摘要：以丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為原料，通過自由基聚合合成了粘土穩(wěn)定劑PASC1,并進行了防膨、絮凝及表面張力的性能測試。通過防膨測試離心法、XRD、Zeta電位、濁度和表面張力實驗測試，結(jié)果表明PASC1可插層到粘土顆粒的層間，中和層間負電荷，削弱了層間的靜電斥力，減小層間距。在濃度達到5000mg/L時，宏觀上防膨效果達到最佳；聚合物的疏水尾和電荷補丁作用均有利于固液分離，有明顯的絮凝效果；且具有一定的表面活性，可降低表面張力。粘土穩(wěn)定劑作為油田用化學(xué)助劑之一，應(yīng)用范圍廣泛，越來越受到石油工作者的重視。近年來，在粘土穩(wěn)定劑的研究中，發(fā)現(xiàn)胺類抑制劑能夠有效的抑制粘土水化分散，具有持久的粘土穩(wěn)定作用。但是其聚合物長鏈會吸附在巖石表面，堵塞地層，降低儲層滲透率。本文以丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為原料，通過自由基聚合合成了低聚物聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（PASC1），作為一種新型的陽離子黏土穩(wěn)定劑，進行了防膨、絮凝及表面張力的性能測試。測試表明該合成粘土穩(wěn)定劑PASC1在低濃度時具有優(yōu)異的防膨、絮凝性能且具有表面活性，將成為未來一種杰出的粘土穩(wěn)定劑。

1實驗部分

1.1材料和儀器

聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，實驗室自制，具體合成過程依照文獻制得。膨潤土，規(guī)格。去離子水，實驗室自制。AR2140電子分析天平；MalvernNanoZSZEN3600Zeta電位儀；PANalyticalX射線衍射儀；BrukerAV400液體核磁共振波譜儀；SalvisVC20真空干燥箱；PC920濁度計；DF——101恒溫加熱磁力攪拌器；L——500低速離心機；LGJ——10真空冷凍干燥機；KQ3200E超聲機。

1.2實驗方法

1.2.1防膨性能評價方法 粘土穩(wěn)定劑的性能評價方法參照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準SY/T5971—94?油田注水用粘土粘土穩(wěn)定劑性能評價?中規(guī)定的離心法進行。稱取0.50g膨潤土粉，裝入10mL離心管中，加入不同濃度的粘土穩(wěn)定劑溶液10mL,充分搖勻，在室溫下存放2h,裝入離心機內(nèi)，在轉(zhuǎn)速為1500r/min下離心分離15min,觀察離心管中的粘土的膨脹體積，分析比較防膨效果。

1.2.2XRD  通過X射線衍射儀測定粘土在不同濃度聚合物水溶液作用下層間距的變化。將不同濃度粘土穩(wěn)定劑作用下的粘土在105℃下干燥，研磨至細粉后進行XRD分析。Cu靶材（λ=1.5406a），發(fā)電機電壓為40kV,電流為40mA.樣品測試的散射角2θ范圍為2°——10°.

1.2.3絮凝實驗 15mg粘土粉末裝入10mL透明瓶中，然后用移液槍移取粘土穩(wěn)定劑溶液5ml,搖勻。超聲30分鐘。0min和30min拍照記錄現(xiàn)象，觀察瓶內(nèi)絮凝沉積效果。

1.2.4Zeta電位測定 Zeta電位采用的是電泳法，測試溫度為（25.0±0.1）℃。測試加和不加聚合物（PASC1）溶液粘土懸浮分散體系的上清液的Zeta電位，每次實驗重復(fù)3次取平均值。

1.2.5濁度測試 采用濁度計測試在波長450nm處，測粘土懸浮液中上層清液的透光率。每次實驗前，濁度計的探針要用3次水校正，使得透光率為100%.

