水基鉆井液降粘劑JNG-1的合成與性能評價

明顯森，彭新俠，李 強，程興春，闞興棟

(1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，四川廣漢 618300;2.西南油氣田公司蜀南氣礦，四川瀘州 646000;3.青海油田鉆采工藝研究院鉆井室，甘肅敦煌 736200;4.新疆油田公司采油一廠，新疆克拉瑪依 834000)

隨著油氣勘探開發(fā)的逐步深入，油氣鉆井深度越來越深，鉆遇地層的溫度、壓力越來越高，對鉆井液的性能提出了更高要求，為了保持鉆井液具有較好的流變性能，需要向鉆井液中加入降粘劑［1］。鉆井液用降粘劑是鉆井液重要處理劑之一，在鉆井作業(yè)中對調節(jié)鉆井液流變性起著非常重要的作用。目前國內所用鉆井液降粘劑(如丹寧類、木質素類及聚丙烯酸類)的耐高溫性能還不能滿足高溫深井及復雜井的鉆井要求［2-3］。

本文以抗溫抗鹽鉆井液降粘劑的性能要求為出發(fā)點，根據降粘劑抗高溫及抗鹽作用機理設計降粘劑的分子結構［4-6］，選擇苯乙烯磺酸鈉、丙烯酰胺、丙烯酸為反應單體，采用氧化還原引發(fā)體系，通過自由基聚合，合成了一種抗溫耐鹽鉆井液用降粘劑，并進行了室內評價。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

苯乙烯磺酸鈉、丙烯酰胺、丙烯酸、FA367均為工業(yè)品;亞硫酸鈉、過硫酸銨、氫氧化鈉、無水碳酸鈉、氯化鈉、氯化鈣均為分析純。

JB50-D型恒速攪拌機;ZNN-D6型六速旋轉粘度計;烏氏粘度計;BRGL-7型滾子加熱爐。

1.2 降粘劑的合成

稱取一定量的苯乙烯磺酸鈉、丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)于三頸瓶中，加入適量的水，放入水浴鍋中加熱使其溶解，控制單體質量分數為15%，各單體的摩爾比 n(苯乙烯磺酸鈉)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，加入占體系總質量 2.0% 的引發(fā)劑(過硫酸銨和亞硫酸鈉)，調節(jié)pH值至弱堿性，攪拌均勻，于80℃的水浴鍋中反應3 h，得到凝膠狀產物，用無水乙醇提純萃取、剪切造粒、真空烘干和粉碎，即得白色粉末狀共聚物降粘劑JNG-1。

1.3 性能評價

參照行標SY/T 5243—91用六速旋轉粘度計對反應條件進行優(yōu)選并對所合成的產物進行性能評價，按 ZB/T E13004中的3.2.2條規(guī)定的程序，測600，300，100 r/min下的讀值，并計算產物的降粘率。我國目前通用的表示降粘劑降粘效果的參數，是引用美國Magcobar公司的以φ100讀數計算的降粘率 DI［7］。

式中 DI——降粘率，%;

φ1000——泥漿 100 r/min 的讀數;

φ100——泥漿加試劑后100 r/min的讀數。

2 結果與討論

2.1 單體配比的影響

單體質量分數為15%，溶液pH值7～8，反應溫度為70℃，加入占體系總質量為1.0%的引發(fā)劑，反應時間為4 h，合成聚合物降粘劑JNG-1。單體配比對降粘性能的影響見表1。

由表1可知，苯乙烯磺酸鈉能夠引入磺酸基以及苯環(huán)的剛性結構較強，能夠增強聚合物的抗溫抗鹽性能，單體配比2∶1∶4時，降粘效果最好;苯乙烯磺酸鈉的量繼續(xù)增大，降粘性能并未提高。所以，確定最佳的單體配比為n(苯乙烯磺酸鈉)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4。

表1 單體配比對降粘劑性能的影響Table1 Effect of monomer ratio on the properties of viscosity reducer

2.2 反應溫度的影響

溫度會影響反應速度和聚合物的分子量，從而影響降粘劑的降粘效果。單體質量分數為15%，單體配比為n(苯乙烯磺酸鈉)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，溶液 pH 值7 ～8，加入占體系總質量為1.0%的引發(fā)劑，反應4 h后得到粘稠產物，并對其進行降粘性能評價，結果見表2。

表2 反應溫度對降粘劑性能的影響Table2 Effect of temperature reaction on the properties of viscosity reducer

由表2可知，溫度40～50℃時，得到的聚合產物粘度高，分子量也十分大，因此合成的降粘劑不但沒有降粘效果，反而有增粘效果;反應溫度60～90℃時，特別是在80℃時，產物的降粘性能最優(yōu)，分子量也適中，所以確定聚合反應的最佳溫度為80℃。

2.3 反應時間的影響

單體質量分數為15%，單體配比為n(苯乙烯磺酸鈉)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，反應溫度為 80 ℃，溶液pH值7～8，加入占體系總質量為1.0%的引發(fā)劑［過硫酸銨∶亞硫酸鈉=1∶1(質量比)下同］，反應時間對降粘性能的影響見圖1。

圖1 反應時間對降粘劑性能的影響Fig.1 Effect of reaction time on the properties of viscosity reducer

由圖1可知，隨著反應時間的增加，降粘率也隨之提高。反應時間為3 h時，聚合產物降粘效果最好，繼續(xù)增加時間，降粘率又逐漸降低。所以確定最佳反應時間為3 h。

