两性离子聚合物在黏土表面的高温吸脱附机理研究

Polyampholyte exhibits a great application potential in heat-enduring drilling fluids for drilling deep and ultra deep wells, owing to its ability to adsorb on clay and resistance to salt and heat. The study of adsorption and desorption of polyampholyte from clay’s surface at high temperature is of great scientific value for clarifying the adsorption site, controlling the conformation of adsorbed chains, and improving drilling fluid’s ability of enduring high temperature. Based on the polyampholyte’s adsorption model on planar charge-carrying surface, this project proposes to study the chain conformation, build both adsorption’s thermal dynamic model and desorption’s kinetic model, reveal the relationship between polyampholyte’s adsorption and clay’s colloidal properties. This project includes not only the experimental study of controlling chain structure, but also the design and synthesis of polyampholyte with varied cationicity, anionicity, sequential structure and relative molecular weight; this project includes the experimental research of the adsorbed chain’s structure and conformation transition, along with the isothermal adsorption equation and kinetic desorption equation; this projects includes the experimental comparison between Brownian motion’s and degradation’s contribution to desorption, and the effect of polyampholyte’s desorption on clay’s colloidal properties and saltwater drilling fluid’s properties, and lay the foundation for the technological breakthrough in drilling fluid resistant to 200℃ or higher temperature, clay modification and synthesis of polymer/clay composite materials.

两性离子聚合物的吸附黏土能力和抗温耐盐能力使其在深井和超深井钻探抗温钻井液中具有巨大的应用潜力。两性离子聚合物在黏土表面的高温吸脱附机理研究，对于揭示黏土表面吸附位点、调控分子链吸附构象、提升钻井液抗温能力具有重要的科学意义。本项目拟以两性离子聚合物在带电平面的吸附模型为基础，以研究分子链构象、构建吸附热力学模型和解吸附动力学模型为主线，建立聚合物吸附与黏土胶体性质之间的联系。本项目将通过实验调控高分子链结构，设计、合成具有不同阳离子度、阴离子度、序列结构和相对分子量的两性离子聚合物；通过实验研究聚合物在黏土表面的吸附层结构及构象转变，建立吸附等温方程和脱吸附动力学方程；通过实验研究分子热运动与基团热分解对解吸附的贡献，以及两性离子聚合物解吸附对黏土胶体性质和盐水钻井液性能的影响规律，为抗高温（≥200℃）钻井液技术的突破、黏土改性及聚合物/黏土复合材料制备奠定基础。

两性离子聚合物的吸附黏土能力和抗温耐盐能力使其在深井和超深井钻探抗温钻井液中具有巨大的应用潜力。本项目采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵（MAPTAC）、对-乙烯基苄基三甲基氯化铵（VBTAC）、二烯丙基二甲基氯化铵（DMDAAC）、丙烯酰胺（AM）单体，通过可逆加成—断裂链转移法(RAFT)和自由基聚合法调控高分子链结构，设计、合成了具有不同阳离子度、阴离子度、序列结构和相对分子量的两性离子聚合物；通过实验研究聚合物在膨润土表面的吸附，建立吸附等温方程和脱吸附动力学方程；通过实验研究分子热运动与基团热分解对高温（≥150℃）解吸附的贡献，以及两性离子聚合物解吸附对膨润土胶体性质和盐水钻井液性能的影响规律，为抗高温（≥200℃）钻井液技术的突破、黏土改性奠定基础。形成了如下认识：(1)两性离子无规共聚物在盐水中、高温下在膨润土表面的吸附量高于两性离子嵌段聚合物。(2)温度低于135℃时，分子热运动是两性离子聚合物解吸附的主控因素；温度高于135℃而低于175℃时，吸附基团热降解是两性离子聚合物解吸附的主控因素；季铵阳离子基团是主要的吸附基团，并且其热稳定性显著高于酰胺基团，随着热分解温度升高，膨润土滤饼中残留的季铵阳离子基团与酰胺基团的比例不断增大。(3)两性离子聚合物吸附膨润土→增大膨润土颗粒间的静电斥力和熵斥力→调控膨润土粒径分布（使一定比例颗粒粒径<1 μm，以及粒径宽分布→减小滤饼渗透率）并使其在高温高盐下维持稳定→控制高温高盐条件下钻井液滤失量。(4)形成了抗高温抗高盐两性离子聚合物处理剂设计思路：主链应采用碳碳键等稳定性较高（键能较大）的化学键；采用一定比例的阳离子基团作为吸附基团（吸附能力和耐温能力强），并引入更高比例的阴离子基团，以确保聚合物溶解后整条分子链整体带负电；尽量采用磺酸基团作为阴离子基团以提高分子链抗温性能，尽量不引入酰胺基（减小其占比）；由于-CH2-的热稳定性高于-CH-，故可通过向主链引入芳环来引入其他改性基团。