钻井液用抗温抗盐润滑降滤失剂SLJWP的制备及性能评价

2014-12-24邱维清

石油化工应用 2014年11期

邱维清

（胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司，山东东营 257064）

在石油钻井过程中，钻井液用降滤失剂是保证钻井液性能稳定、减少有害液体向地层滤失、稳定井壁和保证井径规则的重要处理剂[1-2]。在深井复杂地层钻井过程中，降滤失剂由于受地层高温及高价离子的影响，常常性能变差或失效，滤失量大幅上升，进而导致各种井下复杂情况的发生，给钻井作业带来巨大困难和损失。同时随着定向井、水平井钻井工艺技术在复杂地层的推广应用，对钻井液性能提出了更高的要求，如何降低钻井摩阻，提高钻井液的润滑性能，成为定向井、水平井施工的关键。

为了解决钻井工作遇到的高温、高盐和高摩阻等问题，袁丽等[3]以淀粉，液体润滑剂等为原料，合成固体润滑降滤失剂，该产品虽有良好润滑性和降滤失效果，但在抗温抗盐方面则有待提高。同样，刘传禄等[4]以改性纤维素和多种表面活性为原料制得PPL 防卡降滤失剂，其润滑性能优于柴油，而抗温性能也需进一步完善。上述产品虽然具有良好的降滤失效果的同时，还能改善钻井液润滑性，降低摩擦阻力，但这类产品主要由淀粉或纤维素与润滑剂反应制得，其抗温、抗盐能力较差。目前降滤失剂的开发必须兼顾提高性能、增加功能和降低成本3 个方面，来更好解决钻井工作遇到的高温、高盐和高摩阻等问题，这已成为降滤失剂发展的趋势。利用多种功能性单体，通过反相乳液聚合方法，合成了一种抗温抗盐润滑降滤失剂，利用红外光谱分析表明，新研制的抗温抗盐润滑降滤失剂SLJWP 具有多羟基结构，该结构易和水分子结合，阻止水分子渗入地层。利用旋转粘度计，失水仪、极压润滑仪等仪器，对其性能进行了评价分析。结果表明，SLJWP 降滤失剂具有良好的降滤失、抗温、润滑、抗Na+污染能力。

1 实验部分

1.1 主要实验原料

丙烯酰胺（AM）、过硫酸铵、亚硫酸钠、NaOH、Tween-80 均为分析纯，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠（AMPS）、石蜡、钠膨润土等为工业纯。

1.2 降滤失剂SLJWP 的合成

称取一定量丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），搅拌均匀后加入到一定量去离子水中剪切乳化，得AM/AMPS 乳化液。在四口烧瓶中，将石蜡升温融化，水浴设定一定温度，加入Tween-80等表面活性剂，并用NaOH 调整pH 值到碱性。通高纯氮气置换空气，开动搅拌器，然后分多次加入剪切乳化好的AM/AMPS 乳化液，升温至一定温度时，滴加一定量引发剂，反应一段时间后得到含有大量的乳白色胶液。

2 产品结构分析

为验证产物合成的情况，利用红外光谱仪，测试样品在4 000 cm-1～400 cm-1的红外吸收光谱（见图1）。

由谱图1 可知，在3 455 cm-1处出现较宽的吸收峰，说明SLJWP 含有多羟基-OH，在2 923 cm-1和2 854 cm-1出现甲基和亚甲基的吸收峰，说明SLJWP 合成的长烷基链。1 649 cm-1出现酰胺基团的特征峰，芳环中C=C 的拉伸振动的吸收带在1 601 cm-1处被观察到。在1 391 cm-1附近是甲基-CH3的对称伸缩振动吸收峰。1 650 cm-1C=C 的特征吸收峰消失，说明单体发生了聚合反应。

