水基鉆井液用抗高溫降濾失劑的合成與性能評價

王磊磊，王偉忠，張　坤， 徐浩然，黃　琳， 郭劍梅，宋學文，王強

（1.渤海鉆探工程有限公司泥漿技術服務分公司，天津300280；2.渤海鉆探工程有限公司第一鉆井分公司，天津300280）

水基鉆井液用抗高溫降濾失劑的合成與性能評價

王磊磊1，王偉忠1，張坤1， 徐浩然1，黃琳2， 郭劍梅1，宋學文1，王強1

（1.渤海鉆探工程有限公司泥漿技術服務分公司，天津300280；2.渤海鉆探工程有限公司第一鉆井分公司，天津300280）

王磊磊等.水基鉆井液用抗高溫降濾失劑的合成與性能評價[J].鉆井液與完井液，2016， 33（2）：22-25.

鉆井液用降濾失劑在高溫、鹽水等復雜環境下失效是深井、超深井鉆探開發過程中遇到的突出問題。采用丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為原料，合成了水基鉆井液用抗高溫降濾失劑JLS200，并對其進行了紅外光譜和熱重分析，評價了其在鉆井液中的性能。結果表明，所合成的抗高溫降濾失劑熱穩定性好，抗溫達200 ℃，抗鹽至飽和；在KCl鉆井液中具有良好的配伍性，濾失量低、流變性好，加入1%JLS200后，200 ℃老化后的API濾失量由12 mL降至3.2 mL，高溫高壓濾失量由54 mL降至15 mL，高溫老化前后鉆井液黏度和切力變化不大。該鉆井液用降濾失劑具有較好的應用前景。

降濾失劑；抗高溫；水基鉆井液；共聚物；抗鹽

0　引言

目前冀東、大港等區塊都在實施超深井鉆井工程，井底溫度超過200 ℃，且地層壓力高、井底情況復雜，鉆井的難度大，對鉆井液和鉆井液處理劑提出了更高要求。降濾失劑作為水基鉆井液的最重要處理劑之一，對保證安全、快速、高效鉆井起著重要作用。其用量大，且種類繁多，主要為天然材料或天然材料改性產物和合成聚合物類。天然材料或天然材料改性產物包括腐植酸、纖維素、木質素、淀粉類及其衍生物；合成聚合物主要以各種乙烯基單體多元共聚物和磺甲基化的酚醛樹脂等為主。近年來，為了滿足復雜地層條件安全鉆井的需要，抗高溫、抗鹽鉆井液降濾失劑的研究逐步得到重視。而聚合物類降濾失劑由于其單體類別豐富，可調性強，在抗高溫、抗鹽方面有著廣闊的應用前景，正逐步成為國內外研究的熱點[1-7]。

采用丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）為原料，合成了一種四元共聚物JLS200，通過在分子鏈上引入大量的磺化基團、吡咯烷酮環和異丙基，增強了分子鏈的抗溫和抗鹽性能，該產品抗200 ℃高溫，抗鹽至飽和。

1　實驗部分

1.1主要原料和儀器

主要原料：AM、 AMPS、 NVP、 NIPAM、 NaOH、NaCl和Na2CO3均為工業品。

主要儀器：恒溫水浴鍋、機械攪拌器、五軸高速攪拌機、ZNS型失水儀、ZNN-D6S型旋轉黏度計、高溫滾子爐烘箱、OFI171-01-C型高溫高壓濾失儀、傅里葉變換紅外光譜儀、熱重分析儀（TGA）和差示掃描量熱儀（DSC）。

1.2抗高溫降濾失劑的合成

將合成聚合物的4種單體加入去離子水中，充分攪拌至溶解，并加入NaOH調節溶液的pH值；通氮氣除氧30 min，升溫至60～70 ℃，滴加引發劑，然后在氮氣保護下反應4 h，得到均相黏稠狀溶液，干燥、粉碎，得到粉末狀產品。

單體比例、引發劑、單體濃度和反應溫度對聚合物反應過程以及最終產品的性能影響較大，實驗過程中采用類似的合成方法，分別制備了不同單體比例、引發劑、單體濃度以及不同反應溫度的產品，并對產品的性能進行了評價，優選出性能最優的產品，命名為JLS200。

1.3鉆井液樣品配制

1）淡水漿配制。在400 mL水中加入16 g膨潤土和1.2 g無水Na2CO3，高速攪拌20 min，其中中斷2次以刮下容器壁上的黏附物，室溫下養護24 h，即得到膨潤土含量為4%（W/V）的淡水基漿。

