AM、AMPS、NVP、APEG四元共聚物降濾失劑的合成

中國石化江漢石油工程公司鉆井一公司

AM、AMPS、NVP、APEG四元共聚物降濾失劑的合成

吳雪平中國石化江漢石油工程公司鉆井一公司

采用丙烯酰胺、2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸、烯丙基聚乙二醇、N—乙烯基吡咯烷酮為主要單體，合成出具有一定抗溫抗鹽鈣性能的四元共聚物降濾失劑。對合成的共聚物進(jìn)行性能評價可知，經(jīng)過180℃高溫老化后的API濾失量為8.2mL。該降濾失劑的加入對鉆井液的流變性影響不大，確定最優(yōu)加量為0.8%。AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物降濾失劑具有良好的抗鹽鈣能力，當(dāng)NaCl濃度為20%，CaCl2的濃度為1%時，未出現(xiàn)惡性漏失的情況，且濾失量控制在合適的范圍內(nèi)。

降濾失劑；抗溫；抗鹽；流變性；濾矢量

國外學(xué)者和研究人員對共聚物降濾失劑開展了大量研究[1-2]，獲得了眾多抗高溫抗鹽鈣的聚合物，同時得到了廣泛的使用。本文采用丙烯酰胺、2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸、烯丙基聚乙二醇、N—乙烯基吡咯烷酮為主要單體，合成出具有一定抗溫抗鹽鈣性能的四元共聚物降濾失劑。利用聚氧乙烯基長側(cè)鍵和吡咯烷環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)增加了聚合物的抗溫能力，減緩其分子主鏈的熱氧降解。聚氧乙烯長側(cè)鍵還可以起到分散黏土顆粒的作用。

1 室內(nèi)實驗

1.1 試劑與儀器

主要試劑：丙烯酰胺（AM）、2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸（AMPS）、烯丙基聚乙二醇（APEG—1000）、N—乙烯基吡咯烷酮（NVP）、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、氫氧化鈉、無水乙醇、Na-Cl、CaCl2，均為分析純。

主要儀器：三口燒瓶、集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、精密增力電動攪拌器、電子天平、pH計、真空干燥箱。

1.2 合成

稱取一定量AMPS、AM分別溶解于去離子水中，用NaOH調(diào)整AMPS溶液的pH值至中性。將AMPS溶液、AM溶液加入帶回流裝置的三口燒瓶中，邊攪拌邊依次加入一定量APEG和NVP。溶解完全后通入氮氣以除去氧氣。開始加熱，等溫度達(dá)到預(yù)定值時加入一定量的引發(fā)劑并開始計時。反應(yīng)一段時間后得到凝膠狀產(chǎn)物，利用無水乙醇多次洗滌，將白色絮狀產(chǎn)物剪切造粒，并真空烘干和粉碎，得到白粉末狀產(chǎn)物。

1.3 基漿配制

（1）淡水基漿。在1000mL溫水中加入4%的鈉膨潤土(符合石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T5060—93的規(guī)定)，攪拌后加入24g純堿，高速攪拌2h，置于室溫下養(yǎng)護(hù)24h，即得淡水基漿。

（2）鹽水基漿。取配好的淡水基漿400mL，分別加入一定量的NaCl，低速攪拌1h，制得鹽水基漿。

（3）含鈣基漿。取配好的淡水基漿400mL，分別加入一定量的CaCl2，低速攪拌1h，制得含鈣基漿。

2 結(jié)果與討論

2.1 共聚物鉆井液的抗溫性能

將AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物降濾失劑加入4.0%的淡水基漿中，通過實驗測定鉆井液180℃高溫老化前后的流變性及其API濾失量[3]。

由降濾失劑的加量對鉆井液API濾失量的影響曲線可看出，AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物降濾失劑可以大幅度降低鉆井液的API濾失量。當(dāng)濃度僅為0.4%時，老化前后的API濾失量分別為9.4和11mL；當(dāng)濃度為0.8%時，老化前后的API濾失量6.2和8.2mL；當(dāng)濃度高于0.8%時，API濾失量變化不大。這是因為四元共聚物上的酰胺基、醚鍵等吸附基團對黏土顆粒具有很強的吸附能力，磺酸基團能給黏土顆粒帶來吸附水化層，給黏土顆粒的聚結(jié)產(chǎn)生了機械阻力，使得黏土顆粒不易團聚。即便經(jīng)過高溫老化，仍能對黏土顆粒起到良好的護(hù)膠作用，保持較低的API濾失量。

