盐响应聚合物刺激响应机理及在饱和盐水钻井液中的应用
发布时间：2021-07-21 19:04
以丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）与3-丙烯酰胺丙基-三甲基氯化铵（TAC）为单体,通过改变投料比例,采用水溶液聚合法合成了一系列电荷分布不同的AM-AMPS-TAC聚合物,通过室内实验研究聚合物的盐响应行为、盐响应性致因以及聚合物分子结构对盐响应性的影响,并进行应用分析。采用分步剪切模式进行流变性测试,结果证明AM-AMPS-TAC聚合物具有盐响应特性,且AMPS与TAC投料量越接近盐响应性越显著。通过浊度测试与微观形貌分析研究了聚合物分子链构象随盐刺激的变化规律,并结合特性黏度测试与共聚物组成分析研究了盐响应机理,结果表明,聚合物的盐响应行为源于分子链构象在盐刺激下发生了由蜷曲到伸展的转变,这种转变是聚合物分子内离子键被盐的电荷屏蔽作用削弱所致。将AM90-AMPS5-TAC5与降滤失剂PAC-Lv复配应用于饱和盐水钻井液体系中,抗盐与耐温效果最优,钻井液在150℃、饱和NaCl条件下长时间维持稳定黏度和良好分散,且滤失量小。图7表3参16
【文章来源】：石油勘探与开发. 2020,47(05)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
AM90-AMPS5-TAC5清水溶液（a）和盐水溶液（b）的微观形貌
由图5可以看出，AM-AMPS-TAC聚合物的特性黏度随Na Cl浓度的变化规律与图3表观黏度的变化规律基本一致。由于特性黏度表示聚合物单个分子链对溶液黏度的贡献，排除了聚合物不同分子链之间相互作用对黏度的影响，可知AM-AMPS-TAC聚合物的盐响应行为源于分子内离子键被削弱所导致的分子链构象伸展。盐浓度越高，削弱程度越大，则伸展程度越高；由于分子内离子键的减弱，聚合物分子链变得更柔顺，从而使聚合物溶液表现出更强的剪切稀释性[13,15]。上述实验结果表明AM-AMPS-TAC聚合物的盐响应性也受其分子结构的影响，而分子结构的差异是由阴离子单体AMPS与阳离子单体TAC的投料比例不同所致，但单体投料比例与其结构单元在聚合物中的实际比例往往并不一致，所以进行了共聚物组成分析。将图2中代表AMPS结构单元的特征峰c(—CH3,6H）与代表TAC结构单元的特征峰h(—CH3,9H）积分，按照（3）式通过对比峰面积计算两个结构单元在相应聚合物中的实际比例（AM90-AMPS10中AMPS结构单元的比例基于峰a、峰d的面积计算）。
以AM、AMPS、TAC为单体，控制摩尔投料比例分别为90∶5∶5,90∶6∶4,90∶7∶3,90∶8∶2,90∶9∶1，采用水溶液聚合法合成了一系列AM-AMPS-TAC聚合物。聚合物的合成方法如下：(1)将3种单体共40 g（每种单体质量按投料比例计算）溶于300 m L去离子水中，用Na OH调节p H值至7.5;(2)向溶液中加入10 g分散剂Na Cl[8]、0.15 g链转移剂HCOONa和50 mg引发剂K2S2O8，充分溶解后通高纯氮气除氧；(3)将溶液密封后置于60℃水浴中，保持匀速搅拌反应12 h，结束后得到黏稠溶胶；(4)使用截留相对分子质量为1 000的透析袋多次提纯溶胶，然后将溶胶快速烘干、粉碎，最终得到白色粉末状聚合物。此外，按照上述步骤合成AM、AMPS投料比例为90∶10的AM-AMPS聚合物，唯一区别在于合成过程中不需加入分散剂Na Cl。为表述方便，后文聚合物均写作AM90-AMPSx-TACy，其中x、y分别为对应单体的摩尔投料份数（如AM90-AMPS5-TAC5、AM90-AMPS10）。AM-AMPS-TAC聚合物的分子结构通式如图1所示，其中a—f代表不同基团上的氢原子。使用重水（D2O）作溶剂，采用核磁共振氢谱（1H-NMR）表征聚合物的分子结构。图2a为AM90-AMPS10的1H-NMR图谱，其中，峰a((2.04～2.37）×10-6）、峰b((1.52～1.84）×10-6）分别为聚合物主链上次甲基、亚甲基氢的峰（见图1）；峰c(1.45×10-6）、峰d((3.12～3.79）×10-6）分别为AMPS结构单元上甲基、亚甲基氢的峰。图2b—2f分别为AM90-AMPS5-TAC5、AM90-AMPS6-TAC4、AM90-AMPS7-TAC3、AM90-AMPS8-TAC2和AM90-AMPS9-TAC1的1H-NMR图谱，其中出现的峰h((3.10～3.39）×10-6）为TAC结构单元中甲基氢的峰，同时在3.50×10-6处出现若干峰，为AMPS与TAC结构单元中亚甲基氢的峰（d、e、f、g），但重叠不可辨。上述结果表明各聚合反应成功，且图中未出现烯氢峰（（4.50～6.50）×10-6）证明聚合物均得到充分提纯。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超双疏强自洁高效能水基钻井液[J]. 蒋官澄,倪晓骁,李武泉,全晓虎,罗绪武. 石油勘探与开发. 2020(02)
[2]一种新型抗高温降滤失剂的研究和应用[J]. 常晓峰,孙金声,吕开河,张帆. 钻井液与完井液. 2019(04)
