一種新型抗溫抗鹽聚合物降濾失劑的室內(nèi)研究

楊 磊，侯珊珊，高 陽，舒 曼，鄧亞慧

（1.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部上海作業(yè)公司，上海 200335；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

近年來隨著油氣開采逐漸深入深井、超深井鉆井領(lǐng)域，井底溫度越來越高，多大于180 ℃，且井下復(fù)雜情況多發(fā)，油氣開發(fā)的難度越來越大，因此對所應(yīng)用的鉆井液處理劑也提出了更為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)和要求。降濾失劑作為其關(guān)鍵處理劑，對鉆井液的性能起著尤為關(guān)鍵的作用。目前市場上常用的降濾失劑多為天然材料及其改性產(chǎn)物和合成聚合物類[1-3]。近年來，為了滿足各類深井超深井等地層條件的需要，研究學(xué)者對于降濾失劑抗溫、抗鹽能力的研究越來越多。而合成聚合物類由于具有很好的抗鹽、抗高溫能力和精良的降濾失效果，且單體種類繁多、價廉，正逐漸受到廣泛的關(guān)注[4-8]。

本文采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）等單體為原料，通過水溶液聚合，合成了一種新型的四元共聚物PAA-330，該共聚物含有大量的酰胺基團，顯著增強了產(chǎn)品的吸附能力；同時引入吡咯烷酮五元環(huán)和磺化基團等剛性基團，使產(chǎn)品的抗溫和抗鹽能力得到明顯提高。經(jīng)實驗其抗溫達(dá)200 ℃，在飽和鹽水漿中性能穩(wěn)定，具有較好的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 主要原料和儀器

主要原料：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、引發(fā)劑、NaOH、NaCl、MgCl2、CaCl2和Na2CO3，均為市售分析純。

實驗儀器：變頻高速攪拌器、水浴鍋、六速旋轉(zhuǎn)黏度計、GRL 高溫老化滾子爐、ZNS 型中壓失水儀、GGS-71 型高溫高壓濾失儀、紅外光譜儀、熱重分析儀（TGA）、分析天平、合成裝置及相關(guān)玻璃器皿等。

1.2 聚合物降濾失劑的合成

使用天平稱取適量的丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）和蒸餾水進行攪拌混合溶解，加入少量NaOH 調(diào)節(jié)溶液的pH 值，繼續(xù)加入一定量的二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）進行攪拌混合，充分溶解完全后將單體混合物加入到四口燒瓶中，安裝好合成裝置后通氮氣除氧0.5 h，向燒瓶中滴加引發(fā)劑，然后升溫至一定溫度在無氧條件下反應(yīng)5 h，得到凝膠狀溶液，使用無水乙醇洗滌、并在80 ℃下烘干至恒重后粉碎，最終得到粉末狀產(chǎn)品即為所需產(chǎn)物。

聚合物降濾失劑產(chǎn)物的綜合性能受到單體配比、單體濃度、合成反應(yīng)時間、溫度及引發(fā)劑的不同等多方面影響。室內(nèi)根據(jù)上述五種因素在各不同條件下合成了多個樣品，并對產(chǎn)物進行了多方面性能評價，以API濾失量、HTHP 濾失量為考核標(biāo)準(zhǔn)，同時兼顧流變性的影響，最終優(yōu)選出當(dāng)AM、AMPS、DMDAAC、NVP 的單體配比為50:25:15:10 時，樣品的綜合性能最佳，標(biāo)號為PAA-330。

1.3 鉆井液樣品配制

（1）淡水基漿。在350 mL 淡水中依次加入1.05 g無水碳酸鈉和14 g 鈉膨潤土，在8 000 r/min 下攪拌20 min，并刮下泥漿杯壁內(nèi)的附著物，攪拌均勻后于室溫25±1 ℃靜置養(yǎng)護24 h 備用。

（2）鹽水基漿。在上述（1）的基漿中加入4%NaCl，在8 000 r/min 下攪拌20 min，并刮下泥漿杯壁內(nèi)的附著物，后于室溫25±1 ℃靜置養(yǎng)護24 h。

（3）飽和鹽水基漿。在上述（1）的基漿中加入36%NaCl，在8 000 r/min 下攪拌20 min，并刮下泥漿杯壁內(nèi)的附著物，后于室溫25±1 ℃靜置養(yǎng)護24 h。

（4）復(fù)合鹽水漿。量取350 mL 去離子水倒入高攪杯中，置于高速攪拌器上邊攪拌邊向其中加入14.00 g氯化鈉，3.74 g 六水氯化鎂，1.75 g 無水氯化鈣和2.10 g碳酸鈉，高速攪拌5 min 后，再向其中加入35.00 g 膨潤土，繼續(xù)攪拌20 min 后，于室溫靜置養(yǎng)護24 h，得復(fù)合鹽水基漿。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜表征

