鉆井液用抗溫抗鹽聚合物降濾失劑的研發(fā)與應用

田茂明(中石化華北石油工程有限公司河南鉆井分公司，河南 南陽473132)

1 抗溫抗鹽聚合物降濾失劑的合成及性能評價

1.1 抗溫抗鹽梳型聚合物降濾失劑的合成

①稱取12.9gAMPS 于小燒杯中，加入約20.00g 蒸餾水溶解；

②再稱取2.20-2.30g 氫氧化鈉于另一個小燒杯中，加入約5g 蒸餾水溶解；

③用氫氧化鈉調(diào)節(jié)AMPS 溶液pH 值到5-6 時，將剩余氫氧化鈉溶液中再加入5g 蒸餾水，稀釋為氫氧化鈉稀溶液，繼續(xù)調(diào)節(jié)AMPS 溶液pH 值到7 左右；

④再加入約0.01g 氧化鈣粉末，使AMPS 溶液pH 值為7-9；

⑤將調(diào)整好的AMPS 溶液稱重，補加水量達到要求單體濃度；將調(diào)整好的AMPS 溶液在38℃水浴升溫，邊攪拌邊加入13.36gAM，溶解后，再加入1.54g 改性土，攪拌使其分散均勻；

⑥待溫度達到38℃后，邊攪拌邊滴加引發(fā)劑（先滴加5d 亞硫酸氫鈉溶液，再滴加10d過硫酸銨溶液）；

⑦滴加完引發(fā)劑后很快溫度即明顯上升，繼續(xù)用玻璃棒攪拌10min 后，密封在水浴中繼續(xù)靜置50min 后，在90℃干燥，粉碎樣品取名WL-1。

1.2 抗溫抗鹽聚合物降濾失劑結(jié)構(gòu)表征與性能測試

1.2.1 紅外光譜分析

將提純后的樣品WL2016，用KBr 壓片，低溫干燥后，進行紅外光譜分析，3423cm-1處為仲酰胺特征吸收峰，2933cm-1處為-CH2-的伸縮振動吸收峰；1186cm-1、1116cm-1、1042cm-1為磺酸基團的特征吸收峰；628cm-1是C-S 的伸縮振動吸收峰；4.1654cm-1處是C=O的特征吸收峰。羧基和磺酸基具有較強的水化能力，酰胺基對黏土具有較強的吸附能力，磺酸基抗鈣抗溫性能十分優(yōu)異，聚合物本身的C-C 結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性好，所合成的聚合物具有較好的抗溫、抗鹽、降濾失效果。

1.2.2 熱穩(wěn)定性分析

采用NETZSCH TG 209 F1 型熱重分析儀，測試聚合物降濾失劑在氮氣氣氛中的熱穩(wěn)定性能，升溫速率10 K/min，氣體流速50 mL/min，溫度范圍25 ℃至800 ℃。熱重分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 WL-1熱重分析測試情況圖

隨著溫度的上升，WL-1 聚合物降濾失劑的質(zhì)量出現(xiàn)緩慢損失，當溫度超過250 ℃后重量開始迅速損失，但是在0-200 ℃范圍內(nèi)聚合物降濾失劑的質(zhì)量損失比較緩慢，溫度到達200 ℃左右時的重量損失率僅為5.25%，說明合成的聚合物降濾失劑能夠耐受200 ℃高溫。

1.2.3 特征粘度測定

采用烏氏粘度計法測的聚合物稀溶液的粘度，依據(jù)半經(jīng)驗的MarK-Houwink 方程，通過聚合物的特性粘度與降粘效果的關(guān)系，來反應分子量的大小對聚合物降粘性能的影響。半經(jīng)驗的MarK-Houwink 方程如下：[η]=KMα。

經(jīng)測定WL-1 的粘均分子量分別約為M=74.45 萬。對WL-1 測試，1%水溶液表觀粘度低僅有14mPa·s，屬于非增粘型降失水劑。當降濾失劑分子量太小時，不能形成多點吸附，不能形成穩(wěn)定的溶劑化層；當降濾失劑分子量太大時，會導致鉆井液粘度增加。樣品WL-1的分子量屬于中分子量的。而且這個樣品的分子結(jié)構(gòu)中含有較大的親水基團，故能很容易地溶于水中，起到較好的降濾失作用。

