乳液降滤失剂的制备及其在压裂液体系中的应用

高进浩，沈一丁，王 磊，马国艳，魏向博，王新亮

（教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室 陕西科技大学，陕西 西安 710021）

降滤失剂是钻井液失水控制的重要指标。随着钻探特殊井、超深井及复杂井数量的增加，人们对钻井液工艺提出了更高的性能要求，开发耐盐、抗高温性能的降滤失剂成为目前的研究重点。以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）为主要原料合成的降滤失剂较多，原因是AMPS中含有磺酸基和羧基，由其合成的降滤失剂具有耐盐、抗高温等性能，但该类降滤失剂不能满足钻井过程中的高降滤失、耐水解等性能要求［1-7］。

为解决上述局限，本工作以丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、AMPS和烯丙基聚乙二醇（APEG）为原料，合成了一种多元共聚乳液GY-9，并将GY-9与腐植酸复配得到降滤失剂GJH-1。考察了单体配比、腐植酸与GY-9配比、GJH-1用量、温度等对GJH-1降滤失性能的影响；研究了GJH-1对页岩的抑制性及其对防膨率的影响。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

APEG、AMPS、AA、AM、钙膨润土：工业品，中国石油长庆油田分公司；N，N-亚甲基双丙烯酰胺、K2S2O8、NaHSO3、NaOH：分析纯，衢州明锋化工有限公司；K-PAM降滤失剂、FA-367降滤失剂、MX交联剂、SX-232稠化剂和PJ-3破胶剂：自制；HX-E降滤失剂：石家庄华信泥浆助剂有限公司；腐植酸：工业品，江西佳利生化高科有限公司；Na2CO3和NaCl：工业品，天津市红岩化学试剂厂；正辛醇：工业品，上海倍特化工有限公司。

ZNS-2型中压失水测量仪和XGRL-4型高温滚子加热炉：青岛海通 达专用仪器厂；M4600型页岩膨胀仪：美国Grace仪器公司；KH-150 mL不锈钢合成反应釜：上海凌科实业发展有限公司。

1.2 GY-9的合成及GJH-1的制备

将15 g APEG溶于70 g纯净水中，依次加入10 g AM、5 g AA和7.5 g AMPS，充分搅拌溶解后置于反应釜内，用25%（w）的NaOH溶液调节体系pH为6，通氮除氧30 min，加入0.02 g N，N-亚甲基双丙烯酰胺，待充分混合后，加入引发剂（K2S2O8和NaHSO3的水溶液）引发反应，引发温度45 ℃，并控制引发剂的滴加速率。控制反应温度为55 ℃，调节反应釜的转速，以减少气泡的产生，反应时间48 h后，得到淡黄色多元共聚乳液GY-9。将GY-9与腐植酸按照一定比例复配，即得降滤失剂GJH-1。

1.3 基浆的配制

淡水基浆的配制：在400 mL水中加入14 g钙膨润土和1 g Na2CO3，高速搅拌20 min后，室温养护24 h，得到淡水基浆。盐水基浆的配制：在400 mL水中加入钙膨润土和13 g NaCl，高速搅拌20 min后，在室温下放置24 h，得到盐水基浆。饱和盐水基浆的配制：在盐水基浆中继续加入NaCl至溶液饱和，高速搅拌20 min后，在室温下养护24 h，得到饱和盐水基浆。将基浆装瓶备用。

1.4 GJH-1降滤失性能的测试

将一定量的GJH-1加入到不同的基浆中，搅拌均匀，如有泡沫，加入正辛醇消泡。取280 mL添加有GJH-1的基浆试样至中压失水测量仪中，在0.693 MPa下测定30 min时的滤失量，滤失量越小表明GJH-1的降滤失性能越好。

1.5 耐盐、耐温性能的测试

在淡水基浆、盐水基浆、饱和盐水基浆中分别加入1.5 g GJH-1，将混合后的试样置于高温滚子加热炉中，分别在不同温度下恒温老化16 h，冷却至室温，取280 mL老化液于中压失水测量仪中，测定其滤失量。

1.6 GY-9对压裂液性能的影响

压裂液的制备：将一定量的SX-232稠化剂和MX交联剂加到水中形成混合物。其中，SX-232稠化剂的含量（w）为0.4%～0.5%，MX交联剂的含量为0.6%（w）。

