超高温聚合物降滤失剂PFL-1的合成及性能评价

杨小华 李家芬 钱晓琳 王 琳 苏长明

(中国石化石油工程技术研究院,北京 100101)

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超高温聚合物降滤失剂PFL-1的合成及性能评价

杨小华 李家芬 钱晓琳 王 琳 苏长明

(中国石化石油工程技术研究院,北京 100101)

针对超深井钻井对钻井液的要求,采用氧化-还原体系,通过对含磺酸烯基单体的选择和单体配比及引发剂用量的考察,在兼顾聚合物相对分子质量和降滤失效果的情况下,确定了聚合物合成的原料配比,在优化配方的基础上合成了一种聚合物降滤失剂PFL-1,对其在钻井液中的降滤失剂性能进行了初步评价,并用傅里叶红外光谱仪对PFL-1进行了红外光谱分析。结果表明,PFL-1不仅具有较强的降滤失能力,且其1%水溶液的黏度较低(低于15 mPa·s),在钻井液中的黏度效应小,热稳定性好,抗温抗盐能力强,用该降滤失剂处理的钻井液即使经过240℃高温老化后其滤失量仍然较低,与SMC、SMP等具有较好的配伍性。

钻井液;降滤失剂;共聚物;耐热性;抗盐特性;实验室试验

超深井钻井面临的技术难题很多,其中井下高温对钻井液性能的影响非常严重。采用油基钻井液及合成基钻井液是解决井下高温问题的有效途径,但油基钻井液成本高,会对环境产生一定的污染,且安全风险大,而合成基钻井液虽然对环境无污染,但是成本太高,因而其大面积应用受到限制。因此,能适用于深井、超深井的抗高温水基钻井液体系一直受到关注和重视。而钻井液处理剂是保证水基钻井液性能的关键,为此,国内外围绕抗高温处理剂开展了大量的研究工作[1-4],但目前应用的聚合物降滤失剂由于相对分子质量高,为了在盐水钻井液和高温条件下起到降滤失作用而提高加量时会使钻井液黏度增大,给现场应用带来很大麻烦,限制了聚合物处理剂的应用。为此,结合有关研究工作[5-11],笔者采用丙烯酰胺、丙烯酸和(2-丙烯酰氧)异戊烯磺酸钠等单体共聚,合成了一种低相对分子质量的新型超高温聚合物降滤失剂。

1 聚合物合成

1.1 原料

丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、(2-丙烯酰氧)异戊烯磺酸钠(AOIAS)、第四单体、相对分子质量调节剂、氢氧化钠(NaOH),均为工业品,引发剂为分析纯。

1.2 合成方法

将NaOH溶于适量水中配成溶液,在搅拌下依次加入AM,继续搅拌混合液至均匀后加入AA,后加入AOIAS,搅拌使之溶解,视情况加入第四单体,然后加入相对分子质量调节剂。用20%NaOH溶液将体系的p H值调至要求,待温度达到要求后加入所需量的引发剂,在搅拌下反应5～15 min,得凝胶状产物,将所得产物在100℃下烘干粉碎,即得粉末状抗高温共聚物降滤失剂PFL-1。其1%水溶液(采用纯净水配制,下同)的表观黏度为8～15 mPa·s。

2 原料及配方对合成产物性能的影响

在配方研究的基础上,针对控制产物相对分子质量的要求,重点考察了影响产物相对分子质量和降滤失效果的因素。

2.1 不同含磺酸基单体对产物水溶液表观黏度的影响

采用含磺酸基单体共聚可以提高聚合物的抗温抗盐能力,但采用不同类型的磺酸单体时产物的相对分子质量有差异,为此,选择2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 (AMPS)、2-丙烯酰氧-2-甲基丙磺酸(AMOPS)、丙烯酰氧丁基磺酸(AOBS)、(2-丙烯酰氧)异戊烯磺酸钠(AOIAS)等不同的磺酸单体为原料,在同样的合成条件下分别合成了AMPS-AMAA、AMOPS-AM-AA、AOBS-AM-AA、AOIASAM-AA等聚合物,并以产物1%的水溶液表观黏度作为考察产物相对分子质量大小的依据,4种聚合物的1%水溶液的表观黏度依次为:56、45、32和13 mPa·s。可见,采用不同含磺酸单体与丙烯酰胺和丙烯酸共聚,产物的相对分子质量差别较大,其中以AOIAS为抗温单体所合成聚合物1%水溶液的表观黏度最低,低于15 mPa·s。故选择AOIAS为低相对分子质量聚合物的合成原料。

2.2 AOIAS用量对产物胶液表观黏度的影响

图1为反应条件(单体质量分数25%,反应时间30 min,反应温度35℃,下同)一定,AOIAS、AM和AA等单体总量不变时,AOIAS用量(占单体的物质的量分数)对产物1%水溶液表观黏度的影响。从图1可以看出,随着AOIAS用量的增加,共聚物1%水溶液的表观黏度先升高后降低。在该实验条件下,AOIAS加量为10%左右时,所得产物1%水溶液的黏度较合适。

