控流管路中降濾失劑的合成與性能研究

張群正， 劉金磊， 孫淑娟， 周慧鑫， 楊萌， 白永強(qiáng)（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安710065）

控流管路中降濾失劑的合成與性能研究

張群正， 劉金磊， 孫淑娟， 周慧鑫， 楊萌， 白永強(qiáng)
（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，西安710065）

張群正，劉金磊，孫淑娟，等.控流管路中降濾失劑的合成與性能研究[J].鉆井液與完井液，2017，34（3）：39-43.

ZHANG Qunzheng, LIU Jinlei, SUN Shujuan,et al.Synthesis and evaluation of a filter loss reducer in flow-control line[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（3）：39-43.

針對(duì)高壓噴射鉆井時(shí)，傳統(tǒng)陰離子降濾失劑不能克服水眼黏度的問(wèn)題，以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）和丙烯酸鉀（AA）為原料，在控流管路中共聚得到鉆井液降濾失劑AMPS/AM/AA，確定AM與AMPS、AA與AMPS之間的最優(yōu)投料比為7∶6∶1，總單體濃度為17%?？疾炝斯簿畚镌诘@井液、鹽水鉆井液和飽和鹽水鉆井液中的降濾失及流變性能。結(jié)果表明：在控流管路中合成的聚合物黏度低于同條件下釜式反應(yīng)中合成的，解決了傳統(tǒng)陰離子降濾失劑使水眼黏度過(guò)高的問(wèn)題；AMPS/AM/AA能使高礦化度水基鉆井液的濾失量降低94%，在淡水基漿、鹽水基漿和飽和鹽水基漿中，共聚物均表現(xiàn)出較強(qiáng)的降濾失性能和較弱的增黏性能；熱穩(wěn)定性分析及高溫老化評(píng)價(jià)表明，AMPS/ AM/AA可抗330 ℃的高溫，滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高溫鉆井液的要求。

聚合物；AMPS/AM/AA；降濾失劑；抗溫抗鹽；流變性

隨著油氣鉆采向深部地層和海洋發(fā)展，對(duì)鉆井液處理劑的要求也越發(fā)嚴(yán)格。為了滿足復(fù)雜地層條件深井安全鉆井的需要，對(duì)鉆井液的流變性和濾失性提出了更高的要求。渤海鉆探王磊磊[1]等探索了在AMPS基礎(chǔ)上聚合了NVP和NIPAM，鄭錕[2-3]等做了利用二烯丙基二甲基氯化銨和順丁烯二酸接枝的嘗試，勝利油田劉成貴[4]進(jìn)行了在AMPS上加入了丙烯腈的聚合，改性后的產(chǎn)物在鉆井液中表現(xiàn)出了良好的流變性和降濾失性能。而采用AM、AMPS、AA及DMC共聚得到的產(chǎn)物具有良好的降濾失效果及穩(wěn)定性能，成為目前應(yīng)用的主流[5]。針對(duì)超深井水基鉆井液高溫穩(wěn)定性及濾失性調(diào)控需要，筆者在之前的研究中以AMPS為主單體，將其與AM、DMC及AA進(jìn)行水溶液聚合合成了同時(shí)具有良好降濾失性和抑制性能的多功能降濾失劑AMSC[6-8]，但未解決高聚物受單體種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量多變等限制[9-10]。筆者針對(duì)能夠降低水眼黏度、降低濾失量的抗溫抗鹽型降濾失劑，通過(guò)優(yōu)化單體間配比，合成了一種可抗高溫抗鹽的兩性離子型AMPS/AM/AA三元共聚物降濾失劑，并對(duì)該降濾失劑的降濾失能力和流變性能做了初步的評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要藥品

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS），工業(yè)純；丙烯酰胺（AM）、丙烯酸鉀（AA）、KOH、K2S2O8和NaCl，均為分析純。