由降濾失劑的加量對鉆井液流變性的影響實驗可知，隨著共聚物濃度的增加，鉆井液的表觀黏度和塑性黏度逐漸增加，但是增幅并不大。說明共聚物降濾失劑的黏度效應(yīng)較小，加入后對鉆井液的流變性影響不大。綜上可知，共聚物降濾失劑的最優(yōu)加量為0.8%。

同時測定了共聚物降濾失劑的加量在0.8%時，鉆井液在不同老化溫度下的API濾失量。結(jié)果表明，隨著老化溫度的增加，API濾失量逐漸增加，這是因為AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物為線性分子結(jié)構(gòu)，在高溫下會發(fā)生降解，同時由于分子的熱運動，黏土顆粒團聚的趨勢加強。溫度的增加會使降濾失劑對黏土顆粒的護(hù)膠作用減弱，因此濾失量增加。

2.2 共聚物鉆井液的抗鹽性能

在4%的基漿里加入0.8%的共聚物降濾失劑，攪拌均勻后加入一定量的NaCl，測定其180℃/16h老化前后的流變性和濾失性能。實驗結(jié)果見表1。由實驗結(jié)果可以看出，NaCl的加入使聚合物鉆井液老化前后的黏度降低，且隨著濃度的增加，降低的幅度越來越大，這主要是因為NaCl的加入可壓縮雙電層，使得黏土顆粒發(fā)生聚結(jié)，鉆井液的分散度降低，從而加劇了共聚物和黏土顆粒的高溫聚結(jié)作用，宏觀上導(dǎo)致AV、PV和YP逐漸降低。鉆井液的API濾失量也有逐漸增大的趨勢，但未出現(xiàn)惡性濾失，說明AM/AMPS/NVP/APEG具有較強的抗鹽能力。

表1 四元共聚物鹽水鉆井液的流變性與濾失性能

2.3 共聚物鉆井液的抗鈣性能

鈣侵問題也是在鉆井過程中常遇到的問題。在4%的基漿里加入1.6%的AM/AMPS/NVP/APEG共聚物降濾失劑，攪拌均勻后加入一定量的CaCl2，測定其180℃/16h老化前后的流變性和濾失性能，以考查聚合物鉆井液的抗鈣侵能力。

從實驗結(jié)果可以看出，隨著CaCl2濃度的增加，鉆井液的表觀黏度和塑性黏度逐漸降低，濾失量逐漸增加，當(dāng)濃度為1%時，濾失量仍控制在一定范圍內(nèi)。說明CaCl2的加入使得鉆井液的分散度降低，加劇了共聚物和黏土顆粒的高溫聚結(jié)作用。但未出現(xiàn)惡性濾失，說明聚合物鉆井液具有良好的抗鈣性能。

3 結(jié)論

（1）首次采用AM、AMPS、APEG、NVP四種單體進(jìn)行共聚合，合成了一種新型的水基鉆井液用抗高溫降濾失劑。

（2）對合成的共聚物進(jìn)行性能評價可知，經(jīng)過180℃高溫老化后的API濾失量為8.2mL。該降濾失劑的加入對鉆井液的流變性影響不大，確定最優(yōu)加量為0.8%。

（3）AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物降濾失劑具有良好的抗鹽、抗鈣能力，當(dāng)NaCl濃度為20%，CaCl2的濃度為1%時，未出現(xiàn)惡性漏失的情況，且濾失量控制在合適的范圍內(nèi)。

[1]PlankJP，etal．FieldExperienceWithaNovelCalcium-Tolerant Fluid-LossadditiveforDrillingMuds[C]．SPE18372.

[2]楊小華．AOIAS/AM/AA共聚物鉆井液降濾失劑的合成[J]．精細(xì)與專用化學(xué)品，2007，15（19）：22-24.

[3]王中華，王旭．超高溫鉆井液體系研究(Ⅲ)——抗鹽高溫高壓降濾失劑研制[J]．石油鉆探技術(shù)，2009，37（5）：5-9．

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.021