图1 AOIAS用量对产物1%水溶液表观黏度的影响

2.3 AOIAS用量对产物降滤失能力的影响

在聚合物的合成中,最大难点是产物的相对分子质量和产物降滤失效果的矛盾,通常降低产物的相对分子质量将使产物的降滤失效果变差,可见共聚物降滤失性能的好坏关系到研究的成败,为此考察了AOIAS用量对聚合物降滤失性能的影响。原料配比和反应条件一定(丙烯酰胺用量固定,单体总物质的量不变)时改变AOIAS和AA的比例,AOIAS用量对产物降滤失能力的影响如图2所示(饱和盐水钻井液+1.5%的共聚物,220℃/16 h)。

图2 AOIAS用量对共聚物降滤失能力的影响

从图2可以看出,随着AOIAS用量(占总单体的物质的量分数)的增加所得产物的降滤失能力提高。这是因为AOIAS是含磺酸基的单体,增加其用量有利于提高产物的耐温抗盐能力。但当AOIAS用量过大时,降滤失能力反而降低,这是因为聚合物用作降滤失剂时,只有当分子中吸附基团和水化基团的比例适当时才能起到较好的降滤失作用,当AOIAS的用量过大时,吸附基团的量减小,吸附基团和水化基团的比例不在适当的范围内,致使共聚物的降滤失能力降低。在该试验条件下, AOIAS用量为20%时降滤失能力最好。但兼顾到聚合物的相对分子质量,故选择AOIAS用量在10%左右,这样既可以保证产物具有理想的降滤失效果,又保证产物水溶液的黏度较低。

2.4 引发剂用量对单体转化率和产物水溶液表观黏度的影响

原料配比(n(AOIAS)∶n(AA)∶n(AM)= 0.1∶0.9∶1.5)和反应条件一定时,引发剂用量(占单体的质量分数)对单体转化率的影响如图3所示,引发剂用量对产物水溶液表观黏度的影响如图4所示。

从图3可以看出,引发剂的用量达到0.025%以后转化率逐渐增加,到0.050%时转化率达到最大且趋于稳定,引发剂用量大于0.050%后可保证单体转化率较高。

图3 引发剂用量对单体转化率的影响

图4 引发剂用量对聚合物1%水溶液表观黏度的影响

从图4可以看出,引发剂用量大产物相对分子质量低,引发剂用量小产物相对分子质量高,为得到尽可能低的相对分子质量,又可保证其产物具有一定的降滤失作用。在该试验条件下,引发剂用量在0.10%～0.12%时可得到较低相对分子质量的产物,又可保证具产物有较好的降滤失作用。

3 聚合物性能评价

3.1 试验仪器与材料

设备与仪器 IR200型傅里叶变换红外光谱仪;GJSS-B12K型变频高速搅拌机;ZNN-D6型六速旋转黏度计;XGRL-4型高温滚子炉;ZNS型中压滤失仪;GGS71-A型高温高压滤失仪。

材料 钙膨润土,符合SY/T5060—1993;钠膨润土,符合SY/T5060—1993;无水氯化钙,化学纯;氯化钠,分析纯;六水氯化镁,分析纯;无水碳酸钙,分析纯;磺化酚醛树脂(SMP),磺化褐煤(SMC),丙烯酸-丙烯酰胺共聚物SL-1,丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物HX-301,丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物HYJ-1,丙烯酸-丙烯酰胺共聚物A-903,均为工业品。

3.2 基浆配制

1)淡水基浆。在1 000 mL水中加入40 g钙膨润土和5 g无水Na2CO3,高速搅拌20 min,于室温下养护24 h,即得4%淡水基浆。

2)饱和盐水基浆。在1 000 mL 6%的钙膨润土淡水基浆中加入NaCl至饱和,高速搅拌20 min,于室温下养护24 h,即得饱和盐水基浆。

3.3 抗高温能力试验

考察了不同PFL-1加量的淡水基浆经不同高温老化前后的性能,结果见表1。从表1可以看出,随PFL-1加量的增加,淡水基浆老化前后的滤失量均明显降低。当PFL-1加量(质量分数)为0.5%时, 240℃温度下老化16 h后滤失量降至11.0 mL,表明PFL-1在较低的加量下就能够对淡水钻井液产生很好的降滤失效果,并且老化前后的滤失量差值逐渐减小,说明PFL-1具有良好的降滤失及耐温性能。

表1 不同加量PFL-1对淡水基浆性能的影响

3.4 在饱和盐水钻井液中的降滤失效果

表2是PFL-1加量为2%的饱和盐水钻井液在240℃高温下老化前后的性能(同时与现场常用的聚合物处理剂SL-1、HX-301、H YJ-1和 A-903等进行对比)。由表2可以看出,PFL-1加量为2%时就可大大降低饱和盐水钻井液的滤失量,其效果远远优于普通聚合物。说明在饱和盐水钻井液中,PFL-1具有良好的降滤失和耐温抗盐性能。