1.2 合成方法

控流管路密閉通氮?dú)?0 min，在室溫下，按一定的投料比用蒸餾水分別溶解AMPS、AM、AA以及引發(fā)劑K2S2O4，用KOH溶液調(diào)節(jié)AMPS的pH值至7～8，通過(guò)蠕動(dòng)泵控制各組分的比例和流速，使整個(gè)反應(yīng)時(shí)間控制在30 min左右，水浴溫度為55 ℃。最后將所得產(chǎn)物干燥提純。反應(yīng)裝置如圖1所示。

圖1 降濾失劑合成裝置

由圖1可見(jiàn)，反應(yīng)物和引發(fā)劑從蠕動(dòng)泵進(jìn)入混合器中充分混合，然后流入恒溫水浴加熱的管道中，反應(yīng)開(kāi)始。采用定制的內(nèi)徑為4.2 mm、長(zhǎng)為1.5 m的聚氯乙烯（PVC）管道作為反應(yīng)器，反應(yīng)物溶液黏度較低，產(chǎn)物黏度雖較高，但仍然符合流體特征。狹長(zhǎng)的管道可對(duì)引發(fā)劑周?chē)奈锪媳壤翱偭考右钥刂?，可提高產(chǎn)物的選擇性、產(chǎn)率和純度[11-13]，使產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)可控性增強(qiáng)，分子量分布更加均勻。

1.3 產(chǎn)物性能評(píng)價(jià)

依據(jù)Q/SH 0047—2007配制淡水基漿及鹽水基漿，其中鹽水基漿鹽濃度為4%，飽和鹽水基漿鹽濃度為26%。所用黏土符合SY/T 5490—2016的要求，測(cè)定加有共聚物鉆井液的濾失量及黏度。

2 結(jié)果與討論

前期研究中，聚合反應(yīng)在三口燒瓶中進(jìn)行，通過(guò)改變AMPS、AM和AA的質(zhì)量比，來(lái)考察共聚物對(duì)鉆井液性能的改變。這種方式造成局部單體濃度不均勻，未能真實(shí)反映出實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)原料比例。此外，在加入引發(fā)劑時(shí)，未及時(shí)完全混勻就已經(jīng)發(fā)生聚合，得到的共聚物鏈長(zhǎng)可控性較弱，產(chǎn)物性狀重現(xiàn)性較差，且反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。筆者將各原料依據(jù)比例配成相應(yīng)濃度的溶液，反應(yīng)結(jié)束后用N2吹掃管路，以替換殘留于當(dāng)中的產(chǎn)物。此方法解決了共聚物對(duì)鉆井液性能影響結(jié)果不穩(wěn)定的問(wèn)題。

2.1 投料比的優(yōu)化

AMPS是構(gòu)建高分子量共聚物骨架的重要組成部分，也是引入強(qiáng)且穩(wěn)定的水化基團(tuán)的核心。AA中羧基可吸附于黏土顆粒表面， 通過(guò)氫鍵與水分子吸附， 形成厚而致密的極化水層， 可阻止黏土顆粒之間的絮凝， 提高體系的膠體穩(wěn)定性， 有利于形成致密泥餅。AM限制共聚物分子量過(guò)大而產(chǎn)生的危害，其酰胺基通過(guò)氫鍵吸附水， 且具有一定的抗溫性。

用飽和鹽水基漿在150 ℃老化16 h后降溫，高速攪拌5 min，在聚合物加量為0.5%下測(cè)定體系的濾失量及流變性能。分別確定AM與AMPS、AA與AMPS之間的最優(yōu)投料比，結(jié)果如圖2所示。由圖2（a）及圖2（b）可以看出，黏度和切力隨著AM、AA含量的增大而逐漸增加，趨勢(shì)類似。但濾失量先降低至15 mL左右而后反彈。即增大AM的用量，共聚物以提高黏度和切力作用為主，反之則更有利于濾失量的降低。在黏度近似線性增加的區(qū)間，優(yōu)先考慮降濾失性能，則最優(yōu)AMPS∶AM∶AA為100∶87∶16，近似取7∶6∶1。對(duì)圖2（c）濾失量曲線做二次線性回歸，得到擬合方程為y=0.26628x2-9.03841x+90.43814，R2=0.9306，得最小值為16.82，取17%，即單體總濃度所占的最佳質(zhì)量百分比。

