抗温抗盐钻井液降滤失剂的研究

2014-07-12任玲瑛

石油化工应用 2014年6期

任玲瑛

（中石化西南油气分公司工程监督中心，四川德阳 618000）

随着世界能源需求的增加和钻探技术的发展，深井、超深井的钻探就必将成为我国乃至全世界石油工业的一个重要方面。在深井、超深井的钻探中，钻井液质量更是工程成败、钻速快慢和成本高低的关键。而深井、超深井钻井液质量的重点就在于其能否在高温、高压、高密度条件下保持或基本保持其原有的性能。而这些就要求钻井液处理剂要具有较好的抗温、抗盐性，所以，在原有的钻井液处理剂已不能满足需要的同时，需要研发出适用条件更广的优质钻井液处理剂[1]。本文采用含磺酸基的乙烯基单体与丙烯酰胺等单体形成的共聚物，可以明显改善聚合物处理剂的抗温和抗盐能力。

1 实验部分

1.1 原料（见表1）

1.2 合成

1.2.1 合成步骤

（1）把AMPS溶于适量水中，加入AA搅匀，在冷却条件下用氢氧化钠溶液中和，调节pH值。然后加入AM，搅拌使其溶解，并补充蒸馏水配好单体浓度。

表1 实验药品

（2）将配好的溶液加入带有搅拌器、温度计和氮气进口的三口烧瓶中，升温搅拌，通入氮气。温度升至设定值时，停止通氮气。

（3）将一定比例的引发剂在预定时间加入反应器中，恒温，继续反应一段时间。

（4）将反应所合成的凝胶状产物，经乙醇洗涤、剪切造粒、干燥和粉碎，即得AMPS/AM/AA三元共聚物降滤失剂。

1.2.2 合成原理本实验以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）和丙稀酸（AA）为基本原料，引发剂选用过硫酸铵-亚硫酸氢钠的氧化-还原体系，采用水溶液聚合，合成AMPS/AM/AA三元共聚物降滤失剂。反应方程式如下：

1.3 合成条件的确定

（1）单体配比的影响，在单体浓度15%，温度50℃，pH值为7，引发剂加量0.3%，反应时间4 h的条件下，改变单体配比（AMPS:AM:AA的质量比），结果（见表 2）。

表2 单体配比对滤失量性能的影响

由表2可以看出单体配比的改变对共聚物性能产生了一定的影响，单体配比的改变可直接影响聚合物分子中吸附基与水化基团的比例，从而影响其性能。当AMPS:AM:AA=35：45：15时，聚合物的滤失量最低，从而确定此比例为最佳单体配比为AMPS:AM:AA=35：45：15。

（2）反应温度的影响，固定单体浓度15%，引发剂加量0.3%，单体配比35：45：15，反应时间4 h，pH值为7，改变反应温度，结果（见图1）。

图1 反应温度与滤失量的关系曲线

由图1可知，随着反应温度的升高，滤失量呈现出一个先下降后有所回升的趋势，当反应温度在50℃时，滤失量最小。这是因为反应温度的升高提高了单体的聚合活性，使得具有庞大侧基的AMPS的聚合活性提高，引起共聚物组成改变，从而改变共聚物性能。而温度太高，不利于引发剂的引发，大量的引发剂发生热分解从而迅速产生大量的自由基来引发聚合，使得聚合反应速度太快甚至暴聚，影响了聚合物的性能。所以确定50℃为本次实验的反应温度。

（3）引发剂加量的影响，本文采用过硫酸铵-亚硫酸氢钠氧化还原引发体系，考察了引发剂加量对聚合物降滤失性能的影响。在单体浓度15%，单体配比35：45：15，温度 50 ℃，pH 值为 7，反应时间 4 h 的条件下，改变引发剂加量，结果（见图2）。

