耐温抗高钙盐降滤失剂的合成及其性能评价

2014-05-03蒋官澄姚如钢

石油化工 2014年5期

蒋官澄，李威，姚如钢

（中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

随着勘探技术的进步，人们已可以逐步深入至膏盐岩地层的高温高压深井进行油气开采。用于高温高压深井的钻井液应具有良好的抗高温、高盐和高钙性能。钻井液在高温高盐高钙下的滤失量可衡量该钻井液能否顺利用于这类膏盐岩地层［1-6］。由于常用的钻井液不能完全满足高温高压深井安全、快速和高效钻井的需要，近年来，国内外开发了许多抗高温、高盐和高钙降滤失剂［7-9］，本课题组也曾合成过一些新型的降滤失剂［10-14］，但这些降滤失剂在高温、高盐及高钙下的高温高压滤失性能仍有待提高。由于纳米二氧化硅（nano-SiO2）可提高聚合物的热稳定性［15-16］，因此可考虑在降滤失剂中使用nano-SiO2以提高降滤失剂的热稳定性。

本工作以丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）及丙烯酸（AA）为单体，引入nano-SiO2合成了降滤失剂P（AM-AMPS-AA-DMDAAC）/nano-SiO2（简称LX-2）；利用FTIR和TG等方法分析了LX-2的结构和热稳定性，并考察了LX-2的降滤失性能、耐温性能、抗盐和抗钙性能。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

AM：分析纯，北京益利精细化学品有限公司；DMDAAC：化学纯，山东鲁岳化工司；AA：分析纯，上海隆腾化工有限公司；nano-SiO2：工业品，南京海泰纳米材料有限公司；AMPS：化学纯，上海凯赛化工有限公司；过硫酸铵、亚硫酸氢钠、无水碳酸钠、KOH、CaO、NaCl、CaCl2、KCl：分析纯，西陇化工股份有限公司；抗高温降滤失剂（SPNH和SMP-2）、磺化沥青（FT-1）：工业品，中国石油钻井工程技术研究院；两性离子聚合物包被剂（FA-367）：工业品，济南聚鑫化工公司；现场应用抗高温抗盐防塌降滤失剂（KFT）、现场应用抗高温降滤失剂（GJL-2）：工业品，中国石油长城钻探工程分公司。膨润土：工业品，潍坊华潍膨润土集团有限公司。

SD6A型多联中压滤失仪：胶南同春石油仪器有限公司；ZNN-D6A型六速旋转黏度仪、XGRL-4型高温滚子加热炉、GJSS-B12K型变频高速搅拌器和GGS71-A型高温高压失水仪：青岛海通达专用仪器制造厂；Magna-IR 560型傅里叶变换红外光谱仪：Nicolet公司；TGA/SDTA850型热重分析仪：Mettler-Toledo公司。

1.2 LX-2的合成方法

用水依次溶解0.56 g CaO与2 mL AA，充分搅拌后加入10.00 g AMPS和0.50 g nano-SiO2，之后再加入20.00 g AM和8 mL DMDAAC 混合溶液，共同加入至250 mL 三口烧瓶中，搅拌下加入KOH调节溶液pH=6～7，升温至30 ℃，加入引发剂（过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.05 g），搅拌45 min，将所得凝胶状产物在110 ℃下烘干、粉碎，即得到白色粉末状降滤失剂LX-2。

1.3 钻井液的配制方法

淡水基浆的配制：在4 L水中加入12 g无水碳酸钠，搅拌至其全部溶解后加入80 g膨润土，搅拌3 h，在室温下放置24 h，得到膨润土含量为2%（w）的淡水基浆。

钻井液的配制：在淡水基浆中加入不同的降滤失剂及处理剂，高速搅拌20 min可得到不同的钻井液。对于需老化的钻井液，使用高温滚子加热炉将钻井液在特定温度下老化16 h，然后冷却至室温高速搅拌10 min。

1.4 分析方法

LX-2的结构用傅里叶变换红外光谱仪测定；LX-2的热性能用热重分析仪测定，升温速率10℃/min。

用六速旋转黏度仪测定钻井液的流变性能；用多联中压滤失仪和高温高压失水仪分别测定钻井液的美国石油协会（API）滤失量和高温高压滤失量。

抑制性测定方法：将膨润土在压片机上制作成人造岩心，然后将岩心浸泡在不同的溶液里，记录岩心在膨胀仪中的膨胀高度，从而判定溶液的抑制性能。

2 结果与讨论

2.1 FTIR的表征结果

LX-2的FTIR谱图见图1。

图1 LX-2的FTIR谱图Fig.1 FTIR spectrum of P(AM-AMPS-AA-DMDAAC)/nano-SiO2(LX-2).

从图1可看出，1 655，3 423 cm-1处出现了归属于酰胺基的特征吸收峰；2 850，2 920 cm-1处出现了归属于—CH3键的伸缩振动吸收峰；1 184 cm-1处出现了归属于羧基的振动吸收峰；1 039 cm-1处出现了归属于磺酸基的振动吸收峰；1 450 cm-1处出现了亚甲基的变形振动吸收峰；1 560 cm-1处出现了—NH2基中N—H键的振动吸收峰；623 cm-1处出现了C—S键的振动吸收峰。FTIR表征结果显示，LX-2中存在酰氨基、羧基、甲基和磺酸基等抗温、抗盐、抗钙及亲水基团。此外，在1 115 cm-1处出现了归属于Si—O键的特征吸收峰，表明nano-SiO2与共聚物分子产生了有效连接，形成了稳定的有机/无机复合结构。

2.2 热重分析结果

LX-2的TG曲线见图2。由图2可看出，LX-2在氩气中的热分解可分成以下几个阶段：低于300 ℃时的热失重是LX-2中自由水和结合水的脱除，即吸附水的脱除；当温度为300～400 ℃时，LX-2的支链开始热分解，其中，300～350 ℃主要为酰胺基团的分解，350～400 ℃主要为磺酸基团的分解；当温度高于400 ℃时，LX-2的主链开始发生热分解。TG表征结果显示，当温度超过390 ℃时，LX-2仍有50%（w）未分解，说明LX-2具有较好的热稳定性。

图2 LX-2的TG曲线Fig.2 TG curves of LX-2.

