鉆井液增黏劑SDA的合成與性能評(píng)價(jià)

雷鑫宇，陳　爽，王　林，楊世杰，于小榮，李　芹

(1.中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司，成都 610041; 2.中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探鉆井液公司，遼寧盤錦 124010; 3.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，天津 300452; 4.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，成都 610500)

鉆井工程中通常采用添加適量鉆井液增黏劑的方法以提高鉆井液黏度，實(shí)現(xiàn)低固相含量下的快速鉆進(jìn)，從而保證井眼的清潔度[1-2]。目前，現(xiàn)場(chǎng)大量應(yīng)用的鉆井液增黏劑為FA367，其具有增黏程度高和抑制性強(qiáng)等優(yōu)良特性，但在高溫、高鹽或高剪切下，增黏效果降低[3]。

本研究以陰離子耐溫抗鹽單體對(duì)苯乙烯基苯磺酸(SS)，陽(yáng)離子耐溫單體二烯丙基二甲基氯化銨(DMDAAC)和非離子單體丙烯酰胺(AM)為原料，采用水溶液聚合法合成鉆井液增黏劑SDA;考察了單體質(zhì)量比，單體用量，引發(fā)劑用量，體系pH，反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)其性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1　儀器與原料

JJ-2型恒速攪拌器，ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，F(xiàn)A1004型電子天平，HTP型滾子爐。

SS，DMDAAC，AM，均為分析純，成都科龍化工試劑廠；鈉膨潤(rùn)土、增黏劑FA367，均為工業(yè)品，西南石大金牛石油科技有限公司。

1.2　合成方法

向反應(yīng)瓶中分別加入SS和適量蒸餾水，待溶解后再依次加入DMDAAC和AM，攪拌使其溶解。升溫，緩慢加入一定量的引發(fā)劑過(guò)硫酸銨，攪拌，回流反應(yīng)一定時(shí)間后得淡黃色黏稠物。用無(wú)水乙醇洗滌，75 ℃下烘干得淡黃色粉末，即為增黏劑SDA。

1.3　增黏劑SDA性能評(píng)價(jià)方法

SDA的性能評(píng)價(jià)參照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5661—1995《鉆井液用增黏劑80A51》進(jìn)行。基漿配方為：0.24%無(wú)水碳酸鈉+4.00%鈉膨潤(rùn)土，SDA在基漿中加量為0.30%。

2　最佳合成條件的確定

2.1　單體質(zhì)量比

固定單體用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)30%，引發(fā)劑過(guò)硫酸銨用量0.12%，反應(yīng)溫度75 ℃，反應(yīng)時(shí)間5 h，合成增黏劑SDA，考察單體質(zhì)量比對(duì)SDA性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖1。表1為不同單體質(zhì)量比對(duì)應(yīng)的代號(hào)。

表1　單體質(zhì)量比對(duì)應(yīng)代號(hào)

圖1　單體質(zhì)量比對(duì)SDA性能的影響

由圖1可見(jiàn)，隨著單體SS含量增加，表觀黏度增加，當(dāng)SS含量為40%～45%時(shí)，表觀黏度和動(dòng)切力值達(dá)最大，增黏效果最好。這可能是由于SS含量增加，其帶負(fù)電荷的磺酸根離子的靜電排斥作用和苯基的大側(cè)基位阻效應(yīng)，降低了聚合物自由基雙基鏈終止幾率，使SDA的平均相對(duì)分子質(zhì)量增大，宏觀上則表現(xiàn)為鉆井液的表觀黏度和動(dòng)切力增加。

2.2　單體用量

固定其他條件，按照m(SS)∶m(DMDAAC)∶m(AM)= 4.5∶0.5∶5.0，配制不同單體用量的反應(yīng)體系，合成增黏劑SDA，考察單體用量對(duì)SDA性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　單體用量對(duì)SDA性能的影響

由圖2可見(jiàn)，隨著單體用量增加，鉆井液的表觀黏度和動(dòng)切力增加，當(dāng)單體用量為30%時(shí)，表觀黏度和動(dòng)切力值達(dá)最大。這可能由于，引發(fā)劑用量一定時(shí)，溶液中單體用量增加，自由基和單體分子間有效碰撞幾率增大，鏈增長(zhǎng)速率增快，SDA相對(duì)分子質(zhì)量增大，增黏效果顯著。

