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阳离子聚合物电解质在油田开发中的应用 1 聚合物电介质简介 聚合物电解质是一类链上带有电荷的聚合物的总称，这种电荷通常是以共价键链接到聚合物链上。聚合物电解质(polymer electrolytes)广泛定义为含有聚合物材料且能像液体一样导电的电解质，是指在高分子链上带有可离子化基团的物质，聚合物电解质，最初是基于一种纯固态的概念，即在PEO等聚合物中加入电解质锂盐，使其具有离子导电性。聚电解质种类繁多，在锂离子电池、印染、纺织、造纸、水处理、药物缓释与输送、个人护理品添加剂及油田开采等领域有广泛应用[1~8]。 阳离子聚合物电解质可分为季铵盐型、季磷盐型和叔锍型。其中，季铵盐型聚电解质是研究最多的一类，也是目前唯一用于油田化学品中的阳离子聚电解质。 二甲基二烯丙基氯化铵是一种水溶性极强的含有两个不饱和键的季铵盐, 且阳离子密度高, 易发生均聚合反应或是与其他单体发生共聚反应。DMDAAC相 对分子质量为161.5 , 其结构式如下: 可由水溶液聚合、有机相溶液聚合和沉淀聚合、反相乳液聚合和悬浮聚合还有γ- 射线辐射聚合与荧光聚合等方法在工业生产中应用不多。辐射聚合因其低成本、易控制、无需添加有害且难除去的引发剂、合成与消毒一次完成等优点, 非常适于水凝胶的合成, 尤其是医用材料的合成。 作为松香主要组分的树脂酸(松香酸)是一种具有两个化学反应活性中心一羧基和双键的化学活性物质，通过这两个反应“基地”就可以引进各种原子或基团，从而赋予松香具有所希望的性质，合成出一系列性能优良而又独具特色的阳离子型表面活性剂。以醚化剂GTA与带有活泼氢原子的松香酸作用，使带有活性醚键的季铵盐基团取代松香酸中的活泼氢原子，从而合成得到季铵盐型阳离子松香酸。季铵盐型阳离子松香酸比松香的水溶性好，广泛应用于工业清洗剂和石油工业的抗蚀剂，还可用于杀菌剂。此法与其它阳离子松香酸的合成方法相比，具有合成工艺简单、产品收率高、产品纯度好、能耗低、环保的优点，具有应用价值。 本文在阅读大量参考文献的基础上，就阳离子聚合物电解质在油田开发中的应用进行了归纳总结，以综述形式介绍了作为采油用添加剂和在产出液处理剂方面的应用，并对阳离子聚合物在该领域的发展应用前景做了初步分析，对油田生产具有一定的指导意义。 2 研究现状 随着对聚合物电解质开发和研究的不断深入，在各领域的应用也在逐渐扩大。而在油田开发领域的应用，可追溯到21世纪初期，特别是2004年以来，阳离子聚合物电解质在油田领域的应用研究不断推广和扩大。在油田开发中，阳离子聚电解质的用途主要分为两大类：一是作为采油过程中的各种添加剂，如钻井液用黏土抑制剂与稳定剂、堵水剂、调剖剂、采油中的驱油剂等；二是作为产出液的分离处理剂，如原油破乳剂、油田污水处理剂等。 2.1 采油用添加剂 2.1.1 在钻井液中的应用 ①作为黏土稳定剂 在采油过程中的钻井液和完井液一般是以高分子阳离子聚合物作为黏土包被抑制剂，以小分子阳离子聚合物作为黏土稳定剂[9]。钻井液中基本的配浆材料是黏土，黏土本身是电负性的，而阳离子聚电解质带有较高的正电荷，中和能力强，可以紧密吸附在黏土表面，使黏土的比表面积和表面电荷密度大大降低，降低了黏土的水化和运移，从而有效地提高井眼的稳定性；同时，阳离子聚合物还能包覆页岩，防止页岩的分散，抑制地层的造浆。聚合物具有的长链不仅增加了包被的作用强度，还能通过长链发生多点吸附，封堵裂隙，起到防塌作用。 为了解决非离子聚醚型表面活性剂所造成的钻井液黏度急剧增加现象，在诸多对阳离子聚乙烯醇的合成及应用研究[10]中表明这种阳离子聚合物页岩抑制性好、不存在荧光干扰、增黏负效应低，是一种防塌性能优良的钻井液用防塌剂。 为满足大幅提高钻井速度的要求，阳离子聚合物钻井液因所特有的抑制黏土水化膨胀和分散的能力正越来越受到重视。例如，在海水钻井作业中 [11]利用高分子阳离子聚合物作为絮凝剂和小分子阳离子聚合物作为黏土稳定剂配制成的可用于海水钻井作业的聚合物钻井液，室内实验表明该钻井液具有较好的抗温性和抗污染能力及较好的抑制泥页岩水化、膨胀和分散的能力。针对吐哈温西区块地层特点[12]，用阳离子聚合物配制了适用于该区块的钻井液，并用室内实验对阳离子钻井液的配方进行了优化，现场实验表明该钻井液能充分降低泥页岩和钻屑的水化能力，防塌效果好，解决了该区块井塌卡钻问题，使钻井速度得到大幅提高。也有[13]用二甲基二烯丙基氯化铵和丙烯酰胺以物质的量之比为l：5进行复合引发共聚，得到了特性黏数大于140 mL／g的小阳离子聚电解质，当该小阳离子聚电解质的质量分数为O．5％～1％时，与大阳离子电解质PTA(环氧氯丙烷与仲胺缩合聚合物)进行复配后，得到了一种性能良好的完井液，该种含有阳离子电解质的完井液可以使黏土基本上不膨胀