抗高温钻井液聚合物降粘剂研究

张太亮，许诗雪，黄志宇

(西南石油大学 化学化工学院，四川 成都 610500)

随着深层油气勘探开发强度的日益加大，钻遇复杂地层越来越多，井下压力和井底温度也越来越高，对钻井完井技术提出了更高的要求。对于深井所使用的高固相含量钻井液，要求能够解决钻井液流变性、抑制性、抗温性等之间的矛盾十分困难，尤其是深井钻井液的热稳定性问题一直是国内外研究的关键。钻井液处理剂是调节钻井液性能，保证钻井液在钻井作业中稳定作用的关键，这促使新型钻井液处理剂的不断开发［1］。

降粘剂是深井钻井作业中重要的处理剂之一，钻井液在复杂地层和高温高压的共同作用下，发生粘度增加、流变性变差等状况，降粘剂可起到降低钻井液粘度，调节钻井液流变性等作用，对于维护钻井液性能，保护油气层不受伤害起着重要作用［2-4］。所以，研制不污染环境、不损害地层、健康安全、能够适应深井作业需求的无毒无污染的钻井液降粘剂是现今研究的发展趋势。

本文以带有磺酸基、酰胺基团的聚合单体制备出一种抗高温钻井液降粘剂，并对其在钻井液中的降粘性能进行了室内评价［5-8］。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、衣康 酸(IA)、NaOH、NaCl、NaHSO3、Na2CO3、(NH4)2S2O8等均为分析纯;FA367、膨润土均为工业级。

GJD-B12K 单轴变频高速搅拌机;HH·S21-Ni电热恒温水浴锅;S212 恒速搅拌器。

1.2 聚合物降粘剂的制备

在装有冷凝管、温度计、搅拌器的250 mL 三口烧瓶中，按一定比例加入AM、AMPS、IA 3 种单体，再加入一定量的水，搅拌使其充分溶解，用30%NaOH 溶液调节体系pH 值为6.0，加入3.0%引发剂(过硫酸铵∶亚硫酸氢钠为1∶1)，搅拌下水浴加热至60 ℃，反应4 h，得到黏稠液体共聚物，经剪切、提纯、烘干、粉碎，即得聚合物降粘剂。

1.3 基浆配制

1.3.1 淡水基浆在400 mL 水中加入16 g 膨润土和0.64 g 无水碳酸钠，高速搅拌20 min，于室温下放置养护24 h。

1.3.2 聚合物基浆在400 mL 水中加入16 g 膨润土和0.64 g 无水碳酸钠，高速搅拌20 min，于室温下放置养护24 h，加入1. 2 g FA367，高速搅拌20 min，于室温下放置养护24 h。

1.3.3 盐水基浆将淡水基浆密闭养护24 h，加入4.0%氯化钠，高速搅拌20 min，密闭养护24 h。

1.3.4 饱和盐水基浆将淡水基浆密闭养护24 h，加入30%氯化钠，高速搅拌20 min，密闭养护24 h。

1.4 降粘性能评价

按SY/T 5243—91《水基钻井液用降粘剂评价程序》对合成的目标共聚物进行评价。在钻井液中加入一定量的聚合物降粘剂，高速搅拌后，用六速旋转粘度计在常温下测定钻井液的表观粘度，与空白样对比。将加入了降粘剂的钻井液放入老化养护罐中，在滚子加热炉中高温翻滚16 h，测定钻井液表观粘度，与高温翻滚的空白样进行对比［9-10］。同时用DI 值，即降粘率，评价降粘剂降粘效果的指标。

2 结果与讨论

2.1 AM/AMPS/IA 聚合物红外光谱分析

由图1 可知，3 451 cm－1为伯酰胺基(—CONH2)伸缩振动吸收峰，3 207 cm－1为仲酰胺基(—CONH—)伸缩振动吸收峰，这2 个峰较宽是由于存在一定的缔合现象;1 722，1 660 cm－1处的2 个峰为聚合物中IA 的2 个羧基，由于振动耦合而分成的2 个特征峰;1 189 cm－1和1 037 cm－1处峰为磺酸基团(—SO3)伸缩振动吸收峰［11］。

图1 AM/AMPS/IA 聚合物红外光谱图Fig.1 IR spectrum of AM/AMPS/IA copolymer

2.2 AM/AMPS/IA 聚合物核磁共振

AM/AMPS/IA 聚合物核磁共振氢谱见图2。

图2 AM/AMPS/IA 聚合物核磁共振氢谱图Fig.2 1H NMR spectrum of AM/AMPS/IA copolymer

谱图分析见表1，其中4.71 为溶剂峰(D2O，重水)。s 表示单重峰，d 表示双重峰，t 表示三重峰，m表示多重峰。

表1 AAI 的核磁共振分析Table 1 The 1H NMR spectrum of AAI

据核磁共振分析［11］，可以确定合成产物为AM/AMPS/IA 聚合物。

2.3 AM/AMPS/IA 聚合物降粘剂合成工艺研究

2.3.1 单体配比对合成聚合物降粘率影响引发剂加量为单体总质量的0.3%，反应温度60 ℃，反应时间4 h，单体浓度20%，调节pH 值6.0，考察AM∶AMPS∶IA 的配比对降粘率的影响，结果见表2。

表2 单体配比对聚合物降粘率的影响Table 2 Effect of the molar ratio of monomer on viscosity-reduction rate

由表2 可知，该聚合物降粘剂的最佳配比为1∶2∶2。

2.3.2 引发剂加量对合成聚合物降粘率的影响单体配比AM∶AMPS∶IA 为1∶2∶2，反应温度60 ℃，反应时间4 h，单体浓度20%，调节pH 值6.0，引发剂加量对降粘率的影响，见图3。

