深水用低分子量包被劑PF-UCAP的合成及性能評價

李懷科，羅健生，李自立，耿 鐵，荊 鵬，黃孝權

（1.中海油服油田化學研究院，河北燕郊 065201；2.天津中海油服化學有限公司，天津塘沽 300301；3.中海油服油田化學事業部塘沽基地，天津塘沽 300301）

包被劑是水基鉆井液中一種應用廣泛且非常重要的有機處理劑，該處理劑主要是靠化學鍵吸附在鉆屑的表面，將其纏繞包裹起來，防止鉆屑與水分子接觸發生水化分散[1,2]。同時，鉆井液用包被抑制劑還具有降低失水，改善流型和增強體系的潤滑性能等特點。目前常用的包被劑為聚丙烯酰胺類聚合物，如FA367，PLUS，PLH，HP600等，這些包被劑在泥頁巖，砂巖地層都具有很好的應用效果。但這類物質一個共同特點就是相對分子質量較大，一般在300萬以上，甚至更大。

深水作業由于低溫特點，限制了高相對分子質量包被劑的使用。原因是低溫下這類物質會使體系的粘度增大，給現場體系流變性的控制帶來一定的困難，也給泥漿泵泵送增加了負擔[3,5]。同時，深水低溫條件下這類物質的溶解速率降低，大大降低其對鉆屑的包被能力。因此，在深水作業中，對包被劑的要求不僅要有較低的相對分子質量，同時，還要有很強的包被能力。本文以丙烯酰胺，陽離子單體二甲基氯化銨類為主要原料，利用反相懸浮聚合的工藝合成了一種深水用低相對分子質量包被抑制劑PF-UCAP，并對其性能進行了評價。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗原料

合成的主要試劑有：環己烷（分析純，天津富宇精細化工有限公司）；單體Ⅰ（丙烯酰胺類，分析純，天津科密歐化學試劑有限公司）；單體Ⅱ（二甲基氯化銨類，Aladdin Chemistry Co.Ltd）；過硫酸銨（分析純，上海埃彼化學試劑有限公司）；失水山梨醇單硬脂酸酯（化學純，成都科龍化工試劑廠）；相對分子質量調節劑（硫醇類，分析純，成都科龍化工試劑廠）。

1.2 實驗儀器

電子天平（FA2204B，上海菁海儀器有限公司）；四口燒瓶（聯華玻璃儀器廠）；集熱式磁力加熱攪拌器（DF-101S，金壇市醫療器械廠）；循環水真空泵（SHZ-Ⅲ，上海亞榮生化儀器廠）；真空干燥箱（DZF-6020，上海一恒儀器有限公司）；掃描電子顯微鏡（S-4800，日本Hitachi 公司)；OFI900 旋轉黏度計（OFI）；滾子爐。

1.3 PF-UCAP的合成

（1）在1000 mL 四口燒瓶中加入600 mL 環己烷和2.8 g 失水山梨醇單硬脂酸酯，邊攪拌邊加熱使其充分溶解；（2）分別將60 g 單體Ⅰ、18 g 單體Ⅱ以及40 mg相對分子質量調節劑加入燒杯中，并用50 mL 蒸餾水完全溶解，即得單體溶液；（3）將配置好的單體溶液慢速滴加到四口燒瓶中，通入氮氣約30 min，并開始加熱升溫。溫度上升到55℃左右時停止加熱，再加入840 mg的過硫酸銨溶液；（4）繼續攪拌，反應為放熱反應，控制溫度在65～70℃；（5）待反應完成后，共沸除水，冷卻后將反應產物進行抽濾，烘干即得最終產品。

1.4 基漿的配置

按水：無水碳酸鈉：膨潤土=100：0.2：3（質量分數），在攪拌情況下先后往水中加入無水碳酸鈉和膨潤土，繼續攪拌4 h以上，然后封閉靜置16 h，備用。

2 PF-UCAP 性能評價

2.1 相對分子質量測定

室內用凝膠色譜法和特性粘數法兩種方法測定了低相對分子質量包被抑制劑PF-UCAP的相對分子質量[6,7]，實驗結果。實驗結果表明，合成的PF-UCAP的相對分子質量較小，僅有90 多萬，遠遠小于目前國內常用包被劑的相對分子質量。同時，兩種相對分子質量測定方法測得的粘均相對分子質量相近，誤差較小。