[3]未来10年极具发展潜力的20项油气勘探开发新技术[J]. 杨金华,李晓光,孙乃达,张焕芝,邱茂鑫,焦姣,侯亮,张珈铭,郭晓霞,刘知鑫. 石油科技论坛. 2019(01)
[4]基于盐响应型两性离子聚合物的饱和盐水钻井液[J]. 蒋官澄,贺垠博,崔物格,杨丽丽,叶晨曦. 石油勘探与开发. 2019(02)
[5]抗盐碱星形聚合物的合成和性能评价[J]. 罗文利,韩冬,韦莉,林庆霞,樊剑. 石油勘探与开发. 2010(04)
本文编号：3295598
【文章来源】：石油勘探与开发. 2020,47(05)北大核心EISCICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
AM90-AMPS5-TAC5清水溶液（a）和盐水溶液（b）的微观形貌
由图5可以看出，AM-AMPS-TAC聚合物的特性黏度随Na Cl浓度的变化规律与图3表观黏度的变化规律基本一致。由于特性黏度表示聚合物单个分子链对溶液黏度的贡献，排除了聚合物不同分子链之间相互作用对黏度的影响，可知AM-AMPS-TAC聚合物的盐响应行为源于分子内离子键被削弱所导致的分子链构象伸展。盐浓度越高，削弱程度越大，则伸展程度越高；由于分子内离子键的减弱，聚合物分子链变得更柔顺，从而使聚合物溶液表现出更强的剪切稀释性[13,15]。上述实验结果表明AM-AMPS-TAC聚合物的盐响应性也受其分子结构的影响，而分子结构的差异是由阴离子单体AMPS与阳离子单体TAC的投料比例不同所致，但单体投料比例与其结构单元在聚合物中的实际比例往往并不一致，所以进行了共聚物组成分析。将图2中代表AMPS结构单元的特征峰c(—CH3,6H）与代表TAC结构单元的特征峰h(—CH3,9H）积分，按照（3）式通过对比峰面积计算两个结构单元在相应聚合物中的实际比例（AM90-AMPS10中AMPS结构单元的比例基于峰a、峰d的面积计算）。
以AM、AMPS、TAC为单体，控制摩尔投料比例分别为90∶5∶5,90∶6∶4,90∶7∶3,90∶8∶2,90∶9∶1，采用水溶液聚合法合成了一系列AM-AMPS-TAC聚合物。聚合物的合成方法如下：(1)将3种单体共40 g（每种单体质量按投料比例计算）溶于300 m L去离子水中，用Na OH调节p H值至7.5;(2)向溶液中加入10 g分散剂Na Cl[8]、0.15 g链转移剂HCOONa和50 mg引发剂K2S2O8，充分溶解后通高纯氮气除氧；(3)将溶液密封后置于60℃水浴中，保持匀速搅拌反应12 h，结束后得到黏稠溶胶；(4)使用截留相对分子质量为1 000的透析袋多次提纯溶胶，然后将溶胶快速烘干、粉碎，最终得到白色粉末状聚合物。此外，按照上述步骤合成AM、AMPS投料比例为90∶10的AM-AMPS聚合物，唯一区别在于合成过程中不需加入分散剂Na Cl。为表述方便，后文聚合物均写作AM90-AMPSx-TACy，其中x、y分别为对应单体的摩尔投料份数（如AM90-AMPS5-TAC5、AM90-AMPS10）。AM-AMPS-TAC聚合物的分子结构通式如图1所示，其中a—f代表不同基团上的氢原子。使用重水（D2O）作溶剂，采用核磁共振氢谱（1H-NMR）表征聚合物的分子结构。图2a为AM90-AMPS10的1H-NMR图谱，其中，峰a((2.04～2.37）×10-6）、峰b((1.52～1.84）×10-6）分别为聚合物主链上次甲基、亚甲基氢的峰（见图1）；峰c(1.45×10-6）、峰d((3.12～3.79）×10-6）分别为AMPS结构单元上甲基、亚甲基氢的峰。图2b—2f分别为AM90-AMPS5-TAC5、AM90-AMPS6-TAC4、AM90-AMPS7-TAC3、AM90-AMPS8-TAC2和AM90-AMPS9-TAC1的1H-NMR图谱，其中出现的峰h((3.10～3.39）×10-6）为TAC结构单元中甲基氢的峰，同时在3.50×10-6处出现若干峰，为AMPS与TAC结构单元中亚甲基氢的峰（d、e、f、g），但重叠不可辨。上述结果表明各聚合反应成功，且图中未出现烯氢峰（（4.50～6.50）×10-6）证明聚合物均得到充分提纯。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超双疏强自洁高效能水基钻井液[J]. 蒋官澄,倪晓骁,李武泉,全晓虎,罗绪武. 石油勘探与开发. 2020(02)
[2]一种新型抗高温降滤失剂的研究和应用[J]. 常晓峰,孙金声,吕开河,张帆. 钻井液与完井液. 2019(04)
[3]未来10年极具发展潜力的20项油气勘探开发新技术[J]. 杨金华,李晓光,孙乃达,张焕芝,邱茂鑫,焦姣,侯亮,张珈铭,郭晓霞,刘知鑫. 石油科技论坛. 2019(01)
[4]基于盐响应型两性离子聚合物的饱和盐水钻井液[J]. 蒋官澄,贺垠博,崔物格,杨丽丽,叶晨曦. 石油勘探与开发. 2019(02)
[5]抗盐碱星形聚合物的合成和性能评价[J]. 罗文利,韩冬,韦莉,林庆霞,樊剑. 石油勘探与开发. 2010(04)
本文编号：3295598
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