2.3 LX-2的性能

2.3.1 LX-2的降滤失性能

在淡水基浆中加入不同量的LX-2可制得LX-2含量不同的钻井液。LX-2含量不同的钻井液性能见表1。

表1 LX-2含量不同的钻井液性能Table 1 Properties of drilling fl uids with different LX-2 content

从表1可见，随LX-2含量的增大，钻井液的黏切力逐渐增大，API滤失量逐渐降低；当LX-2含量为0.75%（w）时，API滤失量仅为12.4 mL。因此，单独采用LX-2为降滤失剂时，LX-2含量为0.75%（w）较适宜。

2.3.2 LX-2的耐温性能

LX-2与SPNH降滤失性能的对比见表2。由表2可见， LX-2老化前的降滤失效果优于SPNH；220 ℃下老化16 h时，LX-2的降滤失效果也优于SPNH。说明LX-2的降滤失效果好于SPNH。从表2还可看出，采用LX-2为降滤失剂时，随老化温度的升高，钻井液的黏度逐渐降低，API滤失量和高温高压滤失量虽逐渐增大，但仍属于较低的范围。因此，LX-2具有良好的耐温性能。

表2 LX-2与SPNH降滤失性能的对比Table 2 Fluid loss performances of LX-2 and SPNH

2.3.3 LX-2的抗盐性能

在含LX-2的钻井液中加入NaCl，考察了LX-2的抗盐性能（见表3）。从表3可看出，随NaCl含量的增大，钻井液的黏度呈先降低后略有增大的趋势，但API滤失量一直呈下降的趋势。实验结果表明，LX-2具有很好的抗盐性能。

表3 LX-2的抗盐性能Table 3 Salt resistance of LX-2

在淡水基浆中加入20%（w）NaCl后再分别加入不同的降滤失剂得到钻井液，并于150 ℃下老化16 h后测试钻井液的抗盐性能，实验结果见表4。从表4可知，含LX-2的钻井液的API滤失量仅为5.2 mL，远低于含其他降滤失剂的钻井液的API滤失量，说明LX-2的抗盐降滤失能力明显优于其他降滤失剂。因此，LX-2具有优良的高温抗盐性能。

表4 不同降滤失剂的抗盐性能Table 4 Salt resistance of different fi ltrate reducers

2.3.4 LX-2的抗钙性能

在含LX-2的钻井液中加入CaCl2，考察了LX-2的抗钙性能（见表5）。从表5可知，随CaCl2含量增大，钻井液的黏度和API滤失量均逐渐增大；当CaCl2含量为5.0%（w）时，API滤失量仍属于较低的范围，说明LX-2具有良好的抗钙性能。

表5 LX-2的抗钙性能Table 5 Calcium resistance of LX-2

在淡水基浆中加入3.0%（w）CaCl2和不同的降滤失剂得到钻井液，并于150 ℃下老化16 h后测试钻井液的抗钙性能，实验结果见表6。从表6可知，含LX-2的钻井液的API滤失量仅为4.0 mL，远低于含其他降滤失剂的钻井液。说明LX-2具有良好的高温抗钙性能。

表6 不同降滤失剂的抗钙性能Table 6 Calcium resistance of different fi ltrate reducers

2.3.5 LX-2的抑制性能的评价

测试了人造岩心在不同溶液中的抑制性能，实验结果见图3。从图3可看出，人造岩心在含LX-2的钻井液中的膨胀量小于在蒸馏水、KCl溶液和含SPNH的钻井液中的膨胀量。实验结果表明，LX-2对人造岩心具有良好的抑制性能。

2.4 LX-2的复配性能

将LX-2与不同的处理剂进行复合使用，配方见表7，复配性能见表8。从表8可知，与单独含LX-2或SPNH的钻井液相比，含LX-2和SPNH两种降滤失剂的钻井液的滤失量明显降低，说明LX-2与SPNH的复配性能良好，且能协同增效。

图3 人造岩心在不同溶液中的抑制性能Fig.3 Expansion of a man-made core in different solutions.

表7 含不同处理剂的钻井液配方Table 7 Drilling fl uid formulae with different treating agents

表8 LX-2的复配性能Table 8 Compatibility of LX-2

对比1#配方和2#配方的钻井液可知，加入处理剂后，还可进一步降低钻井液的滤失量。当在2#配方钻井液中加入20%（w）NaCl时（见3#配方），钻井液的滤失量并未增加，说明LX-2具有良好的抗盐性。对比4#和5#配方的钻井液可看出，180 ℃老化时，含LX-2的钻井液的高温高压滤失量为8.2 mL，而不含LX-2的钻井液的高温高压滤失量为40.0 mL，说明LX-2的降滤失效果非常明显。5#配方钻井液在200 ℃下老化时的高温高压滤失量也仅为14.2 mL，也说明LX-2具有良好的耐温性能。实验结果表明，LX-2与处理剂的复配性能良好。将LX-2与其他处理剂复配可有效提高钻井液的降滤失性能、抗盐性能和耐温性能。