表2 不同聚合物在饱和盐水基浆中的降滤失效果

3.5 PFL-1的配伍性试验

通过对PFL-1在不同密度的淡水、盐水钻井液中进行性能评价,来考察PFL-1在钻井液中的性能以及PFL-1与其他处理剂的配伍性。

3.5.1 PFL-1与SMC的配伍性

PFL-1与SMC的配伍性试验结果见表3。从表3可以看出,PFL-1与SMC配伍使用,经240和260℃高温老化后钻井液的滤失量分别可控制为6.8 mL和8.0 mL,进一步说明所合成的聚合物PFL-1与SMC具有良好的配伍性及较好的耐温能力。3.5.2 PFL-1与SMP、SMC等的配伍性

表3 PFL-1与SMC的配伍性试验

采用所合成的抗高温降滤失剂PFL-1设计抗高温钻井液体系,并分别进行了常温、260℃高温滚动16 h后的性能评价,结果见表4。从含有PFL-1的钻井液体系高温老化后的滤失控制能力及老化前后表观黏度变化率的情况来看,含有PFL-1钻井液的性能稳定。同时用配方4进行高温高压滤失量试验可知,185℃条件下高温高压滤失量为26.4 mL, 200℃条件下高温高压滤失量为27.0 mL。这表明PFL-1与SMP、SMC等配伍使用可以有效控制钻井液的高温高压滤失量。

3.5.3 盐水钻井液

在淡水钻井液配方实验的基础上,进行了盐水、饱和盐水钻井液体系配方,并在240℃温度下老化16 h,测定其性能,结果见表5。从表5可以看出,在盐水、饱和盐水钻井液中PFL-1与 SMP、SMC配合使用,可以较好地控制盐水钻井液的滤失量。

表4 钻井液高温滚动16 h前后性能

注:①PFL-2为1%水溶液表观黏度5 mPa·s的聚合物,组成与PFL-1相同。

表5 盐水、饱和盐水钻井液性能

3.6 红外光谱

将合成的样品经过纯化后与 KBr混合压片,测定共聚物的红外吸收光谱(见图5)。图5中, 3 424.078 cm-1为酰胺基(—CONH—)伸缩振动特征吸收峰,2 932.434 cm-1为—CH2伸缩振动吸收峰,1 667.756 cm-1为伸缩振动吸收峰,1 452.288 cm-1为—NH变形振动吸收峰, 1 186.929和1 041.515 cm-1为—SO3伸缩振动吸收峰。

图5 PFL-1聚合物的红外光谱

4 结 论

1)以(2-丙烯酰氧)异戊烯磺酸钠、丙烯酰胺和丙烯酸等为原料合成的低黏聚合物降滤失剂PFL-1,在淡水钻井液、饱和盐水钻井液中均具有较好的降滤失作用,抗温、抗盐能力强,即使经过240℃/16 h老化后仍具有控制钻井液滤失量的能力。

2)PFL-1与现场常用的处理剂具有较好的配伍性,且在被盐污染后的钻井液中仍可有效地控制钻井液滤失量,保证钻井液的流变性,有望用于超深井钻井。

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[审稿 王中华]

Synthesis and Properties of an Ultra-High-Temperature Polymer Fluid Loss Additive PFL-1

Yang Xiaohua Li Jiafen Qian Xiaolin Wang Lin Su Changming
(S INO PEC Petroleum Engineering Research Institute,Beijing,100101,China)

According to the requirements of deep wells on drilling fluid,a polymer fluid loss reagent named PFL-1 was developed using oxidation-reduction system through formula optimization and investigation of proper sulfonic acid alkenyl monomer and monomer ratio,along with considering polymer molecular weight and the effect of fluid loss.Its fluid loss effectiveness in drilling fluid was evaluated preliminarily. Its infrared spectrum was analyzed using Fourier infrared spectroscopy.Tests results show that PFL-1 performs high fluid loss ability,low viscosity(less than 15 mPa·s with 1%weight percent),small impact on drilling fluid viscosity,good thermal stability(lower fluid loss at 240℃),high salt resistance,and better compatibility with additives such as SMC and SMP,etc.

drilling fluid;filtrate reducer;copolymer;heat resistance;salt tolerant property;lab testing

book=2010,ebook=136

TE254+.1

A

1001-0890(2010)02-0037-06

2009-08-13;改回日期:2010-01-18

中国石化科技开发重点项目“超深井钻井液降滤失剂研究与应用”(编号:P08075)部分研究内容

杨小华(1969—),女,陕西礼泉人,1991年毕业于西北大学油田化学专业,高级工程师,主要从事钻井液处理剂开发方面的研究工作。

联系方式:(010)84988201,yangxh@sripe.cn