新型抗高温降滤失剂的研制与应用

2015-01-01

天津化工 2015年2期

（中国石油大港油田石油工程研究院，天津300280）

油气开采中，随着钻井深度不断加深，深井和超深井将越来越多，钻遇地层越来越复杂，抗高温钻井液处理剂的研究愈加受到关注。为了满足在复杂地层钻井、优化钻井、保护油气层和提高钻井质量的需要，钻井作业对钻井液处理剂的抗温性要求越来越高。因此，进一步研制出一种新型水基抗高温降滤失剂提高钻井速度和保障井下安全仍具有重要意义[1]。

1 国内外技术现状

国外抗高温添加剂有：J.P.Plank等研制的新型磺酸盐聚合物，相对分子质量在20万左右，适应温度在200℃，具有抗饱和盐水、抗钙能力，与淀粉、CMC、PAC等失水添加剂合用，具有良好的抗高温抗盐抗钙性能；J.Son.Adelina等研制的一种乙烯基磺酸盐/乙烯基酰胺共聚物的抗高温抗电解质降失水添加剂，相对分子质量为750000～2000000，用它配置的水基钻井液，在204℃时仍能保持其稳定性，并能容忍高电解质的存在，在非分散性水基钻井液中有助于抗大量固相和水泥杂质的存在；I.J.Hellwell等研制的丙烯酰胺甲基烷磺酸盐共聚物的添加剂。

国内抗高温添加剂：针对钻井液降滤失剂在使用过程中存在的高温增粘和遇到金属离子污染增粘的问题,从降滤失剂的分子结构出发,通过苯氧(基)乙酸与苯酚、甲醛等缩聚磺化,合成出SPX树脂，SPX树脂单独使用就具有抗饱和盐抗高温非增粘降滤失量的作用,SPX树脂与SMC有良好的复配效果，在180～200℃条件下性能稳定；采用硝酸氧解褐煤提高腐殖酸含量、在磺甲基化并与丙烯腈接枝共聚的方法制备具有抗高温抗盐降滤失性能的钻井液，具有较好的降滤失作用和抑制性能，适用于各种水基钻井液体系，可耐200℃高温、耐饱和盐水，具有较好的降滤失作用和抑制性能，适用于各种水基钻井液体系，且价格低廉，具有较大的市场竞争力；以AMPS、丙烯酸、丙烯酰胺接枝共聚物与磺化腐植酸衍生物复配而成的钻井液抗高温降滤失剂OCL-JA，抗高温250℃，具有良好的降滤失效果，兼有调节流型的功效[1～6]。

国内外在抗高温处理剂方面进行了广泛研究，目前虽然已有了深井钻井液体系处理剂，但仍然满足不了施工要求，井下复杂频繁出现，油层保护性能和钻井液的抗温稳定性能需进一步提高，进一步研制出一种水基抗高温降滤失剂降低钻井液的滤矢量、提高抗高温效果并能保障井下安全仍具有重要意义。

2 研究内容

抗高温降滤失剂采用两种以上的聚合物单体，在一定的温度下与天然聚合物接枝共聚，聚合而成抗高温降滤失剂。

天然聚合物盐的合成：将天然聚合物烘干粉碎至40目，和碱液反应，离心分离、离心排渣，制得液体天然聚合物盐。

抗高温降滤失剂的合成：将各种单体按照一定的比例分别加入蒸馏水中，在搅拌的情况下加入碱液，然后加入天然聚合物，在加入一定量的引发剂，搅拌均匀后常温反应，得凝胶状产物。取出剪切造粒，于80℃下烘干、粉碎得黑色粉末状共聚物降滤失剂。

2.1 单体的确定

由于采用的单体的品种和加量不同，室内分别引入A（AA）、B（IA）、C（酰胺类单体）、D（烯类单体）、E(磺酸基单体)、F（DMAM）、G（MA）七种单体与天然聚合物进行合成，通过中压滤失量对以上单体进行优选，优选出较好的单体（见图1）。

图1 共聚单体在盐水钻井液中的滤失量

通过对7种单体进行优选，选择了C和D单体与天然聚合物进行共聚，可以使220℃老化后的中压滤失量控制在30mL左右。

2.2 反应工艺条件的确定

在实验反应过程中采用单因素法对聚合物的反应工艺进行研究，即采取一种工艺条件固定，而其余工艺条件变化的方法来确定反应的最佳工艺条件，考察因素包括单体组成、引发温度、pH值、引发剂的用量等。

将反应后的产物进行钻井液性能评价，主要是中压和高温高压滤失量（220℃、3.5MPa）的测定。

2.2.1 原材料配比的确定

室内通过系列实验，验证了各单体配比对聚合工艺的影响，从而确定了最佳合成配方。

从图2可以看出：淡水基浆加样滤失量控制在了10mL左右，盐水基浆加样滤失量也能控制在10mL左右。

图2 淡水钻井液和盐水钻井液中的滤失量

通过对抗高温降滤失剂的实验进行分析，确定了最佳配方，（15-30）AMPS：（10-25）酰胺类单体：（5-25）烯类单体：（30-45）天然聚合物盐。

2.2.2 引发温度的确定

为了确定聚合反应体系的温度，本实验在确定pH值、引发剂用量一定、单体配比也一定时，在不同温度下进行聚合反应。再把不同温度下所制得的产物加入钻井液中进行性能评价，结果见下图3、图4。

图3 反应温度对抗高温降滤失剂API滤失量的影响

图4 反应温度对抗高温降滤失剂HTHP滤失量的影响

通过以上两图可以看出：抗高温降滤失剂在淡水钻井液和盐水钻井液中，API滤失量和HTHP滤失量随着反应温度的升高逐渐降低，但变化不大，在产品合成过程中可以通过提高反应温度达到降滤失的目的，但是温度的升高可以提高反应单体的活性，加快反应速度，聚合反应速率加快。温度较高时会加速引发剂的分解，加快聚合反应速率，但温度太高时，会在加快反应速率的同时促使副反应的进行，因此选择合适的引发温度为20℃。

2.2.3 pH值的确定

在温度一定、引发剂用量一定、单体配比一定的条件下，根据反应体系的pH值的不同进行聚合反应，将所得产品进行钻井液性能评价，结果如下(见图5)。

图5 pH值对抗高温降滤失剂HTHP滤失量的影响

通过图5可以看出：抗高温降滤失剂在淡水钻井液中HTHP滤失量随着pH值的增大逐渐增加，但变化都不大，在盐水钻井液中HTHP滤失量随着pH值的增大逐渐增加，通过图5，确定pH值为8。

2.2.4 引发剂用量的确定

当温度一定、单体配比不变，pH值也一定时，在不同的引发剂用量下进行聚合反应，将所得的产品进行钻井液性能评价，结果如下（见图6、7）。

图6 引发剂加量对抗高温降滤失剂API滤失量

通过以上6、7两图可以看出：引发剂加量对抗高温降滤失剂的性能影响不大，在淡水钻井液中API滤失量和HTHP滤失量随着引发剂加量的增加基本保持不变，在盐水钻井液中API滤失量随着引发剂加量的增大，滤失量先保持不变，后随着加量的增加逐渐增大，HTHP滤失量随着引发剂加量的增加逐渐增大。通过以上实验分析，确定引发剂的量为单体总量的0.3%。