超支化PEI-g-PDMAEMA的pH/温度触发凝胶转变及其作为粘土水化控制的双响应抑制剂

《Gels》：pH-/Temperature-Triggered Gel Transition of Hyperbranched PEI-g-PDMAEMA as a Dual-Responsive Inhibitor for Clay Hydration Control

　　

摘要

为缓解深水钻井过程中的黏土水化与井筒不稳定问题，研究通过自由基聚合设计了pH/温度双响应的接枝共聚物——超支化聚乙烯亚胺-g-聚[2-(二甲氨基)乙基]甲基丙烯酸酯（HPEI-g-PDMAEMA）。在HPEI/DMAEMA质量比为1:2、AIBN用量为2.4%、70 °C下反应10 h的最优化合成条件下，获得了35.2%的接枝比率和84.3 kDa的分子量。该共聚物在pH 8下具有约48 °C的可调控低临界溶液温度（LCST），且随pH升高而下降，这是由于其叔胺的去质子化所致。Zeta电位测量表明，该聚合物在弱碱性条件下仍保持正电荷（pH 8时为+5 mV），从而能够强烈地静电锚定于带负电荷的黏土表面。高于LCST时，动态光散射结果显示，其水动力学直径从约30 nm急剧增大至200 nm以上，证实了PDMAEMA链段发生了亲水向疏水的转变，并由此驱动形成了疏水缔合凝胶屏障。这种热触发的凝胶化过程具有完全可逆性，反复加热-冷却循环后，透射率几乎可完全恢复。该凝胶屏障显著减少了水分吸收，60 °C下对黏土膨胀的抑制效果比25 °C时高18.5个百分点。高温滚钻测试表明，仅需1.5 wt%的抑制剂，150 °C下页岩回收率即可达到94.1%（比未改性的HPEI高8.8个百分点），且在20 wt%的CaCl₂或MgCl₂盐水中仍保持在60%以上，显示出对二价阳离子的出色耐受性。处理后黏土表面的水接触角由18.5°升高至52.6°，证实其表面疏水化效果显著。本工作提供了一种分子层面的凝胶工程策略，其中pH调控静电锚定，温度触发可逆的疏水凝胶化，从而实现了对黏土润湿性和抗水化性能的按需切换，在耐高温、耐高盐的条件下具有重要应用价值。