Effect of crosslinking agent concentration on waterabsorption capacity of water shutoff agent图3 交联剂质量分数对堵水剂吸水性能的影响

2.4 引发剂质量分数对堵水剂吸水性能的影响

图4为引发剂质量分数对堵水剂吸水性能的影响。

Fig.4 Effect of initiator concentration on waterabsorption capacity of water shutoff agent图4 引发剂质量分数对堵水剂吸水性能的影响

从图4中可以看出，堵水剂的吸水倍率在引发剂质量分数小于2.5%时，随其用量的增加而变大，但是当引发剂质量分数超过2.5%时，吸水倍率反而开始降低。引发剂的用量在聚合反应中能够影响聚合反应速率，引发剂用量太少，聚合反应速率慢，随着引发剂用量的增大，聚合体系自由基增多，聚合反应速率变快，因此吸水倍率增加；但是当引发剂质量分数过大时，虽然聚合反应速率很快，但是均聚反应和偶合终止反应慢慢增加，产生了大量吸水性差的均聚物，从而导致吸水能力的下降。

2.5 堵水剂的稳定性研究

2.5.1 环境温度对堵水剂吸水性能的影响图5为不同温度下堵水剂的吸水倍率。

从图5中可以看出，随着环境温度的升高，堵水剂的吸水倍率逐渐下降，这是由于堵水剂在达到饱和吸水状态后，分子间的作用力减弱，部分分子键断裂，堵水剂中能溶解性部分增加，因此吸水倍率降低，但在80℃的高温下仍保持着1590g／g的吸水倍率。

Fig.5 Waterabsorbency of the water shutoff agent at different temperature图5 不同温度下堵水剂的吸水倍率

2.5.2 堵水剂的保水性能图6为不同温度12h后吸水树脂的保水率。

Fig.6 Water retaining rate of the water shutoff agent at diferentem temperatures after 12 h图6 不同温度12h后吸水树脂的保水率

从图6中可以看出，随着环境温度的升高，堵水剂的保水性能不断下降，在80℃，12h后仍能保水20%以上，说明具有良好的热稳定性。

2.6 堵水剂的耐盐性测试

图7为不同质量分数的NaCl溶液对堵水剂吸水性能的影响。从图7中可以看出，虽然堵水剂的吸水性能为其主要指标，但其耐盐性太差也不能发挥其应有作用，在相同环境下，堵水剂吸去离子水的能力为1 677g／g，但是其吸收质量分数为0.9% NaCl溶液的能力仅为165g／g，而且随着NaCl溶液质量分数的提高，其吸盐水的能力逐渐下降。主要原因为外界电解质溶液会减小堵水剂分子网络与电解质溶液之间的渗透压，导致吸盐水倍率降低。但在质量分数为5%的NaCl溶液中，其吸盐水的倍率仍在100g／g以上，说明其具有良好的耐盐性。