抗高溫有機(jī)硅降濾失劑制備及性能評價

由福昌，周書勝，韓銀府，符合，高陽

抗高溫有機(jī)硅降濾失劑制備及性能評價

由福昌，周書勝，韓銀府，符合，高陽

（荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

為了解決深井鉆探過程中鉆井液濾失量大、護(hù)壁性能差等問題，室內(nèi)采用N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）為單體制備有機(jī)硅降濾失劑。該降濾失劑在溫度不超過320 ℃時，質(zhì)量損失小，在鉆井液表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫性能，與黏土表面羥基發(fā)生縮聚反應(yīng)，對黏土吸附能力強(qiáng)，在高溫下不易脫附，可有效地防止黏土聚集，達(dá)到降濾失的目的。

降濾失劑；聚合物；硅烷偶聯(lián)劑；抗高溫性能

常規(guī)油氣資源的持續(xù)開發(fā)使其逐漸衰竭，促使鉆探工作向深部地層油氣資源投入[1]。我國深部地層油氣資源分布廣，主要分布在塔里木盆地、渤海灣、四川盆地等，儲層深度超過5 000 m，地溫梯度大，儲層溫度高于180 ℃，高溫使巖石整體剛度降低、縫隙膠結(jié)強(qiáng)度變?nèi)?，進(jìn)而破壞井眼應(yīng)力分布平衡，易造成深井鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、卡鉆等復(fù)雜事故[2]。除此之外，高溫對鉆井液技術(shù)提出巨大挑戰(zhàn)，高溫造成鉆井液處理劑分子斷裂，造成鉆井液黏度、切力降低，濾失量增大，護(hù)壁性能惡 化[3]。采用降濾失劑降低鉆井液的濾失量，減少濾液對黏土礦物含量高的地層的水化作用[4]，同時避免地層的孔隙壓力增大，提高鉆井液液柱壓力對井壁的有效支撐，避免鉆井液密度過高而壓漏地層?？垢邷厮@井液主要由水、膨潤土、抑制劑、降濾失劑等組成。降濾失劑通過功能性基團(tuán)（水化基團(tuán)、吸附基團(tuán)）吸附在黏土表面，并在其表面形成水化膜，在壓差下易變形堵塞泥餅孔隙[5]，降濾失劑含有剛性側(cè)基使分子熱運(yùn)動阻力增大，使降濾失劑分子在高溫下不易斷裂，同時避免了黏土顆粒碰撞而聚集[6]。有機(jī)硅降濾失劑含有硅羥基，可與黏土表面羥基發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成Si—O—Si，該鍵斷裂能壘高，在高溫下不易斷裂，對黏土吸附能力 強(qiáng)[7]。本文采用N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）為單體制備有機(jī)硅降濾失劑，并評價其性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和儀器

NVP、AMPS、AM、A-151、過氧化苯甲酰（BPO）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、Na2CO3、NaCl和無水乙醇，均為市售分析純試劑。

總有機(jī)碳分析儀、紅外光譜儀、熱重分析儀、高溫滾子加熱爐、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、高速攪拌器、中壓失水儀、高溫高壓濾失儀、合成裝置等。

1.2 有機(jī)硅降濾失劑的合成

將裝有溫度計(jì)、攪拌器、球形回流冷凝管的三口圓底燒瓶置于加熱裝置中，加入100 mL 有機(jī)溶劑DMF，依次加入6 g AM、2 g AMPS、2 g NVP、0.5 g A-151，在攪拌條件下充分溶解，升溫至70 ℃，采用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值，在圓底燒瓶中通氮?dú)?.5 h，確保無氧環(huán)境下逐步滴加少量的引發(fā)劑BPO，反應(yīng)一段時間后得到粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物過濾來除去溶劑，用無水乙醇洗滌后并烘干至恒重后粉碎，最終得到有機(jī)硅聚合物。

1.3 結(jié)構(gòu)表征

將有機(jī)硅聚合物與KBr混合研磨均勻，壓成薄片在紅外光譜儀500～4 000 cm-1波長下掃描得到紅外光譜圖。將有機(jī)硅聚合物置于熱重分析儀中，并在氮?dú)獗Ｗo(hù)的作用下測試其熱穩(wěn)定性。