圖2 各單體比例及單體總濃度對(duì)產(chǎn)物性能的影響

2.2 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

2.2.1 紅外光譜

檢測(cè)各原料及AMPS/AM/AA三元共聚物的紅外光譜，比較其譜圖，結(jié)果如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，3 316 cm-1處是仲氨基（—NH—）的伸縮振動(dòng)峰，1 687 cm-1與1 646 cm-1處是酰胺（—CONH—）的特征峰；1 580 cm-1處是C—N的伸縮振動(dòng)峰；1 245 cm-1和1 075 cm-1處是磺酸基（—SO3H）的振動(dòng)峰，可知AMPS和AM的特征官能團(tuán)已成功引入該聚合體系。

圖3 原料及共聚物紅外譜圖

2.2.2 熱穩(wěn)定性分析

井筒溫度差異大，隨著井深增加，地層溫度逐漸升高，因此添加劑的熱穩(wěn)定性是表征產(chǎn)物工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的重要參考。對(duì)AMPS/AM/AA三元共聚物的熱重進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 AMPS/AM/AA共聚物的TG-DSC曲線

由圖4可見(jiàn)，溫度在330 ℃以內(nèi)時(shí)，TG曲線降低幅度較小，失重百分比為17.34%，而DSC出現(xiàn)一個(gè)很緩的吸熱峰，由于高分子結(jié)構(gòu)中含有大量的磺酸基和酰胺基等親水基團(tuán)，使產(chǎn)物易吸水受潮，故這部分失重是因產(chǎn)物內(nèi)自由水的失去造成的。當(dāng)溫度高于330 ℃，DSC曲線出現(xiàn)一個(gè)很明顯尖銳的吸熱峰，而TG曲線極速下降，此時(shí)，聚合物開(kāi)始出現(xiàn)熔融，高分子鏈斷裂。表明AMPS/AM/AA可抗330 ℃的高溫，滿足施工作業(yè)對(duì)高溫鉆井液的需求。

2.2.3 不同濃度降濾失劑水溶液的表觀黏度

在滿足鉆井液攜帶巖屑的能力下，其黏度應(yīng)盡量低，以防止起下鉆時(shí)的壓力激動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。常溫下，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)得不同濃度的AMPS/AM/AA與GZ-1、SY-3[11]和AMSC降濾失劑水溶液的表觀黏度，結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)，幾種降濾失劑的表觀黏度均隨濃度的增加而增大，在相同濃度下，AMPS/AM/AA水溶液黏度較低，且明顯低于釜式反應(yīng)得到的AMSC，印證了此合成方法能夠一定程度上控制聚合物的組成和鏈長(zhǎng)。在加量為1.6%時(shí)，AMPS/AM/AA表觀黏度僅有10 mPa·s，表現(xiàn)出較低的增黏作用。

表1 幾種降濾失劑水溶液黏度對(duì)比

2.2.4 分子量

以高純水為流動(dòng)相，在柱溫40 ℃下分別對(duì)產(chǎn)物AMPS/AM/AA及AMSC的分子量進(jìn)行測(cè)定，樣品量為100 μL，樣品濃度為2～3 mg/L，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，使用管道控流的方法比釜式反應(yīng)合成方法對(duì)產(chǎn)物分子量的影響更大。AMPS/ AM/AA的分子量值域較AMSC更窄，數(shù)值較低，峰值大約為12萬(wàn)。表明其在一定程度上使反應(yīng)朝著離散程度收縮的方向上進(jìn)行，遏制了分子量無(wú)限制擴(kuò)大從而引起鉆井液黏度急劇升高的弊端。而其值域仍然相對(duì)寬泛，可以作為進(jìn)一步做細(xì)工作的著力點(diǎn)。