表1 不同方法測得的相對分子質量對比

2.2 粒徑

取100 mg 樣品放入盛有2 mL 無水乙醇的塑料管中，然后將樣品管在超聲儀中分散5 min，取下層的分散液一滴放置在載玻片上，保持15 min 讓乙醇完全揮發，然后用掃描電鏡測其粒徑分布。得到PF-UCAP 樣品的微觀外貌，掃描電鏡圖像（見圖1）。從圖1可以看出，低相對分子質量包被劑PF-UCAP的顆粒呈球狀分布，且粒徑非常均勻，基本在50 μm 左右。

圖1 PF-UCAP 水溶液的電鏡掃描圖

2.3 粘度測定

在基漿中加入0.5%PF-UCAP，測定滾后體系的粘度，并與PLUS 進行了對比，實驗結果。從結果可以看出，加入包被抑制劑后，基漿的粘度都有所增加，但增幅不同。其中加入PLUS 后體系的粘度增幅最大，PF-UCAP 最小，這說明合成的低相對分子質量包被劑PF-UCAP 對基漿的粘度影響不大。產生這種現象的原因主要是和三種包被抑制劑的相對分子質量大小有關，即相對分子質量越大，體系的粘度越大。

表2 包被劑在基漿中的粘度

圖2 不同包被劑在基漿中的粘度對比

為進一步考察溫度對包被抑制劑的影響，特別是低溫條件下粘度的變化情況。室內用蒸餾水配置兩種包被抑制劑溶液，與100℃下熱滾16 h，測定不同溫度（4℃、15℃、25℃、50℃）下的流變參數，實驗結果（見圖3）。實驗結果表明，PF-UCAP 在水溶液中的粘度較小，4℃的表觀粘度只有1.8 mPa·s，塑性粘度只有1.6 mPa·s，當溫度升高至50℃時，體系的表觀粘度降至0.8 mPa·s，塑性粘度降至0.7 mPa·s。這說明低相對分子質量包被劑PF-UCAP 對體系的粘度貢獻小，可以作為深水水基鉆井液的包被劑使用。

圖3 不同溫度下PF-UCAP 水溶液的粘度變化

2.4 包被性能評價

粘土分散實驗和低溫流變實驗表明，低相對分子質量包被抑制劑PF-UCAP 由于其相對分子質量較小，對體系的粘度貢獻小，但不能說明它對鉆屑的包被能力就強。為了評價不同相對分子質量包被抑制劑對鉆屑的包被能力，分別在相同濃度（0.5%）包被抑制劑溶液中加入易水化分散的緬甸鉆屑和BZ 鉆屑，用滾動回收率評價其抗鉆屑分散的能力，實驗結果（見圖4）。結果表明，低相對分子質量包被劑PF-UCAP 對鉆屑具有很好的包被作用，能夠有效抑制鉆屑在水中發生水化分散，鉆屑滾動回收率高達85%以上，其包被效果可以與PLUS 相當。

圖4 不同包被劑溶液滾動回收率對比

3 結論

（1）合成的低相對分子質量包被劑PF-UCAP的相對分子質量較小，平均相對分子質量小于100萬。凝膠色譜法和特性粘數法測得結果相近，吻合度較高。

（2）合成的低相對分子質量包被劑PF-UCAP的顆粒呈球狀分布，且粒徑非常均勻，基本在50 μm 左右。

（3）合成的低相對分子質量包被劑PF-UCAP 對基漿的粘度貢獻小，這說明對該物質對體系的粘度影響較小。

（4）合成的低相對分子質量包被劑PF-UCAP 對鉆屑具有很好的包被效果，鉆屑滾動回收率高達85%以上。

［1］鄢捷年，編.鉆井液工藝學［M］.北京：中國石油大學出版社，2006：57-77.

［2］楊小華.國內近5年鉆井液處理荊研究與應用進展［J］.油田化學，2009，26（2）:210-216.

［3］趙勝英，鄢捷年，丁彤偉，等.抗高溫高密度水基鉆井液流變性研究［J］.天然氣工業，2007，（5）：78-80，

［4］趙懷珍，薛玉志，李公讓，等.抗高溫水基鉆井液超高溫高壓流變性研究［J］.石油鉆探技術，2009，37（1）:5-9.

［5］李懷科，王楠，田榮劍，等.氣制油合成基鉆井液低溫高壓條件下流變模式研究［J］.石油鉆探，2011，39（1）:44-47.

［6］聚丙烯酰胺特性粘數測定方法［G］.GB12005.1-1989.

［7］聚丙烯酰胺分子量測定［G］.GB12005.10-1992.