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(jìn)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(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明PASC1可插層到粘土顆粒的層間，中和層間負(fù)電荷，削弱了層間的靜電斥力，減小層間距。在濃度達(dá)到5000mg/L時(shí)，宏觀上防膨效果達(dá)到最佳；聚合物的疏水尾和電荷補(bǔ)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(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)部分

1.1材料和儀器

聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，實(shí)驗(yàn)室自制，具體合成過程依照文獻(xiàn)制得。膨潤土，規(guī)格。去離子水，實(shí)驗(yàn)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(jì)；DF——101恒溫加熱磁力攪拌器；L——500低速離心機(jī)；LGJ——10真空冷凍干燥機(jī)；KQ3200E超聲機(jī)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1防膨性能評價(jià)方法 粘土穩(wěn)定劑的性能評價(jià)方法參照中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5971—94?油田注水用粘土粘土穩(wěn)定劑性能評價(jià)?中規(guī)定的離心法進(jìn)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(jī)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(xì)粉后進(jìn)行XRD分析。Cu靶材（λ=1.5406a），發(fā)電機(jī)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(shí)驗(yàn) 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(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

1.2.5濁度測試 采用濁度計(jì)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(shí)驗(yàn)前，濁度計(jì)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(jìn)行測量，溫度為（25.0±0.1）℃。

2結(jié)果與討論

2.1防膨效果

當(dāng)PASC1聚電解質(zhì)粘土粘土穩(wěn)定劑的存在時(shí)，可插層到粘土顆粒的層間，中和層間負(fù)電荷，削弱了層間的靜電斥力，進(jìn)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(shí)，防膨效果明顯，當(dāng)濃度達(dá)到5000mg/L時(shí)，效果達(dá)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(dāng)濃度達(dá)到1000mg/L時(shí)，層間距達(dá)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?yàn)檎姾傻脑龆?，使得層間負(fù)電荷被中和后，轉(zhuǎn)換為正電相互排斥，同時(shí)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(dāng)質(zhì)量濃度為5000mg/L時(shí)，出現(xiàn)層間距為13.20nm和17.66nm的雙衍射峰，表明此時(shí)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(shí)，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(jìn)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(fù)電荷，這意味著需要陽離子達(dá)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(dāng)Na——BT與水接觸時(shí)，水可進(jìn)入晶層內(nèi)部，使可交換陽離子解離，在晶層表面建立擴(kuò)散雙電層，從而產(chǎn)生負(fù)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(fù)到正。當(dāng)PASC1濃度達(dá)到200mg/L時(shí)，Zeta電位（圖5）達(dá)到等電點(diǎn)（IEP）。在等電點(diǎn)IEP附近，可以觀察到較快速的沉降行為；遠(yuǎn)離等電點(diǎn)的懸浮體系由于帶正電荷重新穩(wěn)定，說明由擴(kuò)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(dá)到100%左右時(shí)，其Zeta電位值仍舊為負(fù)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(bǔ)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(dāng)溶液濃度低于0.03g/L時(shí)，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(gè)濃度范圍內(nèi)，PASC1不具有表面活性。當(dāng)濃度高于0.03g/L時(shí)，濃度增大可以明顯的降低表面張力值。當(dāng)濃度達(dá)到0.6g/L時(shí)，表面張力值隨著濃度增加的改變又變得緩慢。當(dāng)濃度達(dá)到最大值6g/L時(shí)，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(fù)電荷，削弱了層間的靜電斥力，進(jìn)而層間距減小了，在宏觀上展現(xiàn)為粘土體積的減少。當(dāng)濃度達(dá)到5000mg/L時(shí)，宏觀上防膨效果達(dá)到最佳。

（2）PASC1的插層改變了粘土的層間距，當(dāng)濃度達(dá)到1000mg/L時(shí)，層間距d達(dá)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(bǔ)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。