2.4 引發(fā)劑加量的影響

單體質量分數為15%，單體配比為n(苯乙烯磺酸鈉)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，反應溫度為 80 ℃，溶液pH值7～8，反應時間3 h，引發(fā)劑加量對降粘性能的影響見圖2。

圖2 引發(fā)劑加量對降粘率的影響Fig.2 Effect of initiator dosage on the properties of viscosity reducer

由圖2可知，隨著引發(fā)劑加量增加，產物的降粘效果增加。但是當引發(fā)劑加量超過一定量時，降粘效果趨于平緩，甚至有降低的趨勢，這是由于引發(fā)劑加量過多時容易引起爆聚，使得反應前期速度過快，合成產品的相對分子質量過低，導致產品性能下降。所以確定引發(fā)劑最佳加量為2.0%(占體系總質量)。

2.5 單體質量分數的影響

單體質量分數會影響產物的粘度及聚合物的分子量，因此需要合理控制單體濃度，使聚合物的降粘效果達到最好。單體配比 n(苯乙烯磺酸鈉)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，反應溫度為 80 ℃，引發(fā)劑加量為2%，溶液pH值7～8，反應時間3 h，單體濃度對降粘率的影響見圖3。

圖3 單體質量分數對降粘率的影響Fig.3 Effect of monomer mass fraction on the properties of viscosity reducer

由圖3可知，隨著單體質量分數的增加，產物的降粘能力有所提高，但到一定濃度后，降粘效果又逐漸降低。因為單體濃度過高，產物相對分子量較大，當加入到鉆井液中有一定的增粘作用，達不到較好的降粘效果。所以，控制單體質量分數為15%。

2.6 降粘劑JNG-1結構表征

將提純的聚合產物樣品以KBr制樣，測定其紅外光譜譜圖，見圖4。

圖4 聚合產物的紅外光譜圖Fig.4 IR spectra of polymerization product

由圖4可知，在1 718.26 cm－1有— C O伸縮振動吸收峰;1 668.12 cm－1處有 —COOH的伸縮振動吸收峰;1 409.71 cm－1附近出現 —CONH 的N—H變形振動吸收峰;在 1 037.52 cm－1處有—SO3－的特征吸收峰;同時，在1 620 cm－1附近無碳碳雙鍵的特征吸收峰，說明合成產物中不含有未聚合的單體。由紅外光譜分析可知，本實驗所合成的聚合物為目標產物。

2.7 降粘劑JNG-1性能評價

2.7.1 降粘能力的評價 取7份配制好的基漿，一份作為空白試樣，另外6份，加入不同量的聚合物溶液，高速攪拌20 min(其間中斷2次，刮下器壁上的粘附物)，然后按 ZB/T E13004中的3.2.2條規(guī)定的程序測600，300，100 r/min下的讀值。

表3 降粘劑加量對降粘率的影響Table3 Effect of thinner dosage on viscosity ratio

由表3可知，所合成的聚合物降粘劑產品的降粘效果整體比較好，加量為0.1%時降粘率就能達到83.90%，粘度下降較快;降粘劑加量達到0.4%時，降粘率最高，為90.68%;加量繼續(xù)增加，降粘率逐漸減小，這是因為產品本身就是聚合物，具有一定的粘度，當加量過多時，會起到增粘的效果。

2.7.2 抗溫能力的評價 向基漿中加入0.4%的降粘劑，攪拌均勻后將樣漿放進養(yǎng)護罐中，關緊閥桿，使之密閉。在選擇的溫度下熱滾16 h，取出養(yǎng)護罐，擰松閥桿并立即關緊，冷卻至室溫。將養(yǎng)護罐中的泥漿倒入樣品杯中，高速攪拌10 min，然后按ZB/TE 13004 中的 3.2.2 條規(guī)定的程序測 600，300，100 r/min下的讀值，結果見表4。

表4 JNG-1抗溫性能評價Table4 Evaluation of anti-temperature performance of JNG-1

由表4可知，產品的抗溫性能較好，在一定的高溫下，產品的降粘效果變化不是很大，當溫度＞180℃時，降粘率下降加快，但是降粘劑的效果仍然較好，當溫度為220℃時，降粘率仍可達到83.05%。由此可見，所合成的降粘劑具有較好的抗高溫能力。

2.7.3 抗鹽能力的評價 向基漿中加入0.4%降粘劑，加入不同量的氯化鈉，在高速攪拌器上攪拌20 min(其間中斷2次，刮下器壁上的粘附物)，然后按ZB/TE 13004中的3.2.2條規(guī)定的程序測600，300，100 r/min下的讀值，結果見表5。

表5 JNG-1抗鹽性能評價Table5 Evaluation of anti-salt performance of JNG-1

由表5可知，產品的抗鹽性能較好。當NaCl加量在20%以內時，隨著NaCl加量的增加，鉆井液的流變性無明顯變化;當NaCl加量≥30%時，降粘性能明顯下降，這表明該聚合物在高礦化度的情況下仍能保持較好的降粘能力。

3 結論

(1)合成降粘劑JNG-1的最佳方案為:單體質量為15%，反應溫度為80℃，反應時間3 h，引發(fā)劑用量為2%，n(苯乙烯磺酸鈉)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4。在此條件下合成的聚合物結構和預計的結構一致，在加量為 0.4%的體系中，降粘率達90.68%。

(2)合成的聚合物抗高溫抗鹽能力較好，在220℃的老化溫度和鹽濃度為30%的鉆井液中，仍能保持較高的降粘率。

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