1.2.6表面張力測試 以逐步稀釋法配制PASC1水溶液，溶劑為表面張力是71.6mN/m的超純水。用吊片法測量聚合物水溶液的表面張力。按配制的溶液濃度從小到大依次進行測量，溫度為（25.0±0.1）℃。

2結(jié)果與討論

2.1防膨效果

當PASC1聚電解質(zhì)粘土粘土穩(wěn)定劑的存在時，可插層到粘土顆粒的層間，中和層間負電荷，削弱了層間的靜電斥力，進而層間距減小了，在宏觀上展現(xiàn)為粘土體積的減少，見圖1.PASC1濃度在500mg/L以上時，防膨效果明顯，當濃度達到5000mg/L時，效果達到最佳。不同濃度PASC1聚電解質(zhì)溶液作用后的粘土的層間距d見圖2,PASC1的加入明顯改變了粘土的層間距，從最初的的19.47nm減小到了12.62nm,此后粘土的層間距微弱的減小，當濃度達到1000mg/L時，層間距達到最小的。隨后層間距出現(xiàn)了增大的現(xiàn)象，原因可能是因為正電荷的增多，使得層間負電荷被中和后，轉(zhuǎn)換為正電相互排斥，同時過多的均聚物插層入粘土層間，同樣引起了層間距的增大，引起層間距的增大。當質(zhì)量濃度為5000mg/L時，出現(xiàn)層間距為13.20nm和17.66nm的雙衍射峰，表明此時PASC1分子在粘土層間由單層向雙層排列轉(zhuǎn)變。

2.2絮凝性能

PASC1的絮凝效果見圖3、圖4.PASC1濃度為10——50mg/L時，透過率接近100%,繼續(xù)增加PASC1的濃度，體系重新變得渾濁。隨著PASC1濃度的進一步增加，體系的透過率降低，粘土顆粒懸浮體系重新穩(wěn)定。粘土顆粒的表面由于同構(gòu)取代而帶負電荷，這意味著需要陽離子達到電荷平衡。對于鈉基膨潤土（Na——BT），Na+離子被吸引到層空間中。當Na——BT與水接觸時，水可進入晶層內(nèi)部，使可交換陽離子解離，在晶層表面建立擴散雙電層，從而產(chǎn)生負電性。

由圖5可知，粘土水的懸浮液電位為~14.83mV,隨著PASC1聚電解質(zhì)的加入，電位逐漸增大至+26.13mV.這是由于帶有正電荷的聚電解吸附在粘土顆粒表面，產(chǎn)生電荷中和，使得電位由負到正。當PASC1濃度達到200mg/L時，Zeta電位（圖5）達到等電點（IEP）。在等電點IEP附近，可以觀察到較快速的沉降行為；遠離等電點的懸浮體系由于帶正電荷重新穩(wěn)定，說明由擴散雙電層引起的靜電斥力變大，體系重新平衡。對比圖4和圖6可知，粘土分散體系的透過率達到100%左右時，其Zeta電位值仍舊為負值，表明除了靜電中和作用外，還有額外的引力作用存在。PASC1聚合物伸展出來的疏水尾鏈的疏水作用和電荷補丁作用均有利于固液分離，產(chǎn)生明顯的絮凝效果。

2.3表面張力

溶劑為表面張力是71.6mN/m的超純水，由圖6可知，隨當溶液濃度低于0.03g/L時，表面張力隨著PASC1濃度的增加見圖6,這說明在低于0.03g/L這個濃度范圍內(nèi)，PASC1不具有表面活性。當濃度高于0.03g/L時，濃度增大可以明顯的降低表面張力值。當濃度達到0.6g/L時，表面張力值隨著濃度增加的改變又變得緩慢。當濃度達到最大值6g/L時，PASC1的表面張力值下降到41.17mN/m.由此可知，PASC1具有一定的表面活性，可降低表面張力。圖6PASC1在0——6g/L下的表面張力

3結(jié)論

（1）PASC1可插層到粘土顆粒的層間，中和層間負電荷，削弱了層間的靜電斥力，進而層間距減小了，在宏觀上展現(xiàn)為粘土體積的減少。當濃度達到5000mg/L時，宏觀上防膨效果達到最佳。

（2）PASC1的插層改變了粘土的層間距，當濃度達到1000mg/L時，層間距d達到最小。

（3）PASC1聚合物伸展出來的疏水尾鏈的疏水作用和電荷補丁作用均有利于固液分離，產(chǎn)生明顯的絮凝效果。

（4）PASC1具有一定的表面活性，可降低表面張力。