摘要：以丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为原料，通过自由基聚合合成了粘土稳定剂PASC1,并进行了防膨、絮凝及表面张力的性能测试。通过防膨测试离心法、XRD、Zeta电位、浊度和表面张力实验测试，结果表明PASC1可插层到粘土颗粒的层间，中和层间负电荷，削弱了层间的静电斥力，减小层间距。在浓度达到5000mg/L时，宏观上防膨效果达到最佳；聚合物的疏水尾和电荷补丁作用均有利于固液分离，有明显的絮凝效果；且具有一定的表面活性，可降低表面张力。粘土稳定剂作为油田用化学助剂之一，应用范围广泛，越来越受到石油工作者的重视。近年来，在粘土稳定剂的研究中，发现胺类抑制剂能够有效的抑制粘土水化分散，具有持久的粘土稳定作用。但是其聚合物长链会吸附在岩石表面，堵塞地层，降低储层渗透率。本文以丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为原料，通过自由基聚合合成了低聚物聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PASC1），作为一种新型的阳离子黏土稳定剂，进行了防膨、絮凝及表面张力的性能测试。测试表明该合成粘土稳定剂PASC1在低浓度时具有优异的防膨、絮凝性能且具有表面活性，将成为未来一种杰出的粘土稳定剂。

1实验部分

1.1材料和仪器

聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，实验室自制，具体合成过程依照文献制得。膨润土，规格。去离子水，实验室自制。AR2140电子分析天平；MalvernNanoZSZEN3600Zeta电位仪；PANalyticalX射线衍射仪；BrukerAV400液体核磁共振波谱仪；SalvisVC20真空干燥箱；PC920浊度计；DF——101恒温加热磁力搅拌器；L——500低速离心机；LGJ——10真空冷冻干燥机；KQ3200E超声机。

1.2实验方法

1.2.1防膨性能评价方法 粘土稳定剂的性能评价方法参照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5971—94«油田注水用粘土粘土稳定剂性能评价»中规定的离心法进行。称取0.50g膨润土粉，装入10mL离心管中，加入不同浓度的粘土稳定剂溶液10mL,充分摇匀，在室温下存放2h,装入离心机内，在转速为1500r/min下离心分离15min,观察离心管中的粘土的膨胀体积，分析比较防膨效果。

1.2.2XRD  通过X射线衍射仪测定粘土在不同浓度聚合物水溶液作用下层间距的变化。将不同浓度粘土稳定剂作用下的粘土在105℃下干燥，研磨至细粉后进行XRD分析。Cu靶材（λ=1.5406a），发电机电压为40kV,电流为40mA.样品测试的散射角2θ范围为2°——10°.

1.2.3絮凝实验 15mg粘土粉末装入10mL透明瓶中，然后用移液枪移取粘土稳定剂溶液5ml,摇匀。超声30分钟。0min和30min拍照记录现象，观察瓶内絮凝沉积效果。

1.2.4Zeta电位测定 Zeta电位采用的是电泳法，测试温度为（25.0±0.1）℃。测试加和不加聚合物（PASC1）溶液粘土悬浮分散体系的上清液的Zeta电位，每次实验重复3次取平均值。

1.2.5浊度测试 采用浊度计测试在波长450nm处，测粘土悬浮液中上层清液的透光率。每次实验前，浊度计的探针要用3次水校正，使得透光率为100%.

1.2.6表面张力测试 以逐步稀释法配制PASC1水溶液，溶剂为表面张力是71.6mN/m的超纯水。用吊片法测量聚合物水溶液的表面张力。按配制的溶液浓度从小到大依次进行测量，温度为（25.0±0.1）℃。

2结果与讨论

2.1防膨效果

当PASC1聚电解质粘土粘土稳定剂的存在时，可插层到粘土颗粒的层间，中和层间负电荷，削弱了层间的静电斥力，进而层间距减小了，在宏观上展现为粘土体积的减少，见图1.PASC1浓度在500mg/L以上时，防膨效果明显，当浓度达到5000mg/L时，效果达到最佳。不同浓度PASC1聚电解质溶液作用后的粘土的层间距d见图2,PASC1的加入明显改变了粘土的层间距，从最初的的19.47nm减小到了12.62nm,此后粘土的层间距微弱的减小，当浓度达到1000mg/L时，层间距达到最小的。随后层间距出现了增大的现象，原因可能是因为正电荷的增多，使得层间负电荷被中和后，转换为正电相互排斥，同时过多的均聚物插层入粘土层间，同样引起了层间距的增大，引起层间距的增大。当质量浓度为5000mg/L时，出现层间距为13.20nm和17.66nm的双衍射峰，表明此时PASC1分子在粘土层间由单层向双层排列转变。

2.2絮凝性能

PASC1的絮凝效果见图3、图4.PASC1浓度为10——50mg/L时，透过率接近100%,继续增加PASC1的浓度，体系重新变得浑浊。随着PASC1浓度的进一步增加，体系的透过率降低，粘土颗粒悬浮体系重新稳定。粘土颗粒的表面由于同构取代而带负电荷，这意味着需要阳离子达到电荷平衡。对于钠基膨润土（Na——BT），Na+离子被吸引到层空间中。当Na——BT与水接触时，水可进入晶层内部，使可交换阳离子解离，在晶层表面建立扩散双电层，从而产生负电性。

由图5可知，粘土水的悬浮液电位为~14.83mV,随着PASC1聚电解质的加入，电位逐渐增大至+26.13mV.这是由于带有正电荷的聚电解吸附在粘土颗粒表面，产生电荷中和，使得电位由负到正。当PASC1浓度达到200mg/L时，Zeta电位（图5）达到等电点（IEP）。在等电点IEP附近，可以观察到较快速的沉降行为；远离等电点的悬浮体系由于带正电荷重新稳定，说明由扩散双电层引起的静电斥力变大，体系重新平衡。对比图4和图6可知，粘土分散体系的透过率达到100%左右时，其Zeta电位值仍旧为负值，表明除了静电中和作用外，还有额外的引力作用存在。PASC1聚合物伸展出来的疏水尾链的疏水作用和电荷补丁作用均有利于固液分离，产生明显的絮凝效果。

2.3表面张力

溶剂为表面张力是71.6mN/m的超纯水，由图6可知，随当溶液浓度低于0.03g/L时，表面张力随着PASC1浓度的增加见图6,这说明在低于0.03g/L这个浓度范围内，PASC1不具有表面活性。当浓度高于0.03g/L时，浓度增大可以明显的降低表面张力值。当浓度达到0.6g/L时，表面张力值随着浓度增加的改变又变得缓慢。当浓度达到最大值6g/L时，PASC1的表面张力值下降到41.17mN/m.由此可知，PASC1具有一定的表面活性，可降低表面张力。图6PASC1在0——6g/L下的表面张力

3结论

（1）PASC1可插层到粘土颗粒的层间，中和层间负电荷，削弱了层间的静电斥力，进而层间距减小了，在宏观上展现为粘土体积的减少。当浓度达到5000mg/L时，宏观上防膨效果达到最佳。

（2）PASC1的插层改变了粘土的层间距，当浓度达到1000mg/L时，层间距d达到最小。

（3）PASC1聚合物伸展出来的疏水尾链的疏水作用和电荷补丁作用均有利于固液分离，产生明显的絮凝效果。

（4）PASC1具有一定的表面活性，可降低表面张力。