图1 降滤失剂SLJWP 的红外图谱

3 性能评价

3.1 基浆的配制

淡水基浆：在1 000 mL 水中加入40 g 膨润土和0.8 g 无水碳酸钠。

盐水基浆：在1 000 mL 水中加入40 g 膨润土、0.8 g无水碳酸钠和40 gNaCl。

饱和盐水基浆：在1 000 mL 水中加入40 g 膨润土、0.8 g 无水碳酸钠和360 gNaCl。

3.2 流变性和失水

配制4 %的基浆，用ZNN-D6 型六速旋转粘度计和SD3 型多联中压滤失仪分别测定SLJWP 不同加量下的流变参数和滤失量，结果（见表1）。

表1 不同加量下SLJWP 降滤失剂的流变参数和滤失量

由表1 可知，随着SLJWP 浓度增加，表观粘度和塑性粘度均呈上升趋势；滤失量则大幅度下降。

3.3 润滑性能

用EP-2 型极压润滑仪、NF-1 型泥饼粘附系数测定仪、GNF-1 型高温高压粘附系数仪分别测定了4 %基浆和4 %基浆+1.0 % SLJWP（1#）体系的润滑系数、泥饼粘附系数，结果（见表2）。由表2 可知，SLJWP 降滤失剂具有较好的润滑性能。相对4 %基浆而言，润滑系数降低了70 %左右，泥饼粘附系数降低了30 %。

表2 不同体系的润滑性

3.4 抑制性

采用NP-01 型页岩膨胀仪测试粘土在SLJWP 溶液中的线性膨胀率。粘土8 h 膨胀高度随着SLJWP 浓度的变化情况（见图2）。由图2 可知，SLJWP 浓度为1.0 %时，页岩膨胀高度已大幅度降低，当浓度达到1.5 %时，其抑制页岩膨胀的降低率达到69 %，浓度大于1.5 %时，抑制页岩膨胀的效果基本不变。

图2 页岩膨胀高度随SLJWP 降失水剂浓度的变化

3.5 抗盐性能

分别在淡水基浆，盐水基浆，饱和盐水基浆中加入不同浓度SLJWP 降滤失剂，使其充分溶解后，测API失水，考察SLJWP 抗盐污染能力。实验结果（见表3）。从表3 可以看出：滤失量随着降滤失剂加量的上升而下降，当加量为l.5 %时，盐水基浆的滤失量与淡水基浆的滤失量差别不大。这表明SLJWP 降滤失剂可以有效地控制泥浆的滤失量，具有较好抗盐性能。

表3 SLJWP 降滤失剂在不同基浆中抗污染能力

3.6 老化温度对SLJWP 降滤失性的影响

测定4 %基浆及基浆中加入1 % SLJWP 的钻井液老化前后的滤失量，结果（见图3）。由图3 看出，温度超过150 ℃后，基浆的滤失量明显升高；温度超过180 ℃后，SLJWP 钻井液滤失量略有升高。

图3 老化温度对SLJWP 降滤失效果的影响

3.7 抗高温滤失性及泥饼微观形态

3.7.1 抗高温滤失性为了考察SLJWP 降滤失剂的优越性，与目前常用聚合物降滤失剂、抗高温降滤失剂进行性能对比，结果（见表4、表5）。

表4 与常见聚合物降滤失剂的滤失性对比

表5 与抗高温降滤失剂的滤失性对比

由表4 可知，在同样条件下，SLJWP 降滤失剂的降滤失性能、钻井液流变性抗温能力明显优于常见的聚合物降滤失剂。同样，从表5 数据可以看出，在同样温度下老化后，SLJWP 降滤失剂的降滤失性能明显优于SMP-Ⅰ、SPNH，这也从另一个方面体现了其具有良好的热稳定性。

3.7.2 泥饼的微观形态采用API 滤失试验制得泥饼，试验条件为常温、0.69 MPa 下，压制7.5 min。通过数码照相机观察泥饼结构（见图4）。

图4 加入不同降滤失剂淡水基浆泥饼的数码图片

由图4 可知，泥饼厚度：（a）为5 mm，（b）、（c）、（d）小于1 mm。（a）不添加降滤失剂的泥饼表面凹凸不平，泥饼厚而松散，用自来水冲洗泥饼，表面大量虚的泥饼被冲掉，但加入降滤失剂后，泥饼变得薄而致密。（b）、（c）、（d）虽然泥饼厚度相当，但是（b）的泥饼致密，用大量自来水冲洗，都不易破坏其结构，而（c）、（d）的泥饼较松散，容易被自来水冲散。表明使用SLJWP 聚合物降滤失剂的泥饼，泥饼结构紧密，强度相对较高。

同时采用M7000 电子显微镜将上述制备的泥饼放大10 倍观察泥饼微观结构（见图5）。

由图5 可知，（a）图存在大量不同孔径的孔隙；（b）图基本没有空隙且钻井液呈云片状封堵在滤纸上；（c）和（d）图颗粒分布不均，存在一些大孔隙。从泥饼微观图片进一步表明，使用SLJWP 聚合物降滤失剂的泥饼，泥饼颗粒分布均匀，结构紧密。