乳液聚合物的合成及其在钻井液中的性能研究

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1、精细石油化工进展20ADVANCESINFINEPETROCHEMICALS第l6卷第2期乳液聚合物的合成及其在钻井液中的性能研究董晓波，赵晖，刘敏。，张磊(1．大庆钻探工程公司钻井一公司冀东项目部，黑龙江大庆163411；2．胜利石油工程有限公司渤海钻井一公司，山东东营257000；3．川庆钻探长庆钻井总公司第一工程项目部技术办，西安710021；4．中国石油大学(华东)石油工程学院，山东青岛266580)摘要利用反相乳液聚合方法合成了一种钻井液用阳离子乳液聚合物。该聚合物易溶于水、固含量高；作为钻井液的抗高温高盐添加剂，具有较好的增黏、提切、降失水性能；当乳液聚合

2、物加量为0．2％一0．4％时，即可达到钻井液性能的基本要求，满足钻井工程的需要。关键词反相乳液聚合抗温抗盐增黏降失水钻井液被称为钻井工艺的“血液”，是钻井技并对其性能进行了研究。术的重要组成部分。钻井液的性能直接影响钻井1乳液聚合机理质量和经济效益，在满足钻井条件的同时，开发出1962年，Vanderhof等以有机溶剂为介质，进低成本的钻井液体系显得极其重要Hj。行了水溶性单体的反相乳液聚合，发现反相乳液20世纪70年代以来，丙烯酰胺类聚合物作聚合与溶液聚合相比具有很多优点，如聚合速率为钻井液添加剂在钻井液中广泛应用，并逐渐成高，得到的胶乳通过调节体系的pH或加入乳化

3、为一种低固相不分散钻井液体系，有效控制了地剂等方法可使聚合物迅速溶于水，比粉末型聚合层的造浆，大大提高了井壁稳定性，在提高钻井速物的应用更加方便。乳液聚合是单体在水(或其度方面效果显著。但是我国对该产品的开发起步他分散介质)中由乳化剂分散成乳液状态所进行较晚，主要合成方法为水溶液聚合法，该方法常存的聚合，其组分是单体、分散介质、乳化剂和引发在固含量低、反应体系黏度大、易凝胶、聚合热难剂。通常以水为分散介质，而聚合单体不溶于水，以及时散出、产率低、产品难溶于水等问题。该类连续相为水，分散相为油，是水包油(O／W)型；反处理剂在使用时需重新分散到水中，增加了生产之，若以非

4、极性的油为连续相，以水为分散相，水费用，不但浪费了宝贵的烃资源，也造成了水系统溶性单体进行的乳液聚合则为反相乳液聚合，为和环境的污染。而且在干燥的过程中高温烘干和油包水(w／0)型。剪切作用易使高分子链降解和交联，使粉剂产品乳液聚合的时间一转化率关系如图1所示。的溶解性、絮凝性等变差。根据反应机理可以分为4个阶段：分散阶段、乳胶与其他聚合方法相比，乳液聚合法具有一些粒生成阶段(阶段I)、乳胶粒长大阶段(阶段突出的优点引：1)聚合体系在聚合过程中始终Ⅱ)、聚合反应完成阶段(阶段Ⅲ)。处于流动性良好的状态，自由基聚合放出的反应热很容易通过水相传递出去；2)聚合速率比通常的

5、本体平衡聚合高得多；3)聚合产物的相对分子质量比本体或溶液聚合的产物高得多；4)聚合产物以乳胶形式生成，易操作，若产物直接以乳胶形式使用，其优点更明显；5)易通过加入链转移剂来控制产物相对分子质量，从而控制最终产物的性质；6)聚合过程和产物乳胶均以水为介质，安图1乳液聚合时间一转化率关系示意图全和环境问题较少。乳液聚合已成为工业上广泛使用的聚合方法，其产物被应用于很多领域。笔收稿日期：2014—12—28。者采用反相乳液聚合的方法合成了乳液聚合物，作者简介：董晓波，工程师，从事钻井液的技术服务与研发工作。2015年3月董晓波等．乳液聚合物的合成及其在钻井液中的性能研究

6、21乳液聚合反应在由乳化剂形成的胶束中进第Ⅱ阶段为恒速期，此阶段体系中只有乳胶粒和行。胶束的比表面积极大，水溶性引发剂分解产单体小液滴2种粒子，乳胶粒数目不变，体积不断生的自由基能够扩散进人，而胶束内部的亲油性增大。单体小液滴体积不断变小，数目不断减少，使得胶束内的单体浓度相当高。自由基与单体相直至单体小液滴消失。在此阶段同样发生自由基遇引发聚合反应，随着聚合反应的进行，溶解在水由水相向乳胶粒、单体由水相向乳胶粒、单体由单中的单体进入胶束，补充因聚合反应消耗的单体，体小液滴向水相的转移，还发生乳化剂由单体小而单体小液滴中的单体又逐渐溶解在水中。反应液滴表面向乳胶粒表面

7、的转移。第Ⅲ阶段为减速初期体系中有3种粒子，即单体液滴、发生聚合的期，此阶段体系中只有乳胶粒1种粒子，没有发生胶束和没有发生聚合的胶束。胶束发生聚合形成单体和乳化剂的转移，只有自由基由水相向乳胶粒的转移。聚合物乳胶粒的过程称为成核作用。成核机理包括胶束成核和均相成核。乳液聚合过程分为3个2乳液聚合物的合成阶段。第1阶段为成核期，在此阶段聚合物乳胶阳离子乳液聚合物的室内合成过程如粒体积不断增大，数目不断增加，单体液滴体积不下卜¨]：在250mL的四口烧瓶中加入乳化剂和断减小，数目不变，未成核胶束不断减少直至消白油，加热溶解，同时在加料器内加入丙烯酰胺、