水基钻井液降粘剂JNG-1的合成与性能评价

2014-10-17明显森彭新侠程兴春阚兴栋

应用化工 2014年1期

明显森，彭新侠，李强，程兴春，阚兴栋

(1.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川广汉 618300;2.西南油气田公司蜀南气矿，四川泸州 646000;3.青海油田钻采工艺研究院钻井室，甘肃敦煌 736200;4.新疆油田公司采油一厂，新疆克拉玛依 834000)

随着油气勘探开发的逐步深入，油气钻井深度越来越深，钻遇地层的温度、压力越来越高，对钻井液的性能提出了更高要求，为了保持钻井液具有较好的流变性能，需要向钻井液中加入降粘剂［1］。钻井液用降粘剂是钻井液重要处理剂之一，在钻井作业中对调节钻井液流变性起着非常重要的作用。目前国内所用钻井液降粘剂(如丹宁类、木质素类及聚丙烯酸类)的耐高温性能还不能满足高温深井及复杂井的钻井要求［2-3］。

本文以抗温抗盐钻井液降粘剂的性能要求为出发点，根据降粘剂抗高温及抗盐作用机理设计降粘剂的分子结构［4-6］，选择苯乙烯磺酸钠、丙烯酰胺、丙烯酸为反应单体，采用氧化还原引发体系，通过自由基聚合，合成了一种抗温耐盐钻井液用降粘剂，并进行了室内评价。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

苯乙烯磺酸钠、丙烯酰胺、丙烯酸、FA367均为工业品;亚硫酸钠、过硫酸铵、氢氧化钠、无水碳酸钠、氯化钠、氯化钙均为分析纯。

JB50-D型恒速搅拌机;ZNN-D6型六速旋转粘度计;乌氏粘度计;BRGL-7型滚子加热炉。

1.2 降粘剂的合成

称取一定量的苯乙烯磺酸钠、丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)于三颈瓶中，加入适量的水，放入水浴锅中加热使其溶解，控制单体质量分数为15%，各单体的摩尔比 n(苯乙烯磺酸钠)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，加入占体系总质量 2.0% 的引发剂(过硫酸铵和亚硫酸钠)，调节pH值至弱碱性，搅拌均匀，于80℃的水浴锅中反应3 h，得到凝胶状产物，用无水乙醇提纯萃取、剪切造粒、真空烘干和粉碎，即得白色粉末状共聚物降粘剂JNG-1。

1.3 性能评价

参照行标SY/T 5243—91用六速旋转粘度计对反应条件进行优选并对所合成的产物进行性能评价，按 ZB/T E13004中的3.2.2条规定的程序，测600，300，100 r/min下的读值，并计算产物的降粘率。我国目前通用的表示降粘剂降粘效果的参数，是引用美国Magcobar公司的以φ100读数计算的降粘率 DI［7］。

式中 DI——降粘率，%;

φ1000——泥浆 100 r/min 的读数;

φ100——泥浆加试剂后100 r/min的读数。

2 结果与讨论

2.1 单体配比的影响

单体质量分数为15%，溶液pH值7～8，反应温度为70℃，加入占体系总质量为1.0%的引发剂，反应时间为4 h，合成聚合物降粘剂JNG-1。单体配比对降粘性能的影响见表1。

由表1可知，苯乙烯磺酸钠能够引入磺酸基以及苯环的刚性结构较强，能够增强聚合物的抗温抗盐性能，单体配比2∶1∶4时，降粘效果最好;苯乙烯磺酸钠的量继续增大，降粘性能并未提高。所以，确定最佳的单体配比为n(苯乙烯磺酸钠)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4。

表1 单体配比对降粘剂性能的影响Table1 Effect of monomer ratio on the properties of viscosity reducer

2.2 反应温度的影响

温度会影响反应速度和聚合物的分子量，从而影响降粘剂的降粘效果。单体质量分数为15%，单体配比为n(苯乙烯磺酸钠)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，溶液 pH 值7 ～8，加入占体系总质量为1.0%的引发剂，反应4 h后得到粘稠产物，并对其进行降粘性能评价，结果见表2。

表2 反应温度对降粘剂性能的影响Table2 Effect of temperature reaction on the properties of viscosity reducer

由表2可知，温度40～50℃时，得到的聚合产物粘度高，分子量也十分大，因此合成的降粘剂不但没有降粘效果，反而有增粘效果;反应温度60～90℃时，特别是在80℃时，产物的降粘性能最优，分子量也适中，所以确定聚合反应的最佳温度为80℃。