將合成的樣品使用紅外光譜儀進行表征，結(jié)果（見圖1）。3 641 cm-1處為羥基的伸縮振動吸收峰，2 926 cm-1為亞甲基-CH2-的不對稱伸縮振動吸收峰，1 679 cm-1、1 533 cm-1是酰胺基-CONH2的特征吸收峰，1 187 cm-1、1 063 cm-1是AMPS 中磺酸基-SO 的不對稱和對稱伸縮吸收峰，629 cm-1是AMPS 上C-S 鍵的特征吸收峰，1 440 cm-1是剛性五元環(huán)的特征吸收峰。上述波峰數(shù)據(jù)表明，在合成的樣品中含有各單體官能團（酰胺基、磺酸基、吡咯烷酮環(huán)）的特征吸收峰，證明合成樣品即為目標(biāo)產(chǎn)物。且這些基團有效提高了共聚物的耐溫耐鹽和水解穩(wěn)定性。

圖1 PAA-330 紅外光譜圖

2.2 熱穩(wěn)定性分析

隨著溫度逐漸升高，聚合物降濾失劑會發(fā)生高溫降解，其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，將直接影響鉆井液的流變性和降濾失效果。室內(nèi)對聚合物降濾失劑樣品以相同的升溫速率（10 ℃/min）測定了其熱穩(wěn)定性，結(jié)果（見圖2）。溫度小于200 ℃時樣品發(fā)生了少量失重，分析原因主要是樣品中含有未反應(yīng)完全的單體和少量的水分揮發(fā)分解引起的，失重率為4.9%；而當(dāng)溫度升高至304 ℃以后，樣品出現(xiàn)明顯的失重情況，顯示產(chǎn)物的熱分解溫度為304 ℃，結(jié)果表明該降濾失劑具有良好的熱穩(wěn)定性，能夠滿足井下較高的井底溫度。

圖2 PAA-330 的熱失重曲線圖

2.3 對鉆井液性能影響

將不同加量的樣品分別加入到1.3 方法配制的淡水漿、鹽水漿及飽和鹽水漿中，充分?jǐn)嚢杈鶆颍?50 ℃下老化16 h，測試鉆井液的API 濾失量和HTHP 濾失量以及流變性，以考察聚合物降濾失劑加量對鉆井液各項性能的影響（見表1）。由表1 數(shù)據(jù)可知，無論是淡水漿還是鹽水漿中，加入聚合物降濾失劑的鉆井液的濾失量均顯著降低。隨著樣品加量逐漸增加，鉆井液濾失量逐漸下降，當(dāng)加量為2%時，各基漿API 濾失量均降至4.5 mL 以下，失水量降低率達(dá)87%以上，且老化后的HTHP 失水量降低率高達(dá)80%以上。這表明PAA-330 具有優(yōu)異的降濾失性能，抗鹽能力強，且低加量下就具有很好的效果。

2.4 抗溫能力評價

按1.3 中復(fù)合鹽水漿制備法配制4 杯復(fù)合鹽水基漿，每杯中都加入2%（質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)）的PAA-330，經(jīng)8 000 r/min 攪拌20 min 后，再在120～200 ℃下老化16 h后測試鉆井液的流變性、常溫中壓和高溫高壓濾失量（API 和HTHP 濾失量），結(jié)果（見表2）。由表中數(shù)據(jù)可知：隨著溫度的升高，復(fù)合鹽水漿的API 濾失量和HTHP 濾失量均逐漸緩慢上升，但當(dāng)老化溫度為200 ℃時，API濾失量僅為2 mL，高溫高壓濾失量為15.8 mL，仍保持優(yōu)良的降濾失效果，同時鉆井液的黏切等流變性變化較小。這說明PAA-330 分子鏈中含有較多的親水基團，能夠在黏土顆粒表面形成多面吸附，阻止了鉆井液濾液侵入地層。同時引入了磺化基團和吡咯烷酮環(huán)等剛性基團，使降濾失劑的抗溫能力得到顯著提升，助力了其在200 ℃下仍能發(fā)揮較好的降濾失效果。

2.5 鹽析實驗

在不同濃度的氯化鈉和氯化鈣水溶液中，分別加入1%加量的樣品，觀察鹽溶液是否出現(xiàn)渾濁情況，實驗結(jié)果（見表3），PAA-330 在飽和NaCl 水溶液和5%CaCl2水溶液中均未析出，說明產(chǎn)品具有良好的抗鹽、抗鈣性能。

表1 PAA-330 在鉆井液中的性能評價

表2 不同溫度下PAA-330 在鉆井液中的降濾失性能

表3 PAA-330 的鹽析實驗

3 結(jié)論

（1）通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，以AM、AMPS、DMDAAC、NVP 單體為原料，按照一定濃度、配比，通過水溶液聚合制備了新型四元共聚物PAA-330，通過紅外表征，產(chǎn)物含有所需的抗溫、抗鹽基團，滿足設(shè)計要求。

（2）該降濾失劑吸附能力強，在淡水漿、鹽水漿和飽和鹽水漿中性能穩(wěn)定，失水量降低率高達(dá)87%以上，降濾失效果明顯。且在飽和NaCl 水溶液和5%CaCl2水溶液均未出現(xiàn)鹽析現(xiàn)象，抗鹽抗鈣能力強。

（3）該降濾失劑起始分解溫度為304 ℃，熱穩(wěn)定性良好，能夠滿足井下較高的井底溫度。其抗溫高達(dá)200 ℃，在復(fù)合鹽水漿中經(jīng)200 ℃老化后，濾失量在15.8 mL，且對鉆井液流變性無明顯影響，表明其耐溫性優(yōu)異，與鉆井液配伍性良好，具有較好的應(yīng)用前景。