新型鉆井液降濾失劑的合成與性能評價

嚴思明，張紅丹，王富輝，楊圣月，雷鑫宇

(1.西南石油大學化學化工學院，成都 610500;2.中國科學院成都有機化學有限公司，成都 610041)

隨著石油天然氣資源減少，石油天然氣的勘探開發逐步向深部儲層發展。苛刻條件下保證鉆井液性能是鉆井工程面臨的巨大挑戰之一，高性能的鉆井液添加劑是應對這一挑戰的有力支撐［1－2］。降濾失劑可顯著降低鉆井液濾失量，維持鉆井液流變性并減少地層污染。研發應用于高溫高鹽下的新型降濾失劑一直是油田化學領域的重要課題。聚合物型降濾失劑因其基團拼合優勢且兼具多種良好性能，對解決耐溫耐鹽問題具有重要意義［3－5］。

以2－丙烯酰胺基 －2－甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)和烯丙基醚類親水單體(APO)為原料，經水溶液聚合法合成了新型鉆井液降濾失劑ZJ，其結構經IR表征。采用正交試驗法，確定了合成降濾失劑ZJ的最佳條件。

1 試驗

1.1 儀器與原料

Nicolet Magna型紅外光譜儀(KBr壓片);JJ－2型恒速攪拌器;ZNN－D6六速旋轉黏度計;OWC－FL型多聯濾失儀;OWC－HTP型滾子爐;OWC－HTHP型高溫高壓稠化儀。

2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸和烯丙基醚類親水單體、無水碳酸鈉(Na2CO3)、氯化鈉、氯化鈣，均為分析純，成都科龍化工試劑廠;鈣膨潤土，工業品，西南石大金牛石油科技有限公司。

1.2 合成方法

將一定量的AMPS，AM，AA，APO溶解于適量蒸餾水中，攪拌使其溶解;用NaOH溶液調節溶液pH后倒入反應器中。加熱至反應溫度，通氮氣，加入引發劑過硫酸銨(APS)，回流反應一定時間后得淡黃色黏稠物。用無水乙醇洗滌，剪碎，于105℃干燥2 h得鉆井液降濾失劑ZJ。

1.3 降濾失劑ZJ性能評價

參照GB/T 16783—1997《水基鉆井液現場測試程序》的方法，測定淡水鉆井液和鹽水鉆井液的流變性及濾失性能［6］。

1.3.1 基漿的制備

淡水基漿:在350 mL水中加入21 g鈣質膨潤土和1.75 g無水碳酸鈉，然后高速攪拌20 min，于室溫放置水化24 h。

4%鹽水基漿:在350 mL水中加入21 g鈣質膨潤土和1.75 g無水碳酸鈉，高速攪拌10 min，然后再加入14 g氯化鈉，繼續高速攪拌10 min，于室溫放置水化24 h。

復合鹽水基漿:在350 mL水中加入21 g鈣質膨潤土和1.75 g無水碳酸鈉，高速攪拌10 min，然后再加入14 g氯化鈉和1.75 g氯化鈣，繼續高速攪拌10 min，于室溫放置水化24 h。

飽和鹽水基漿:在350 mL淡水基漿中加入105 g氯化鈉，高速攪拌20 min，于室溫放置水化24 h。

2 結果與討論

2.1 合成條件優化

2.1.1 單體配比的確定

在合成聚合物過程中，單體配比對聚合反應的結果具有重要影響。固定單體用量為15%(總體質量分數)，引發劑用量APS為1.67%(占單體質量分數)，反應溫度80℃，體系pH為7，反應時間5 h。為確定單體物質的量比(AMPS∶AM∶AA∶APO)的最佳比例，設計4因素3水平正交試驗，以淡水泥漿在水化24 h后，加入0.5%共聚物的中壓濾失量(FL)作指標，試驗因素水平與結果見表1和表2。

表1 因素水平表

表2 正交試驗結果

從表2可看出，各因素的影響順序為:AM＞AMPS＞APO＞AA。根據正交試驗分析結果得出，最佳單體物質的量比為 2.0∶4.0∶1.3∶0.02。

2.1.2 其他因素的確定

在聚合物合成過程中，單體用量、引發劑用量和反應溫度均對聚合物性能有較大影響。固定單體物質的量比(AMPS∶AM∶AA∶APO)為2∶4∶1.3∶0.02，體系pH為7，反應時間5 h。為確定單體用量、引發劑用量和反應溫度3個因素，設計了3因素3水平正交試驗，以淡水泥漿在水化24 h后加入0.5%(體積質量分數)共聚物的中壓濾失量作指標，試驗水平與結果見表3，4。