圖5 不同方法產(chǎn)物分子量表征

2.3 抗溫抗鹽能力的評(píng)價(jià)

分別在淡水、鹽水及飽和鹽水的鉆井液中加入AMPS/AM/AA，并于150 ℃下滾動(dòng)老化16 h，考察鉆井液性能的變化，如表2所示。從表2可以看出，共聚物在淡水、鹽水及飽和鹽水鉆井液中均表現(xiàn)出較強(qiáng)的降濾失效果和抗鹽污染的能力。在淡水鉆井液中加入0.1%的共聚物，可使濾失量降低60%；在飽和鹽水鉆井液中加入0.5%的共聚物，可使濾失量下降94%。將老化前后濾失量進(jìn)行對(duì)比，不同鉆井液差異較大，但均符合Q/SH 0047—2007要求。老化前后黏度變化不大，表明共聚物能夠承受一般井深內(nèi)的高溫。

表2 共聚物對(duì)鉆井液性能的影響

3 結(jié)論

1. 將2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，丙烯酰胺和丙烯酸鉀采用水溶液聚合，在控流管路中合成了降濾失劑AMPS/AM/AA，最優(yōu)合成條件為：?jiǎn)误w配比為7∶6∶1，總單體濃度為17%。

2.在淡水基漿、鹽水基漿和飽和鹽水基漿中，

共聚物在鉆井液中均表現(xiàn)出較強(qiáng)的降濾失性能和較弱的增黏性能。熱穩(wěn)定性分析及高溫老化評(píng)價(jià)表明，AMPS/AM/AA可抗330 ℃的高溫，滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高溫鉆井液的要求。

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Synthesis and Evaluation of a Filter Loss Reducer in Flow-control Line

ZHANG Qunzheng, LIU Jinlei, SUN Shujuan, ZHOU Huixin, YANG Meng, BAI Yongqiang
(College of Chemistry and Chemical Engineering, Xi’an Shiyou University, Xi’an, Shaanxi 710065)

In high pressure jet drilling, the viscosity of drilling fluid at bit nozzle has long been a problem associated with the use of anionic filter loss reducers. A new drilling fluid filter loss reducer has been developed through the copolymerization of 2-Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (AMPS), acrylamide (AM) and potassium acrylate at an optimum ratio of 7∶6∶1. The total concentration of these monomers was 17%. The filtration control performance and the rheology of the copolymer in fresh water drilling fluid, saltwater drilling fluid and saturated saltwater drilling fluid were studied. The studies showed that the viscosity of the copolymer synthesized in flow-control line was lower than the viscosity of the copolymer synthesized in three-necked flask under the same conditions, solving the problem of high viscosity at the bit nozzle caused by the conventional anionic filter loss reducers. The AMPS/AM/AA copolymer can reduce the filter loss of high salinity water base drilling fluids by 94%. It showed good filtration control and viscosifying performance in fresh water base fluid, saltwater base fluid and saturated saltwater base fluid. Thermal stability analysis and high temperature aging evaluation showed that the copolymer was able to retain its stability at 330 ℃, satisfying the needs for high temperature drilling fluids in field operation.

Polymer; AMPS/AM/AA; Filter loss reducer; High temperature resistant and salt resistant; Rheology

TE254.4

A

1001-5620（2017）03-0039-05

2017-2-6；HGF=1703N5；編輯 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.03.007

西安石油大學(xué)全日制碩士研究生創(chuàng)新基金資助“抑制型抗高溫降濾失劑的合成與性能研究”（2015CX140734）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“多功能抗高溫鉆井液處理劑的合成研究”（201510705240）。

張群正，1964年生，教授，工學(xué)博士。電話 （029）88382702；E-mail：qzzhang@xsyu.edu.cn。