新型钻井液降滤失剂的合成与性能评价

严思明，张红丹，王富辉，杨圣月，雷鑫宇

(1.西南石油大学化学化工学院，成都 610500;2.中国科学院成都有机化学有限公司，成都 610041)

随着石油天然气资源减少，石油天然气的勘探开发逐步向深部储层发展。苛刻条件下保证钻井液性能是钻井工程面临的巨大挑战之一，高性能的钻井液添加剂是应对这一挑战的有力支撑［1－2］。降滤失剂可显著降低钻井液滤失量，维持钻井液流变性并减少地层污染。研发应用于高温高盐下的新型降滤失剂一直是油田化学领域的重要课题。聚合物型降滤失剂因其基团拼合优势且兼具多种良好性能，对解决耐温耐盐问题具有重要意义［3－5］。

以2－丙烯酰胺基 －2－甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)和烯丙基醚类亲水单体(APO)为原料，经水溶液聚合法合成了新型钻井液降滤失剂ZJ，其结构经IR表征。采用正交试验法，确定了合成降滤失剂ZJ的最佳条件。

1 试验

1.1 仪器与原料

Nicolet Magna型红外光谱仪(KBr压片);JJ－2型恒速搅拌器;ZNN－D6六速旋转黏度计;OWC－FL型多联滤失仪;OWC－HTP型滚子炉;OWC－HTHP型高温高压稠化仪。

2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸和烯丙基醚类亲水单体、无水碳酸钠(Na2CO3)、氯化钠、氯化钙，均为分析纯，成都科龙化工试剂厂;钙膨润土，工业品，西南石大金牛石油科技有限公司。

1.2 合成方法

将一定量的AMPS，AM，AA，APO溶解于适量蒸馏水中，搅拌使其溶解;用NaOH溶液调节溶液pH后倒入反应器中。加热至反应温度，通氮气，加入引发剂过硫酸铵(APS)，回流反应一定时间后得淡黄色黏稠物。用无水乙醇洗涤，剪碎，于105℃干燥2 h得钻井液降滤失剂ZJ。

1.3 降滤失剂ZJ性能评价

参照GB/T 16783—1997《水基钻井液现场测试程序》的方法，测定淡水钻井液和盐水钻井液的流变性及滤失性能［6］。

1.3.1 基浆的制备

淡水基浆:在350 mL水中加入21 g钙质膨润土和1.75 g无水碳酸钠，然后高速搅拌20 min，于室温放置水化24 h。

4%盐水基浆:在350 mL水中加入21 g钙质膨润土和1.75 g无水碳酸钠，高速搅拌10 min，然后再加入14 g氯化钠，继续高速搅拌10 min，于室温放置水化24 h。

复合盐水基浆:在350 mL水中加入21 g钙质膨润土和1.75 g无水碳酸钠，高速搅拌10 min，然后再加入14 g氯化钠和1.75 g氯化钙，继续高速搅拌10 min，于室温放置水化24 h。

饱和盐水基浆:在350 mL淡水基浆中加入105 g氯化钠，高速搅拌20 min，于室温放置水化24 h。

2 结果与讨论

2.1 合成条件优化

2.1.1 单体配比的确定

在合成聚合物过程中，单体配比对聚合反应的结果具有重要影响。固定单体用量为15%(总体质量分数)，引发剂用量APS为1.67%(占单体质量分数)，反应温度80℃，体系pH为7，反应时间5 h。为确定单体物质的量比(AMPS∶AM∶AA∶APO)的最佳比例，设计4因素3水平正交试验，以淡水泥浆在水化24 h后，加入0.5%共聚物的中压滤失量(FL)作指标，试验因素水平与结果见表1和表2。

表1 因素水平表

表2 正交试验结果

从表2可看出，各因素的影响顺序为:AM＞AMPS＞APO＞AA。根据正交试验分析结果得出，最佳单体物质的量比为 2.0∶4.0∶1.3∶0.02。

2.1.2 其他因素的确定

在聚合物合成过程中，单体用量、引发剂用量和反应温度均对聚合物性能有较大影响。固定单体物质的量比(AMPS∶AM∶AA∶APO)为2∶4∶1.3∶0.02，体系pH为7，反应时间5 h。为确定单体用量、引发剂用量和反应温度3个因素，设计了3因素3水平正交试验，以淡水泥浆在水化24 h后加入0.5%(体积质量分数)共聚物的中压滤失量作指标，试验水平与结果见表3，4。