表3 因素水平表

表4 合成條件正交試驗結果

由表4可知，反應條件對降濾失劑ZJ降濾失效果的影響程度由高到低的順序為引發劑濃度、反應溫度、單體濃度。根據正交試驗分析結果，確定反應單體質量分數15%、引發劑用量1.0%(占單體質量分數)、反應溫度70℃;因此確定共聚物的最佳合成條件為:n(AMPS)∶n(AM)∶n(AA)∶n(APO)=2∶4∶1.3∶0.02，單體用量為15%，引發劑用量為單體質量分數的1.0%，體系pH為7，反應溫度70℃，反應時間5 h。

2.2 共聚物表征

為驗證合成產物，對試樣進行充分提純處理后，紅外光譜分析降濾失劑ZJ見圖1。

圖1 降濾失劑ZJ紅外光譜圖

由圖1 可知，3 446 cm－1和1 674 cm－1是酰胺基團—CONH2的特征吸收峰，其中3 446 cm－1是—NH2的伸縮振動峰，1 674 cm－1為C＝ O的伸縮振動峰;1 547 cm－1和1 456 cm－1是羧酸鹽的C ＝O 伸縮振動峰;1 184 cm－1和1 034 cm－1是磺酸基團的對稱和非對稱伸縮振動峰;2 927 cm－1是—CH2的C—H對稱伸縮振動峰;1 402 cm－1是醚類的 C—O的伸縮振動峰;同時發現在989 cm－1和961 cm－1處未出現乙烯類單體的特征吸收峰。分析表明4種單體進行了有效聚合。

2.3 降濾失劑ZJ性能評價

考察聚合物的抗溫抗鹽性能，在不同泥漿體系中分別加入一定量的共聚物，將含有合成共聚物的淡水泥漿、4%鹽水泥漿、復合鹽水泥漿和飽和鹽水泥漿分別在熱滾前(常溫)、160℃、180℃下，測定各個體系的流變參數和濾失量，試驗結果見表5。

表5 不同溫度和泥漿體系試驗數據

由表5中可以看出，隨溫度升高，各泥漿體系表觀黏度、塑性黏度和屈服值等流變參數減小，濾失量增加;但各泥漿體系濾失量在熱滾前始終小于5 mL，160℃下最大不超過12 mL，180℃下最大不超過15 mL，表明降濾失劑ZJ降濾失效果較好，且具有較強的抗溫抗鹽能力。

3 結論

1)根據分子結構設計理論，優選了AMPS，AM，AA，APO合成耐溫抗鹽降濾失劑，以提高水基鉆井液的高溫穩定性。正交試驗確定了AMPS/AM/AA/APO共聚物的最佳合成條件:n(AMPS)∶n(AM)∶n(AA)∶n(APO)=2∶4∶1.3∶0.02、單體用量為總體質量分數15%，引發劑用量為單體質量分數的1.0%，反應溫度70℃，體系pH為7、反應時間5 h。

2)通過IR分析，結果表明，降濾失劑ZJ中各單體的特征吸收峰在譜圖中都有較好的對應，說明4種單體進行了有效聚合。

3)降濾失劑ZJ降濾失效果較好，在160℃，16 h和180℃，16 h熱滾后，濾失量最大均不超過15 mL。

［1］雷鑫宇，陳爽，王林，等.鉆井液增黏劑SDA的合成與性能評價［J］.精細石油化工進展，2014，15(5):7－9.

［2］白小東，蒲曉林.水基鉆井液成膜技術的研究進展［J］.天然氣工業，2006，26(8):75 －77.

［3］袁春，孫金生，王平全，等.抗高溫成膜降濾失劑CMJ－1的研制及性能［J］.石油鉆探技術，2004，32(2):30－32.

［4］劉成貴.腈硅聚合物鉆井液降濾失劑的合成與性能評價［J］.鉆井液與完井液，2013，30(2):22 －24.

［5］郭斐，魯紅升，張太亮，等.水基成膜鉆井液降濾失劑LS－1的制備及性能評價［J］.鉆井液與完井液，2012，29(4):20－23.

［6］黃雪靜.一種多功能鉆井液處理劑的研制與評價［J］.鉆井液與完井液，2008，25(4):26 －28.