2.3　引發(fā)劑用量

固定其他條件，單體用量30%，考察引發(fā)劑用量對(duì)SDA性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　引發(fā)劑用量對(duì)SDA性能的影響

根據(jù)自由基聚合的動(dòng)力學(xué)方程分析，要提高SDA的平均相對(duì)分子質(zhì)量，應(yīng)盡量減少引發(fā)劑用量，但過(guò)低的引發(fā)劑用量，不足以提供足夠的自由基活性中心，單體轉(zhuǎn)化率偏低，也影響SDA的相對(duì)分子質(zhì)量。由圖3可見(jiàn)，引發(fā)劑用量為0.14%時(shí)，鉆井液的表觀黏度和動(dòng)切力達(dá)最大。因此，引發(fā)劑用量以0.14%為宜。

2.4　反應(yīng)溫度

固定其他條件，引發(fā)劑用量0.14%，考察反應(yīng)溫度對(duì)SDA性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　反應(yīng)溫度對(duì)SDA性能的影響

本實(shí)驗(yàn)使用的是單引發(fā)劑，因此引發(fā)劑分解溫度要求較高，溫度較低，單體擴(kuò)散速率慢，鏈增長(zhǎng)不明顯，SDA相對(duì)分子質(zhì)量不大；溫度升高，引發(fā)劑的分解速率增大，聚合反應(yīng)速率增大，SDA相對(duì)分子質(zhì)量增大，但當(dāng)溫度達(dá)一定值后，受單體轉(zhuǎn)化率限制，SDA相對(duì)分子質(zhì)量變化不明顯，增黏效果變化也不大。從圖4看出，反應(yīng)溫度以75 ℃為宜。

2.5　反應(yīng)時(shí)間

固定其他條件，反應(yīng)溫度75 ℃，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)SDA性能的影響結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　反應(yīng)時(shí)間對(duì)SDA性能的影響

由圖5可見(jiàn)，反應(yīng)時(shí)間太短，SDA相對(duì)分子質(zhì)量較低；反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，單體轉(zhuǎn)化率提高，SDA相對(duì)分子質(zhì)量提高，反應(yīng)時(shí)間超過(guò)5 h，SDA的增黏效果不明顯。因此，反應(yīng)時(shí)間以5 h為宜。

2.5　體系pH

固定其他條件，用NaOH調(diào)節(jié)體系pH，反應(yīng)時(shí)間5 h，考察體系pH對(duì)SDA性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6　體系pH對(duì)SDA性能的影響

由圖6可見(jiàn)，體系pH較高時(shí)，鏈轉(zhuǎn)移速度過(guò)大，SDA相對(duì)分子質(zhì)量受影響，增黏果較差；體系pH較低時(shí)，會(huì)伴有支鏈或交聯(lián)反應(yīng)發(fā)生。因此，反應(yīng)體系為中性或弱堿性時(shí)，SDA的增黏效果較好。

2.7　增黏劑SDA的耐溫抗鹽性能

用NaOH調(diào)節(jié)體系pH至7，按照最佳反應(yīng)條件合成SDA，評(píng)價(jià)其耐溫抗鹽性能，并與增黏劑FA367比較，結(jié)果見(jiàn)表2、表3和表4。

表2　增黏劑耐溫性能比較

表3　增黏劑抗Na+性能比較

表4　增黏劑抗Ca2+性能比較

由表2、表3和表4可見(jiàn)， SDA增黏效果較好，經(jīng)140 ℃高溫老化后，增黏效果略優(yōu)于FA367；同時(shí)，SDA的抗鹽性能優(yōu)于FA367。

3　結(jié)論

(1)以SS，DMDAAC和AM，采用水溶液聚合法合成了鉆井液增黏劑SDA。

(2)確定了SDA最佳合成條件：m(SS)∶m(DMDAAC)∶m(AM)=4.5∶0.5∶5.0，單體用量30%，引發(fā)劑用量0.14%，體系pH 7，反應(yīng)溫度75 ℃，反應(yīng)時(shí)間5 h，在此條件下，使鉆井液表觀黏度達(dá)59 mPa·s，動(dòng)切力達(dá)25 Pa，并具有較FA367更好的耐溫抗鹽性能。

[1]田發(fā)國(guó),李建波,高建林,等.鉆井液增粘提切劑YF-01的研制[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展,2009,10(3):4-7.

[2]陳大鈞,陳馥,李建波,等.油氣田應(yīng)用化學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2006：22-25.

[3]鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M]. 北京：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2001:127-130.