将一定量GY-9加入到压裂液中，混合后，在室温下评价压裂液的耐盐性和耐温性，在压裂液体系中加入0.04%（w，基于体系质量）的PJ-3破胶剂，测定GY-9对破胶性能的影响，并与单组分SX-232稠化剂的性能进行对比。

1.7 岩心膨胀量降低率的测定

称取25.0 g GJH-1于烧杯中，加入200 mL蒸馏水，加热搅拌溶解，冷却至室温后移至500 mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度，得到GJH-1溶液。称取10.0 g钙膨润土，制成岩心。将岩心安装在页岩膨胀仪上，分别将蒸馏水、GJH-1溶液注入测量筒，8 h后，测定岩心的膨胀量。按式（1）计算岩心膨胀量降低率（Ed）。Ed越大表明对地层的伤害越小，可保证井壁的相对稳定。

式中，ΔH为注入蒸馏水的岩心膨胀量，mm；ΔH1为注入GJH-1溶液的岩心膨胀量，mm。

2 结果与讨论

2.1 FTIR表征结果

GY-9的FTIR谱图见图1。由图1可见，3 427.819 cm-1处的吸收峰归属于酰胺基中N—H键和羟基中O—H键的伸缩振动；2 938.345 cm-1处的吸收峰归属于—CH2中C—H键的伸缩振动；1 663.706 cm-1处的吸收峰归属于键的伸缩振动；1 195.488，1 039.097 cm-1处的吸收峰为—SO3的特征峰。

图1 GY-9的FTIR谱图Fig.1 FTIR spectrum of copolymer emulsion GY-9.

2.2 单体配比对GJH-1降滤失性能的影响

单体配比对降滤失剂的降滤失性能影响较大，这是因为降滤失剂的降滤失效果由分子中吸附基团与水化基团的比例决定。适当增加磺酸基和羧基的含量有助于提高降滤失剂的耐温、耐盐及降滤失性能，但磺酸基和羧基的含量过高（即水化基团的数量过多），相对吸附基团的数量较少，吸附基团与水化基团的比例超过最优值，将会导致降滤失剂的降滤失性能降低［7-11］。同时单体配比还会影响降滤失剂的黏度。因此，考察了单体配比对GJH-1降滤失性能的影响，实验结果见表1。由表1可知，当m（AM）∶m（AA）∶m（AMPS）∶m（APEG）=2∶1∶1.5∶3时，GJH-1的降滤失效果很好，静滤失量为4.5 mL，高温高压滤失量为6.7 mL，达到了应用要求。

表1 单体配比对GJH-1降滤失性能的影响Table 1 Effects of monomer ratio on the fluid loss(FL)properties of the filtrate reducers GJH-1

2.3 腐植酸与GY-9的配比对GJH-1降滤失性能的影响

腐植酸中含有—COOH，—OH，—CONH，—SO3—等基团，这些基团可与黏土发生吸附作用，当它们吸附在黏土表面时，可形成吸附水化层，使得黏土不易黏结。当GJH-1中GY-9的含量达到一定值时，可形成“水泥颗粒-线型高分子-水分子吸附层”的网状结构，其中，腐植酸起到空间位置稳定作用。腐植酸电离后的负电基团，协同GY-9吸附在黏土颗粒表面，黏土表面的负电性增强，黏土颗粒间的斥力增大，不易发生聚结现象［8，12-14］。因此，优选腐植酸与GY-9的配比至关重要。

m（腐植酸）∶m（GY-9）对GJH-1降滤失性能的影响见表2。由表2可知，GY-9用量过少时，吸附基团数目较少，在黏土表面不能形成致密的薄膜，降滤失效果不明显；随GY-9用量的增加，静滤失量和高温高压滤失量均降低，符合预期设计。当m（腐植酸）∶m（GY-9）=13∶7时， 静滤失量达4.5 mL，高温高压滤失量达6.7 mL，降滤失效果已很明显，黏土不聚结，可满足应用要求。

表2 m（腐植酸）∶m（GY-9）对GJH-1降滤失性能的影响Table 2 Effects of m(humic acid)∶m(GY-9)on the FL properties of GJH-1

2.4 GJH-1用量对其降滤失性能的影响

在淡水基浆、盐水基浆和饱和盐水基浆中分别加入不同量的GJH-1，测定各基浆的静滤失量、表观黏度、塑性黏度和动切力等性能，实验结果见表3。由表3可见，老化前，随GJH-1用量的增加，各基浆的静滤失量均降低，表观黏度和塑性黏度均增大。与老化前相比，在220 ℃下老化后，各基浆的黏度均降低，静滤失量均增加。加入GJH-1后，各基浆的静滤失量得到很好的控制，且基浆黏度增大。由此可见，GJH-1不仅具有良好的降滤失性能，还具有良好的耐温性能。