表3 因素水平表

表4 合成条件正交试验结果

由表4可知，反应条件对降滤失剂ZJ降滤失效果的影响程度由高到低的顺序为引发剂浓度、反应温度、单体浓度。根据正交试验分析结果，确定反应单体质量分数15%、引发剂用量1.0%(占单体质量分数)、反应温度70℃;因此确定共聚物的最佳合成条件为:n(AMPS)∶n(AM)∶n(AA)∶n(APO)=2∶4∶1.3∶0.02，单体用量为15%，引发剂用量为单体质量分数的1.0%，体系pH为7，反应温度70℃，反应时间5 h。

2.2 共聚物表征

为验证合成产物，对试样进行充分提纯处理后，红外光谱分析降滤失剂ZJ见图1。

图1 降滤失剂ZJ红外光谱图

由图1 可知，3 446 cm－1和1 674 cm－1是酰胺基团—CONH2的特征吸收峰，其中3 446 cm－1是—NH2的伸缩振动峰，1 674 cm－1为C＝ O的伸缩振动峰;1 547 cm－1和1 456 cm－1是羧酸盐的C ＝O 伸缩振动峰;1 184 cm－1和1 034 cm－1是磺酸基团的对称和非对称伸缩振动峰;2 927 cm－1是—CH2的C—H对称伸缩振动峰;1 402 cm－1是醚类的 C—O的伸缩振动峰;同时发现在989 cm－1和961 cm－1处未出现乙烯类单体的特征吸收峰。分析表明4种单体进行了有效聚合。

2.3 降滤失剂ZJ性能评价

考察聚合物的抗温抗盐性能，在不同泥浆体系中分别加入一定量的共聚物，将含有合成共聚物的淡水泥浆、4%盐水泥浆、复合盐水泥浆和饱和盐水泥浆分别在热滚前(常温)、160℃、180℃下，测定各个体系的流变参数和滤失量，试验结果见表5。

表5 不同温度和泥浆体系试验数据

由表5中可以看出，随温度升高，各泥浆体系表观黏度、塑性黏度和屈服值等流变参数减小，滤失量增加;但各泥浆体系滤失量在热滚前始终小于5 mL，160℃下最大不超过12 mL，180℃下最大不超过15 mL，表明降滤失剂ZJ降滤失效果较好，且具有较强的抗温抗盐能力。

3 结论

1)根据分子结构设计理论，优选了AMPS，AM，AA，APO合成耐温抗盐降滤失剂，以提高水基钻井液的高温稳定性。正交试验确定了AMPS/AM/AA/APO共聚物的最佳合成条件:n(AMPS)∶n(AM)∶n(AA)∶n(APO)=2∶4∶1.3∶0.02、单体用量为总体质量分数15%，引发剂用量为单体质量分数的1.0%，反应温度70℃，体系pH为7、反应时间5 h。

2)通过IR分析，结果表明，降滤失剂ZJ中各单体的特征吸收峰在谱图中都有较好的对应，说明4种单体进行了有效聚合。

3)降滤失剂ZJ降滤失效果较好，在160℃，16 h和180℃，16 h热滚后，滤失量最大均不超过15 mL。

［1］雷鑫宇，陈爽，王林，等.钻井液增黏剂SDA的合成与性能评价［J］.精细石油化工进展，2014，15(5):7－9.

［2］白小东，蒲晓林.水基钻井液成膜技术的研究进展［J］.天然气工业，2006，26(8):75 －77.

［3］袁春，孙金生，王平全，等.抗高温成膜降滤失剂CMJ－1的研制及性能［J］.石油钻探技术，2004，32(2):30－32.

［4］刘成贵.腈硅聚合物钻井液降滤失剂的合成与性能评价［J］.钻井液与完井液，2013，30(2):22 －24.

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［6］黄雪静.一种多功能钻井液处理剂的研制与评价［J］.钻井液与完井液，2008，25(4):26 －28.