2）飽和鹽水基漿的配制。在400 mL4%（W/V）淡水基漿中加入144 g NaCl，高速攪拌20 min，其中中斷2次以刮下容器壁上的黏附物，室溫下養護24 h，即得到飽和鹽水基漿。

3）共聚物鉆井液的配制。在上述淡水基漿或飽和鹽水基漿中加入一定量的降濾失劑JLS200，高速攪拌20 min，室溫下養護24 h，即得到共聚物淡水鉆井液或鹽水鉆井液。

1.4鉆井液性能測定

將配好的鉆井液倒入不銹鋼老化罐，置于滾子爐烘箱中，200 ℃熱滾老化16 h，冷卻至室溫，測定鉆井液的濾失量、流變性及高溫高壓濾失量。

2　結果與討論

JLS200在AM的基礎上引入了AMPS、NVP和NIPAM，其中AMPS中的磺酸基團對外界陽離子的進攻不敏感，可以提高共聚物的抗鹽和水解穩定性；而NVP中的吡咯烷酮環為剛性五元雜環，連同NIPAM中的異丙基，作為共聚物的側基可以提高整個分子鏈的剛性，提高產品的耐熱性和水解穩定性，使JLS200在高溫飽和鹽的環境下依然能夠保持良好的穩定性，下述實驗結果顯示了這一點。

2.1紅外光譜分析

將合成的JLS200樣品與KBr混合壓片，使用傅里葉變換紅外光譜儀對其進行測試，所得紅外光譜圖如圖1所示。圖1中的波譜顯示，波數為3 630、3 305 cm-1附近有羥基的特征吸收峰，波數為1 670、1 562 cm-1附近有酰胺基的特征吸收峰，波數為2 931、772 cm-1附近有（亞）甲基的特征吸收峰，波數為1 190、1 045 cm-1附近有磺酸基的特征吸收峰，波數為1 460、1 390 cm-1附近有吡咯烷酮環的特征吸收峰。

圖1　JLS200紅外光譜圖

2.2熱穩定性分析

將JLS200樣品以相同的升溫速率（10 ℃/min）分別做TGA和DSC測試，以考察其熱穩定性（見圖2）。從圖2可以看到，JLS200在100 ℃以后發生了少量失重，這主要是樣品中少量的水分子以及未反應完全的單體揮發分解；而在369 ℃以后，TGA曲線出現驟然下降，同時DSC曲線亦出現一個尖銳的吸收峰。顯示產物的熱分解發生在369 ℃以后，具有良好的熱穩定性。

圖2　JLS200的TGA/DSC曲線

2.3降濾失性能

2.3.1淡水基漿中

在4%膨潤土基漿中加入不同濃度的抗高溫降濾失劑JLS200，按照鉆井液性能測試標準要求，對鉆井液200 ℃老化前后的API濾失量進行測試評價，結果見表1。

表1　不同濃度JLS200在淡水基漿中的降濾失性能

從表1可知，在淡水基漿中加入0.5% JLS200，即可使鉆井液的API濾失量降低一半左右；隨著JLS200在淡水基漿中加量的增大，鉆井液的API濾失量逐漸降低，經過200 ℃老化16 h后，鉆井液依然保持了較小的濾失量。這主要是由于JLS200分子長鏈中含有酰胺基等大量的親水性基團，可以吸附在黏土顆粒表面構成網狀結構，在濾紙處形成較為致密的膜結構，以減緩鉆井液進入地層，而AMPS、NVP和NIPAM的引入使產品具有良好的抗高溫性能，保證產品在200 ℃高溫下依然可以保持分子鏈的完整性，發揮降濾失的功效。

2.3.2飽和鹽水基漿中

在含有4%膨潤土的飽和鹽水基漿中加入不同濃度的抗高溫降濾失劑JLS200，按照鉆井液性能測試標準要求，對鉆井液200 ℃老化后的API濾失量進行評價，結果見表2。從表2可以看出，該抗高溫降濾失劑可明顯降低飽和鹽水漿的濾失量，隨著加量的增大，濾失量逐漸降低；當加量為1.5%時，可將飽和鹽水漿的API濾失量降低至20 mL以下，而加量為2%的飽和鹽水漿老化后API濾失量僅為7.2 mL，顯示了該產品具有良好的抗溫、抗鹽性能。

表2　不同濃度JLS200在飽和鹽水漿中的降濾失性能

2.4鹽析實驗

將1 mL 1% JLS200水溶液分別加入20 mL不同濃度的NaCl和CaCl2水溶液中，觀察混合后的溶液是否渾濁，如果混合溶液變渾濁，則說明發生了鹽析現象，結果見表3。表3結果顯示，JLS200的水溶液在飽和NaCl水溶液和10%CaCl2水溶液中均未析出，說明產品具有良好的抗鹽、抗鈣性能。