1.4 鉆井液流變與濾失性能評價

淡水基漿配制：在裝有400 mL淡水的杯中加入12 g納基膨潤土、1 g Na2CO3，高速攪拌30 min，并刮下附在杯壁上黏土，攪拌均勻后在密閉容器中養(yǎng)護(hù)24 h即得淡水基漿。

將不同量的有機(jī)硅聚合物降濾失劑加入上述基漿中，在10 000 r·min-1下攪拌30 min后，按照 GB/T 16783—2014中測試方法對鉆井液性能進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 熱重分析

有機(jī)硅聚合物熱穩(wěn)定性分析結(jié)果如圖1所示。從圖1可知，在溫度不超過320 ℃時，有機(jī)硅聚合物質(zhì)量損失僅為8.8%，有機(jī)硅聚合物中含有大量功能化基團(tuán)吸附了空氣中自由水發(fā)生蒸發(fā)以及少量的基團(tuán)分解造成質(zhì)量損失。在溫度范圍320～450 ℃，其質(zhì)量損失超過50%，其原因?yàn)榉肿又械孽０坊?、磺酸基、硅氧基斷裂以及部分?cè)鏈與主鏈分開造成分子質(zhì)量迅速下降。溫度超過300 ℃之后，分子才開始明顯分解，足以證明該聚合物具有優(yōu)異的抗高溫性能。

圖1 有機(jī)硅聚合物熱穩(wěn)定性分析

2.1.2 紅外光譜分析

有機(jī)硅聚合物分子結(jié)構(gòu)表征圖見圖2。

圖2 聚合物紅外光譜圖

從圖2可知，1 726 cm-1處出現(xiàn)吡咯烷酮中的內(nèi)酰胺中羰基的吸收峰；1 625、1 682 cm-1處出現(xiàn)伯、仲酰胺基團(tuán)中羰基的吸收雙峰；1 038 cm-1處出現(xiàn)磺酸基中S=O的吸收峰；1 332 cm-1處出現(xiàn)硅氧基的振動吸收峰。這證明4種單體共聚成功，合成物即為目標(biāo)產(chǎn)物。

2.2 有機(jī)硅聚合物在淡水鉆井液中的性能

將不同量的有機(jī)硅聚合物降濾失劑加入基漿中，鉆井液配制完后裝入老化罐中，置于溫度為200 ℃的高溫滾子加熱爐熱滾16 h，50 ℃測其流變性以及175 ℃下測試其高溫高壓濾失量，結(jié)果見 表1。

表1 降濾失劑對鉆井液性能的影響

從表1可知，隨著有機(jī)硅聚合物降濾失劑加量增大，鉆井液的黏度、切力增大，鉆井液的濾失量逐步降低。當(dāng)降濾失劑加量為3%，API僅為6.2 mL，高溫高壓濾失量為21.2 mL，這表明該降濾失劑具有優(yōu)異的降濾失效果，同時降濾失劑使鉆井液在熱滾前后黏度、切力變化小，說明降濾失劑分子在高溫條件下無明顯斷裂，分子中含有磺酸基、雜環(huán)基團(tuán)，使聚合物分子剛性提高，空間位阻增大，提高聚合物分子的抗高溫性能。鉆井液整體均勻，無水析出，無固相沉積，說明有機(jī)硅聚合物降濾失劑在高溫下能有效地吸附在黏土表面，分子中硅氧基與黏土表面的羥基發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成Si—O—Si鍵，該鍵鍵能高，在高溫下不易斷裂，可有效地防止黏土聚集，達(dá)到降濾失的目的[8]。

2.3 鉆井液抗鹽侵性能評價

將3%有機(jī)硅聚合物降濾失劑加入基漿中，配制好鉆井液。向其中分別加入5%、10%、15%的NaCl，通過鉆井液的流變性以及濾失量評價鉆井液的抗鹽性能。將鉆井液置于溫度為200 ℃的高溫滾子加熱爐熱滾16 h，50 ℃測其流變性以及175 ℃下測試其高溫高壓濾失量，結(jié)果見表2。