1.3 聚合物降濾失劑抗鹽、抗鈣性能評價

用蒸餾水配制濃度為200000mg/l 的NaCl 和20000mg/L的CaCl2溶液，分別各取取3 份，每份100mL，分別加入降濾失劑產(chǎn)品各5mL，即體積濃度為5%。待降濾失劑溶解后隔一段時間用肉眼觀察是否有沉淀析出，24h 后再用Thermo Orion AQ2010 濁度計，按照《ISO7027 濁度測量標準方法》測定降濾失劑氯化鈣溶液、氯化鈉溶液及空白對照組的濁44度，測定結(jié)果如表5-4 所示。

表1 WL-1 降濾失劑抗鹽、抗鈣性能

備注：“無沉淀”表示溶液澄清透明，肉眼觀察不到水中和瓶底有任何的沉物產(chǎn)生，且與空白樣NaCl 、CaCl2溶液對比也觀察不到明顯沉淀。

由表1可知NaCl、CaCl2 水溶液的濁度值很低。而合成降濾失劑在NaCl、CaCl2溶液的濁度值相對比較高。當降濾失劑溶解到NaCl 、CaCl2 水溶液中后，聚合物分子鏈完全分散在水中，導致整個溶液的濃度和粘度增加，濁度值變大，為十幾個NTU 左右，但是肉眼幾乎觀察不到沉淀存在。因此，可以初步判斷合成的降濾失劑WL2016 的抗鈣性基本可以達到在20000mg/L 的CaCl2 溶液中不會發(fā)生反應而產(chǎn)生沉淀，抗鹽在200000mg/L 的NaCl溶液中不會發(fā)生反應而產(chǎn)生沉淀。

1.4 抗復合鹽水性能測試

配置基漿，復合鹽水基漿：400ml 蒸餾水+4.57%NaCl+0.74%CaCl2+1.97%MgCl2+52.5 g鉆井液試驗用鈣膨潤土和3.15 g無水碳酸鈉，在（24±3）℃下密閉養(yǎng)護24 h作為基漿，其濾失量應在80 mL-110 mL范圍內(nèi)。

表2 WL-1 降濾失劑抗復合鹽水性能測試

該處理劑在加量0.7%的情況可以將中壓濾失量從基漿80ml降低8.8，降低率達89%，180℃高溫熱滾后，在1.5%加量下降低到7.2ml，降低率達91%，該產(chǎn)品在復合鹽中具有較好的降失效果。

2 現(xiàn)場應用效果

針對該處理劑抗溫抗鹽抗鈣特點，優(yōu)選河南油田含石膏層、芒硝層、堿層等復雜地層的泌陽區(qū)塊泌432、泌431、泌73-4井進行現(xiàn)場應用試驗，在鉆穿污染地層，鉆井液濾失量增加，加入大量常規(guī)降濾失劑效果較差，加入WL-1進行實驗。

表3 WL-1 降濾失劑現(xiàn)場應用情況

通過WL-1在三口井的聚合物防塌鉆井液、抗溫抗鹽鉆井液、聚磺防塌鉆井液體系中的使用可以看出，WL-1對三種體系都有著很好配伍性，加入0.3-0.5%后濾失量都得到有效降低，能夠有效應對多種鹽污染下降濾失劑。

3 結(jié)語

（1）確定了WL-1 合成的工藝技術(shù)。單體比AM:AMPS:改性土=3.8:2.8:1，單體濃度為25%，反應溫度為38℃，引發(fā)劑加量約0.5%時，得到的樣品達到項目要求。

（2）該產(chǎn)品抗溫達到200℃；抗鹽（以NaCl 計）達到20%，抗鈣（以CaCl2 計）達到2%；在復合鹽水泥漿中加7g/L 的降濾失劑，常溫API濾失量9.0ml；在復合鹽水泥漿中加15g/L的降濾失劑，熱滾150℃/16h,API濾失量7.5ml。

（3）從現(xiàn)場3口井使用情況來看，在高溫高濃度離子污染下添加研制的0.3-0.5%降濾失劑WL-1 后濾失量都在5ml 以內(nèi)，達到了規(guī)定的性能指標，滿足現(xiàn)場鉆井施工要求。