表3　JLS200水溶液的抗NaCl和抗CaCl2鹽析能力

2.5JLS200在KCl鉆井液中的性能

考察了未加JLS200和加入1%JLS200的KCl鉆井液在200 ℃老化前后的流變性能和降濾失性能。同時，還選取了降濾失劑Driscal-D（雪佛龍菲利普斯公司產品）作對比。圖3是KCl鉆井液、KCl鉆井液+1%JLS200和KCl鉆井液+1%Driscal-D鉆井液經過200 ℃老化16 h后的API濾失量以及高溫高壓濾失量的對比圖。KCl鉆井液配方為：4%膨潤土+8%KCl+0.5%NaOH+4%抗高溫封堵劑+4%細目鈣+重晶石（密度為1.5 g/cm3）

圖3　JLS200在KCl鉆井液中的降濾失性能

從圖3可知，加入1%JLS200后，KCl基漿的濾失量明顯降低，200 ℃老化后的API濾失量由12 mL降至3.2 mL，高溫高壓濾失量由54 mL降至15 mL，顯示JLS200在KCl鉆井液中具有良好的配伍性，可改善鉆井液的濾失性能；JLS200的降濾失性能略好于Driscal-D。這主要是由于JLS200中NVP含量更高，同時引入了NIPAM，使分子鏈的穩定性進一步增強，提高了產品的抗溫、抗鹽能力所致。

表4對比了KCl鉆井液基漿、KCl基漿+1% JLS200和KCl基漿+1%Driscal-D鉆井液老化前后的流變性能。

表4　JLS200對KCl鉆井液流變性能的影響

由表4可知，加入JLS200后，可改善鉆井液的流變性能，尤其是老化后依然可以保持體系的黏度和切力，提供足夠的懸浮能力，說明JLS200在KCl鉆井液中，經200 ℃老化后依然可以保持分子鏈的完整性，與黏土顆粒結合形成網狀結構，降濾失的同時提供切力。同時，JLS200只是適當增黏，與Driscal-D相比，其黏度和切力都控制在合理范圍，且老化前后變化不大， 便于施工現場的性能維護。

3　結論

1.通過合理的分子設計，采用自由基聚合的方式合成了四元共聚物降濾失劑JLS200，該降濾失劑抗溫達200 ℃，抗鹽至飽和。

2. JLS200可應用于KCl鉆井液中，配伍性良好，具有濾失量低、流變性好的特點，老化前后其黏度和切力變化不大，便于施工現場的性能維護。

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Synthesis and Evaluation of High Temperature Water Base Drilling Fluid Filter Loss Reducer

WANG Leilei1, WANG Weizhong1, ZHANG Kun1, XU Haoran1, HUANG Lin2, GUO Jianmei1, SONG Xuewen1, WANG Qiang1
(1. Drilling Fluid Service Branch of Bohai Drilling and Exploration Ltd., Tianjin 300280,China; 2. No. 1 Drilling Branch of Bohai Drilling and Exploration Co. Ltd., Tianjin 300280,China)

Malfunction of filter loss reducer at elevated temperatures and high salinity environments are difficult problems encountered in deep and ultra-deep well drilling. A high temperature water base drilling fluid filter loss reducer， JLS200， has been developed using acryl amide， 2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid， N-Vinyl pyrrolidone and N-isopropyl acrylamide as raw materials. JLS200, as indicated by laboratory evaluation， can be used at 200 ℃， or in saturated saltwater drilling fluids， without losing its filtration control capacity. KCl drilling fluids treated with JLS200have low filtration rate and good rheology， the API filtration rate has been reduced from 12 mL to 3.2 mL after treatment of the fluids with 1% JLS200and ageing at 200 ℃， while the HTHP filtration rate reduced from 54 mL to 15 mL. The viscosity and gel strengths do not change remarkably before and after the treatment. JLS200as a high performance filter loss reducer will find its application in deep and ultra-deep well drilling.

Filter loss reducer； High temperature resistant； Water base drilling fluid； Copolymer； Salt resistant

TE254.4

A

1001-5620（2016）02-0022-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.02.005

渤海鉆探2015年重大科技研發項目“抗高溫水基鉆井液核心主劑研制及體系升級”（2015ZD02K-1）。

王磊磊，工程師，男，1985年生，2013年畢業于中國科學院化學研究所，高分子化學與物理專業。電話 （022）25979317；E-mail：wangleilei131@163.com。

（2015-12-15；HGF=1602M3；編輯 馬倩蕓）