從表2可知，隨著NaCl加量增加，鉆井液的黏度、切力下降，鉆井液的濾失量增大。當(dāng)NaCl加量為15%時，鉆井液的API僅為10.2 mL，高溫高壓濾失量為29.6 mL，這表明鉆井液性能受鹽侵的影響較小，由于有機(jī)硅聚合物剛性以及分子側(cè)鏈含有大量的磺酸基使降濾失劑抗鹽性能增強(qiáng)[9]。

表2 鉆井液抗鹽性能評價

2.4 有機(jī)硅降濾失劑吸附性能評價

將不同量的有機(jī)硅聚合物降濾失劑加入基漿中，配制好的鉆井液在溫度為200 ℃熱滾后，進(jìn)行175 ℃下高溫高壓濾失量測試，采用總有機(jī)碳分析儀測量濾液中有機(jī)碳的含量，計(jì)算有機(jī)硅降濾失劑對黏土表面的吸附量，計(jì)算公式見文獻(xiàn)[10]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 不同加量的降濾失劑在黏土上的吸附量

隨著降濾失劑加量增加，黏土表面的含碳分子吸附量逐步增大，當(dāng)有機(jī)硅降濾失劑加量為3%時，其分子吸附量為82mg·g-1，分子側(cè)鏈含有大量的酰胺基團(tuán)，可有效吸附在黏土表面，硅羥基使分子牢固吸附在黏土表面，該吸附力屬于化學(xué)吸附，具有抗高溫性能；當(dāng)有機(jī)硅降濾失劑加量超過3%時，其吸附量增加較為平緩，表明黏土表面吸附量趨于飽和。

3 結(jié) 論

本文采用AM、AMPS、NVP、A-151為合成單體制備有機(jī)硅降濾失劑，紅外光譜分析表明合成產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物，同時熱重分析表明，該有機(jī)硅降濾失劑在溫度不超過320 ℃時分子質(zhì)量損失小于9%，未出現(xiàn)明顯分子鍵斷裂，表明有機(jī)硅降濾失劑具有優(yōu)異的抗高溫性能。

該降濾失劑加量小，在高溫條件下可有效降低鉆井液濾失量，使鉆井液在熱滾前后黏度、切力變化小，該降濾失劑具有優(yōu)異的抗高溫性能、降濾失性能。分子中含有磺酸基、雜環(huán)基團(tuán)，使聚合物分子剛性提高，空間位阻增大，提高聚合物分子的抗高溫性能。該聚合物降濾失劑分子中硅氧基與黏土表面的羥基發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成Si—O—Si鍵，在高溫下不易斷裂，可有效地防止黏土聚集，達(dá)到降濾失的目的。

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Synthesis and Performance Evaluation of High Temperature Resistant Silicone Fluid Loss Reducer

（Jingzhou Jiahua Technology Co., Ltd., Jingzhou Hubei 434000, China）

In order to solve the problems such as large fluid loss and poor wall protection performance of drilling fluid in the process of deep well drilling, NVP, AMPS, AM and A-151 were used as monomers to prepare silicone fluid loss reducer. When the temperature did not exceed 320 ℃, the fluid loss reducer had low mass loss, excellent high-temperature resistance in drilling fluid, polycondensation reaction with hydroxyl on the surface of clay could happen, adsorption capacity to clay was strong, it was not easy to desorb at high temperature, which could effectively prevent clay aggregation and achieve the purpose of reducing filtration loss .

Fluid loss reducer; Polymer; Silane coupling agent; High temperature resistance

湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，抗高溫環(huán)保型鉆井液用聚合物材料研究與應(yīng)用（項(xiàng)目編號：2020BAB072）。

2021-08-12

由福昌（1981-），男，遼寧省西豐市人，高級工程師，2010年畢業(yè)于長江大學(xué)油氣井工程專業(yè)，研究方向：鉆井液、完井液、儲層保護(hù)等方面的技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)品研發(fā)。

TE254

A

1004-0935（2022）03-0304-03