从图2可以看出，随着引发剂用量的增加，失水量先减少后有所增加。这是因为随引发剂用量增加，在单位时间内分解产生的初级自由基数目增加，提高了单体的聚合速率，反应的转化率相应增加，而引发剂加量的增加，所形成的活性中心也相应的增多，相互间碰撞终止机会增加，它们与引发剂链转移的机会也增多，因而生成大分子的速率提高，使平均相对分子质量下降。提高了降滤失剂的性能。由图2可以确定本次实验引发剂加量为0.2%。

图2 引发剂加量与滤失量的关系曲线

（4）反应时间的影响，在单体浓度15%，引发剂加量0.2%，单体配比30：45：25，温度50℃，pH值为7的条件下，选取不同的反应时间，结果（见图3）。

图3 反应时间与滤失量关系曲线

根据自由基聚合的反应规律可知，随着反应的进行，单体浓度和引发剂浓度逐渐降低，体系粘度增大，自由基与单体接触机会减小，从而影响了单体的转化率；在本反应中反应后期的自动加速现象并不明显。在反应后期延长聚合反应时间主要的目的是提高聚合反应转化率，对产品相对分子质量影响较小。

从图3可以看出，聚合反应进行3 h后，聚合物粘度的涨幅趋于平缓。滤失量是一个平缓的下降趋势，综合各方面的影响，本文将反应时间控制在4个小时左右。

（5）小结，由以上实验可以得出，本次实验的最佳合成条件为单体比为AMPS:AM:AA=35：45：15（质量比）；反应温度为50℃；反应时间为4 h；引发剂加量为单体总量的0.2%。

2 性能评价

2.1 降滤失剂加量对钻井液性能的影响

在1 000 mL水中，加入40 g的钙膨润土和3.2 g无水Na2CO3，用高速搅拌器搅拌20 min，于室温下密闭放置养护24 h后，配制好淡水钻井液基浆。在最优实验条件下合成降滤失剂，并将其加入到淡水钻井液基浆中，测定钻井液性能变化，结果（见表3）。

表3 降滤失剂加量对钻井液性能的影响

由表3可以看出，本次实验所得降滤失剂对淡水钻井液失水量能起到较好的控制作用，且随着加量的增加失水量逐渐减小。

2.2 抗盐性实验

配置含有 0.1%、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%NaCl的水溶液各400 mL，分别向其中加入40 g的钙膨润土和1.6 g无水Na2CO3，用高速搅拌器搅拌20 min于室温下密闭放置养护24 h，即得盐水钻井液基浆。再向配好的盐水钻井液基浆中加入1%的降滤失剂，高速搅拌30 min，于室温下密闭容器中放置养护16 h后，测定其滤失量。结果（见图4）。

图4 NaCl含量与滤失量的关系曲线

由图4可以看出，当NaCl含量在0.1%～0.5%时，滤失量的变化不明显，当NaCl含量达到1%时，滤失量开始呈现增加趋势，但随着NaCl含量的增加，滤失量的增加趋势平缓，说明该降滤失剂具有良好的抗盐性。

2.3 抗温性实验

取5份淡水基浆，每份400 mL加入泥浆杯中，分别在其中加入1.0%的降滤失剂，每个试样都高速搅拌20 min，分别放在50℃、70℃、90℃、110℃、130℃下热滚16 h，取出后冷却至室温，分别测定其滤失量。结果（见图 5）。

从图5中可以看出，在中、底温度下，滤失量随温度的变化不是很明显，可见该降滤失剂受温度变化影响小，具有较好的降滤失效果；在高温90℃时，滤失量开始呈一个上升的趋势，但上升速率不大，说明该降滤失剂具有一定的抗温性能。

2.4 抗钙污染试验

图5 温度与滤失量的关系曲线

取400 mL的淡水钻井液基浆5份于杯中，编号后，分别加入1%的降滤失剂，并在其室温养护前，分别在2、3、4、5号中加入CaCl2，使其钙离子浓度分别为200、700、1 000、2 000 mg/L。用高速搅拌器搅拌 20 min，将得到钻井液在室温下密闭养护24 h后，测定其滤失量，结果（见图 6）。