图3 引发剂加量对降粘率和转化率的影响Fig.3 Effect of initiator amount on DI and conversion rate

由图3 可知，在引发剂加量不断增加时，在聚合物泥浆中，降粘率没有发生很大的变化，但随着引发剂加量的增加，合成的产物转化率也随之增加，在0.3%后趋于平缓，可能是由于引发剂加量的增多，导致自由基增多，单体转化率增加，聚合物增多，水相中单体浓度下降，转化率增幅逐渐降低。所以，选择引发剂加量为单体的0.3%。

2.3.3 反应温度对合成聚合物降粘率的影响单体配比AM∶AMPS∶IA 为1∶2∶2，反应时间4 h，单体浓度20%，调节pH 值6.0，引发剂加量0.3%，反应温度对降粘率的影响，见图4。

由图4 可知，当反应温度较低时，合成的速率慢，且反应的程度较低，在40 ℃反应生成的降粘剂降粘率只有72%左右，随着温度的升高，降粘效果逐渐变好，80 ℃时降粘效果最好;反应温度达到90 ℃后，合成产品降粘率下降，可能是由于反应温度使单体反应速率加快，合成的聚合物粘度增大，分子量升高，反而不能达到很好的降粘效果。所以，选择反应温度为80 ℃。

图4 反应温度对降粘率的影响Fig.4 Effect of temperature on DI

2.3.4 反应时间对合成聚合物降粘率的影响单体配比AM∶AMPS∶IA 为1∶2∶2，单体浓度20%，调节pH 值6.0，引发剂加量0.3%，反应温度80 ℃，反应时间对降粘率的影响，见图5。

图5 反应时间对降粘率的影响Fig.5 Effect of reaction time on DI

由图5 可知，降粘率随着反应时间的增加而增加，当反应时间达到4 h 时，降粘率最大，再增加反应时间，降粘率有所下降。可能是反应时间长，导致单体交联程度增加。故确定合成反应时间为4 h。2.3.5 单体浓度对合成聚合物降粘率的影响单体配比AM∶AMPS∶IA 为1∶2∶2，调节pH 值6.0，引发剂加量0.3%，反应温度80 ℃，单体总浓度对降粘率的影响，见图6。

图6 单体浓度对降粘率的影响Fig.6 Effect of monomer concentration on DI

由图6 可知，降粘率随着单体浓度的增加而增加，在单体浓度达到20%时，降粘效果最好。再增加浓度降粘率反而降低，可能是由于单体反应浓度过大，导致合成的聚合物交联增加。故而选择20%作为单体反应浓度。

2.3.6 pH 值对产品降粘率的影响单体配比AM∶AMPS∶IA 为1∶2∶2，pH 值6.0，引发剂加量0.3%，反应温度80 ℃，单体总浓度20%，pH 值对降粘率的影响，见图7。

图7 pH 值对降粘率的影响Fig.7 Effect of pH on DI

由图7 可知，在pH 值为6 时，降粘率最大，反应为酸性条件时，合成产品降粘率较好;反应为碱性时，降粘率大幅下降。所以选择反应pH 值为6。

综上所述，合成降粘剂AAI 最佳合成反应条件为:丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和衣康酸的摩尔比为1∶2∶2，引发剂亚硫酸氢钠/过硫酸铵的比例为1∶1，加量为0.3%，共聚反应温度80 ℃，反应时单体浓度为20%，反应时间4 h，pH 值为6。

2.4 降粘剂AAI 性能评价

2.4.1 高温降粘性能用最佳条件合成的聚合物加入淡水基浆和聚合物钻井液中，在室温及220 ℃高温环境下热滚后，降粘率随聚合物加量的变化，见图8。

图8 AAI 加量对淡水钻井液和聚合物钻井液降粘率的影响Fig.8 Effect of AAI dosage on DI of fresh water drilling fluid and polymer drilling fluid

由图8 可知，常温下，在淡水基浆中AAI 加量超过0. 3% 时，降粘效果较好，降粘率可超90%;220 ℃高温老化16 h 后，降粘率仍可达50%;在聚合物钻井液中AAI 加量为0.3%时，常温下降粘效果良好，有90%的降粘率;在220 ℃高温老化16 h后，仍然具有较好的降粘作用，降粘率可达50%。可满足高温深井对钻井液降粘的要求。

2.4.2 抗盐性能将合成的聚合物加入4%盐水基浆和饱和盐水基浆中，产品对泥浆的性能改变见表3。

表3 AAI 抗盐性能评价Table 3 AAI anti-salt performance evaluation

由表3 可知，合成的聚合物降粘剂AAI 在4%盐水基浆和饱和盐水基浆中都能保持较好的钻井液流变性，同时也有一定的降滤失作用。

3 结论

(1)经红外光谱和核磁共振分析确定，所合成的聚合物为丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/衣康酸共聚物。

(2)制备钻井液降粘剂丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/衣康酸共聚物(AAI)的反应条件是:丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和衣康酸的摩尔比为1∶2∶2，引发剂亚硫酸氢钠/过硫酸铵的比例为1 ∶1 且加量选择为0. 3%，共聚反应温度80 ℃，反应时单体浓度为20%，反应时间4 h，调节pH 值为6。

(3)作为一种水基钻井液降粘剂，在淡水钻井液和聚合物钻井液中均可抗220 ℃的高温，能满足高温钻井液处理剂的需要，同时具有较好的抗盐性和降滤失作用。

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