2.3 反应时间的影响

单体质量分数为15%，单体配比为n(苯乙烯磺酸钠)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，反应温度为 80 ℃，溶液pH值7～8，加入占体系总质量为1.0%的引发剂［过硫酸铵∶亚硫酸钠=1∶1(质量比)下同］，反应时间对降粘性能的影响见图1。

图1 反应时间对降粘剂性能的影响Fig.1 Effect of reaction time on the properties of viscosity reducer

由图1可知，随着反应时间的增加，降粘率也随之提高。反应时间为3 h时，聚合产物降粘效果最好，继续增加时间，降粘率又逐渐降低。所以确定最佳反应时间为3 h。

2.4 引发剂加量的影响

单体质量分数为15%，单体配比为n(苯乙烯磺酸钠)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，反应温度为 80 ℃，溶液pH值7～8，反应时间3 h，引发剂加量对降粘性能的影响见图2。

图2 引发剂加量对降粘率的影响Fig.2 Effect of initiator dosage on the properties of viscosity reducer

由图2可知，随着引发剂加量增加，产物的降粘效果增加。但是当引发剂加量超过一定量时，降粘效果趋于平缓，甚至有降低的趋势，这是由于引发剂加量过多时容易引起爆聚，使得反应前期速度过快，合成产品的相对分子质量过低，导致产品性能下降。所以确定引发剂最佳加量为2.0%(占体系总质量)。

2.5 单体质量分数的影响

单体质量分数会影响产物的粘度及聚合物的分子量，因此需要合理控制单体浓度，使聚合物的降粘效果达到最好。单体配比 n(苯乙烯磺酸钠)∶n(AM)∶n(AA)=2∶1∶4，反应温度为 80 ℃，引发剂加量为2%，溶液pH值7～8，反应时间3 h，单体浓度对降粘率的影响见图3。

图3 单体质量分数对降粘率的影响Fig.3 Effect of monomer mass fraction on the properties of viscosity reducer

由图3可知，随着单体质量分数的增加，产物的降粘能力有所提高，但到一定浓度后，降粘效果又逐渐降低。因为单体浓度过高，产物相对分子量较大，当加入到钻井液中有一定的增粘作用，达不到较好的降粘效果。所以，控制单体质量分数为15%。

2.6 降粘剂JNG-1结构表征

将提纯的聚合产物样品以KBr制样，测定其红外光谱谱图，见图4。

图4 聚合产物的红外光谱图Fig.4 IR spectra of polymerization product

由图4可知，在1 718.26 cm－1有— C O伸缩振动吸收峰;1 668.12 cm－1处有 —COOH的伸缩振动吸收峰;1 409.71 cm－1附近出现 —CONH 的N—H变形振动吸收峰;在 1 037.52 cm－1处有—SO3－的特征吸收峰;同时，在1 620 cm－1附近无碳碳双键的特征吸收峰，说明合成产物中不含有未聚合的单体。由红外光谱分析可知，本实验所合成的聚合物为目标产物。

2.7 降粘剂JNG-1性能评价

2.7.1 降粘能力的评价取7份配制好的基浆，一份作为空白试样，另外6份，加入不同量的聚合物溶液，高速搅拌20 min(其间中断2次，刮下器壁上的粘附物)，然后按 ZB/T E13004中的3.2.2条规定的程序测600，300，100 r/min下的读值。

表3 降粘剂加量对降粘率的影响Table3 Effect of thinner dosage on viscosity ratio

由表3可知，所合成的聚合物降粘剂产品的降粘效果整体比较好，加量为0.1%时降粘率就能达到83.90%，粘度下降较快;降粘剂加量达到0.4%时，降粘率最高，为90.68%;加量继续增加，降粘率逐渐减小，这是因为产品本身就是聚合物，具有一定的粘度，当加量过多时，会起到增粘的效果。

2.7.2 抗温能力的评价向基浆中加入0.4%的降粘剂，搅拌均匀后将样浆放进养护罐中，关紧阀杆，使之密闭。在选择的温度下热滚16 h，取出养护罐，拧松阀杆并立即关紧，冷却至室温。将养护罐中的泥浆倒入样品杯中，高速搅拌10 min，然后按ZB/TE 13004 中的 3.2.2 条规定的程序测 600，300，100 r/min下的读值，结果见表4。