表3 GJH-1用量对其降滤失性能的影响Table 3 Effects of the GJH-1 dosage on the FL performances of GJH-1

2.5 GY-9对压裂液体系的影响

将GY-9加入到压裂液体系中，测定GY-9对体系耐温性、耐盐性、破胶性能的影响，实验结果见图2。由图2可见，GY-9加入到压裂液体系后，压裂液体系的耐温、耐盐性能均得到改善。与单组分的SX-232稠化剂相比，100 ℃时，压裂液体系的黏度提高8.5 mPa·s；当压裂液体系含盐2.0%（w）（基于体系质量）时，黏度增加15.2 mPa·s，表明压裂液体系的耐盐性能有所提高，从而提高了体系的携砂能力。由图2C可见，两种破胶液黏度在30 min前随时间的延长均降低；30 min后基本不变，且均小于10 mPa·s以下，表明30 min后压裂液体系中的SX-232稠化剂大分子已被彻底分解。与SX-232稠化剂相比，GY-9加入到压裂液体系后，破胶液黏度变化不大，表明GY-9对压裂液体系的破胶性能基本无影响。

图2 GY-9对压裂液体系耐温（A）、耐盐（B）、破胶液黏度（C）的影响Fig.2 Effects of GY-9 on the temperature tolerance(A)，salt tolerance(B)，viscosity of gel breaking(C)of a fracture fluid system.

2.6 不同温度下GJH-1对基浆的降滤失性能

分别取一定量的GJH-1加入到淡水基浆、盐水基浆、饱和盐水基浆中，在不同温度下老化16 h，然后在室温下测 定其滤失量，实验结果见图3。由图3可见，当温度低于150 ℃时，各基浆的静滤失量随温度的升高均无明显变化；当温度高于150 ℃时，饱和盐水基浆的静滤失量突增，但在200 ℃时，静滤失量仍小于20 mL，原因是阳离子浓度过高，离子之间斥力增强，导致溶液的热运动效应加快，吸附作用降低。但总体而言，各基浆仍具有较强的抗高温性能，不同的基浆老化前后，其静滤失量仍低于20 mL，可满足应用条件。

2.7 页岩抑制性及对防膨率的影响

按SY/T5971—1994［15］的方法考察GY-9和GJH-1对黏土的稳定性作用，对比了不同降滤失剂的岩心膨胀量降低率和防膨率，实验结果见表4和图4。由表4可见，GY-9与GJH-1对岩心膨胀均有抑制作用，其中，GJH-1的降滤失效果更佳。这是因为腐植酸的加入增大了表面吸附能力，有效地控制了线性膨胀。由图4可见，降滤失剂具有一定的防膨效果，且防膨率随降滤失剂用量的增加而增大。其中，GJH-1的防膨率优于同类产品，当GJH-1用量为1.0%（w）时，防膨率达到87.7%，可有效地降低钻井液中黏土稳定剂的用量，降低生产成本。

图3 不同温度下各基浆的滤失性能Fig.3 FL loss performances of various base muds at different temperature.Preparation conditions of GY-9 and GJH-1 referred to Table 2 and Table 1，respectively.

表4 不同降滤失剂的岩心膨胀量降低率Table 4 Reducing rate of core linear expansion with different filtrate reducers

图4 不同降滤失剂的防膨率对比Fig.4 Comparison of the anti-swelling of different filtrate reducers.

3 结论

1）制备GY-9的最佳m（AM）∶m（AA）∶m（AMPS）∶m（APEG）=2∶1∶1.5∶3。当m（腐植酸）∶m（GY-9）=13∶7时，所得GJH-1的降滤失效果最好。

2）在淡水基浆中添加1.0%（w）GJH-1时，静滤失量、高温高压滤失量分别达到4.5 mL和6.7 mL， 具有良好的降滤失性能；GJH-1对页岩膨胀具有抑制作用，当GJH-1用量为1.0%（w）时，岩心膨胀量降低率达48.9%，防膨率达87.7%，防膨率优于同类产品。

3） 将GY-9加入到压裂液体系中，提高了压裂液体系的耐温、耐盐性能，但对压裂液体系的破胶性能基本无影响。

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