摘 要 : 以 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS) 和丙烯酰胺 (AM) 为原料 ,以过硫酸铵2亚 硫酸氢钠氧化还原体系为引发剂 ,采用水溶液聚合的方法合成了一种 AMPS/ AM 共聚物 固井降失水剂 ,并优化了聚合反应条件 ,对产物的固井降失水效果进行了室内评价。结果 表明 ,所合成的共聚物具有较好的固井降失水效果 ,抗盐、抗高温能力强 ,在淡水、盐水中 具有良好的降滤失作用。 

关键词 : 22丙烯酰胺222甲基丙磺酸 ; 丙烯酰胺 ; 降失水剂 ; 共聚物 

    2-丙烯酰胺2-甲基丙磺酸 (AMPS) 的分子式 为 C7H13NO4S ,相对分子质量为 207. 3 ,常温下是 一种极易吸湿、具有酸味的白色结晶或粉末 ,熔点 185 ℃。由于其分子结构中具有不饱和双键 ,并具 有强阴离子性和亲水性官能团磺酸基 ,使其具有 良好的水溶性 ;由于 SO3 H 电荷密度大 ,水化性 强 ,并且在负离子 SO -3 中 2 个π键和 3 个强电 负性氧原子共享一个负电荷 ,使 SO -3 稳定 ,对 外界阳离子的进攻不敏感 ,故 AMPS 有很好的抗 盐性 ;羰基氧的高电荷使 AMPS 具有良好的吸附性和络合性能[1～5 ] 。 AMPS 共聚物不仅可用于陆地和海上油田钻 探 ,而且可以与其它类型的油田化学品配合使用 , 广泛应用于钻井液、完井液、3 次采油和污水处理 等方面。AMPS 共聚物主要具有抗温性、抗水解 性、抗盐性、疏水缔合性 ,使其在高温、高盐油层的 钻探环境中具有更多的优点。 本工作在文献[ 6 ]基础上研究了 AMPS/ AM 共聚物的降失水性能对合成条件的依赖性 ,并对 AMPS/ AM 共聚物降失水剂进行了性能评价。 

1 实验部分

1. 1 原料 

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS) ,寿光泓创环保科技有限公司 ;丙烯酰胺 (AM) ,天 津市化学试剂研究所 ,用前经减压蒸馏 ;过硫酸 铵、亚硫酸氢钠、氢氧化钠、N ,N2亚甲基双丙烯酰 胺均为分析纯。 

1. 2 AMPS/ AM 共聚物的合成 

将计量 AMPS 溶于适量的水中 ,加入 250 mL 三颈反应瓶 ;用质量分数 20 %的氢氧化钠溶 液将体系 p H 值调至 615 ; 然后加入一定量的 AM ,搅拌溶解后升温至 50 ℃;再依次加入过硫 酸铵/ 亚硫酸氢钠作为引发剂 ,N ,N2亚甲基双丙 烯酰胺作为交联剂 ,不断搅拌下反应 5～10 min 得到凝胶状产物 ;在 50 ℃恒温水浴中静止反应 2～3 h ,将 反 应 产 物 取 出 , 烘 干 , 粉 碎 后 即 得 AMPS/ AM 共聚物。 

1. 3 降失水性能测试 

1. 3. 1 基浆配制 

淡水基浆 :1000 mL 水 + 013 %纯碱 + 4 %膨 润土 ;盐水泥浆 :4 %膨润土 + 4 %NaCl ;饱和盐水 泥浆 :饱和盐水中加 4 %抗盐土(以上用量均为质 量分数) 。 1. 3. 2 性能测试 用 ZNN2D6 型六速旋转粘度计测定钻井液 的流变参数 ,用 ZNS 型钻井液失水仪测定钻井液 的滤失量 ,以滤失量的大小评价产品的降滤失能 力。

2 结果与讨论 

2. 1 单体配比与粘度的关系 

在其他反应条件相同的情况下 ,恒定 AMPS 和 AM 单体总摩尔数 ,改变 AMPS 和 AM 的摩尔 比 ,单体配比与产物粘度的关系见图 1。从图中 可以看出 ,随着 AMPS 用量的增加 ,AMPS/ AM 共聚物的粘度增加 ,到达一个最大值 35 %后降 低。

2. 2 引发剂用量与粘度的关系 

在其他反应条件相同 ,AMPS 的摩尔分数为 35 % ,引发剂的用量对产物粘度的影响见图 2。 图 2 表明 ,随着引发剂用量的增加共聚物的特性 粘度减小 , 当引发剂的量超过单体总质量的 016 %时 ,产品的特性粘度趋于一定。在聚合中 ,引发剂用量太少 ,反应时间长且聚合不均匀 ,引发 剂用量过多 ,则产生引发的活性点太多 ,产物分子 量小且反应速率快 ,难以控制 ,甚至引起暴聚。 

2. 3 单体质量分数与粘度的关系 在其他反应条件相同 ,AMPS 的摩尔分数为 35 % ,引发剂质量分数 016 % ,总单体质量分数对 产物粘度的影响见图 3。图 3 表明 ,随着单体质 量分数的增加 ,产物的特性粘度变化不大 ,单体质 量分数 30 %时粘度最大 ,超过 65 %时易发生暴 聚 ,且反应不易控制。 

2. 4 AMPS/ AM 共聚物的红外光谱图 

图 4 是 AMPS/ AM 共聚物的红外光谱图。 图中波谱分别表征 :3471cm - 1有 NH2的特征吸 收峰 ,2940 cm - 1有 CH3的特征吸收峰 ,1676、 1561 cm - 1 有 CONH 的 特 征 吸 收 峰 , 1220、 1117、1045 cm - 1有 SO - 1 3 的特征吸收峰 ,并且 在 1635～1620 cm - 1处未见碳碳双键的特征吸收 峰 ,表明两种单体充分进行了共聚反应。 图 4 AMPS/ AM 共聚物的红外光谱图

2. 5 AMPS/ AM 共聚物的固井降失水效果评价 2. 5. 1 AMPS/ AM 共聚物对固井泥浆降失水效 果的影响 AMPS/ AM 共聚物对淡水泥浆 ,盐水泥浆 , 饱和盐水泥浆的降失水性能的影响见表 1。表 1 表明 ,AMPS/ AM 共聚物在本试验条件下对淡水 泥浆、盐水泥浆、饱和盐水泥浆均有良好的降失水 性 ,效果随加入量的增加而提高。 表 1 不同泥浆对共聚物降失水效果的影响 

2. 5. 2 温度变化对 AMPS/ AM 共聚物降失水效 果的影响 

温度对 AMPS/ AM 共聚物降失水效果的影响见 图 5。由图 5 表明 ,AMPS/ AM 共聚物具有较强 的抗温能力 ,在不同泥浆中抗温能力有所差别。 用 AMPS/ AM 共聚物处理的淡水泥浆和饱和盐 水泥浆经 200 ℃×16 h 老化后滤失量仍较低。 图 5 温度变化与滤失量的关系

3 结 论 AMPS/ AM 共聚物降失水剂的降失水性能 对合成条件具有较强的依赖性 ,当单体中 AMPS 摩尔分数约为 35 % ,引发剂用量约为单体总质量 的 0. 6 % ,总单体质量分数约为 30 %时 ,所得产物 对固井液的降失水效果最好。AMPS/ AM 共聚 物降失水剂抗盐性 ,降失水性和热稳定性好 ,且具 有良好的协同增效作用 ,作为固井液处理剂在淡 水、盐水和饱和盐水固井液中均具有较强的降失 水性。