爆聚法合成抗高温抗盐水基降滤失剂及性能评价

2019-05-24王茂功颜星彭洁

钻井液与完井液 2019年2期

王茂功，颜星，彭洁

（1.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京102206；2.中国石油大学（北京），北京102200）

随着中国石油勘探开发的不断深入，深层石油及天然气的勘探开发逐渐成为解决中国石油工业稳产增产的主要途径。因而深井、超深井的钻探必将成为中国石油工业的一个重要方面。由于地温梯度的存在，井眼越深，井筒内的温度就会变得越高。中国西部油田（温度梯度为2.5～3.0℃/100m）超过7000m的超深井和东部油田（温度梯度为3.5～4.3℃/100m）超过5000m的深井井底温度就很可能超过200℃，并且伴随巨厚盐膏层/盐水层等恶劣地质环境，在高温高盐（特别是饱和盐）的条件下，传统的抗高温水基钻井液用处理剂特别是降滤失剂效果大幅降低、甚至失效，造成事故频发、影响正常钻进。针对抗高温抗盐降滤失剂的迫切需求，近年来科研人员开发了一些聚合物类抗高温抗盐降滤失剂[1-8]，这些降滤失剂在抗高温抗盐方面都具有较好的效果。这些降滤失剂大多采用水相聚合法合成，该方法存在反应时间长、聚合过程易飞温、产物烘干分子量易增大和干燥过程耗能较高等问题。采用苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵作为反应单体，通过爆聚法合成抗盐抗高温降滤失剂，该方法具有反应便捷、爆聚一次固化成型和节能环保等特性；利用热重分析（TG）和红外光谱（FTIR）对合成样品进行表征，并利用合成样品配制饱和盐水膨润土浆，进行流变性和高温高压滤失性能测定。

1 实验部分

1.1 实验原料

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS），工业品；苯乙烯磺酸钠（SSS），工业品；丙烯酰胺（AM），工业品；二烯丙基二甲基氯化铵（DMDAAC）65%水溶液，工业品。膨润土原矿，工业品；氯化钠，分析纯；甲酸，分析纯。过硫酸铵，分析纯；亚硫酸氢钠，分析纯。

1.2 制备方法

1）降滤失剂WS-1的制备。称取28.4 g AM （0.4mol）和41.4 g AMPS（0.2mol），分别倒入盛有20 g水的500mL烧杯中，搅拌状态下加入37.3 g DMDAAC（65%）（0.15mol），继续不断搅拌，同时加入24 g氢氧化钠溶液（30%），搅拌直至完全溶解；分别配制还原剂溶液（0.4 g亚硫酸氢钠+ 2 g水）和氧化剂溶液（0.2 g过硫酸铵+2 g水）；单体物料溶液在快速搅拌状态下，分别加入还原剂和引发剂，搅拌直至溶液反应变稠发生爆聚反应。

2）降滤失剂WS-2的制备。称取28.4 g丙烯酰胺（0.4mol）和41.2 g 苯乙烯磺酸钠（0.2mol），分别倒入盛有50 g水的500mL烧杯中，搅拌状态下、加入37.3 g二甲基二烯丙基氯化铵（65%）（0.15mol），搅拌直至完全溶解；分别配制还原剂溶液（0.4 g亚硫酸氢钠+2 g水）和氧化剂溶液（0.2 g过硫酸铵+2 g水）；单体物料溶液于95℃水浴快速搅拌状态下，分别加入还原剂和引发剂，继续搅拌直至溶液反应变稠发生爆聚反应。

1.3 物性表征

采用美国Waters公司410型凝胶色谱（GPC）对试样分子量进行测定；采用美国赛默飞世尔科技公司NICOI ET iS10型红外光谱仪对试样进行红外光谱分析；采用日本理学Rigaku TG8120型热重分析仪，在N2保护、升温速率为10℃/min条件下，测定试样热稳定性。

1.4 性能评价

1.4.1 基浆配制

为了避免市售钠基膨润土可能存在添加剂的影响，实验自行制备4%提纯钠基膨润土浆，配制过程如下：①称取1500g膨润土原矿和9000mL水置于12 L搅拌桶中，搅拌5 h至分散；②分别用100目筛和200目筛过滤，去除砂质颗粒物，然后将膨润土浆倒回搅拌桶，加入45g无水碳酸钠，搅拌进行凝胶化；③称取37.77g膨润土浆，105℃烘干8h，称得干状钠基膨润土3.79 g，计算膨润土浆钠基膨润土含量；钠基膨润土含量为3.79/37.77×100%=10.03%；④称取5000g提纯钠基膨润土浆，加入7500g水，搅拌30min至分散均匀，既得4%提纯钠基膨润土浆。

1.4.2 性能评价

称取416 g淡水基浆，加入12 g降滤失剂样品，高速搅拌30min，加入140gNaCl，高速搅拌30min，测定钻井液体系流变性，之后高温热滚16 h，测定高温高压滤失性能。

2 结果与讨论

2.1 红外谱图

图1为降滤失剂WS-1和WS-2的红外谱图。3439 cm-1和1667 cm-1为降滤失剂WS-1中N—H和C=O的伸缩振动特征峰；1457 cm-1为降滤失剂WS-2中苯环C=C伸缩振动特征峰； 1190 cm-1和1043 cm-1为—SO3-的特征吸收峰；1300 cm-1为季铵基团中C—N伸缩振动特征峰；2920 cm-1为分子碳链中—CH2伸缩振动特征峰；1541 cm-1为 —NH弯曲振动特征峰。红外谱图说明降滤失剂的合成反应完全。

图1 降滤失剂WS-1和WS-2的红外谱图

2.2 热稳定性

图2 和图3分别为降滤失剂WS-1和WS-2的TGA和DTG热分析曲线。

图2 降滤失剂WS-1的TGA和DTG热分析曲线

图3 降滤失剂WS-2的TGA和DTG热分析曲线

如图2所示，在室温至270℃范围内，TGA和DTG曲线平缓，热重损失在5%左右，说明降滤失剂WS-1在270℃范围内具有良好的热稳定性；270～450℃为降滤失剂WS-1的主要分解温度。如图3所示，在室温至310℃范围内，TGA和DTG曲线平缓，热重损失在5%左右，说明降滤失剂WS-2在310℃范围内具有良好的热稳定性；310～470℃为降滤失剂WS-1的主要分解温度。由图2和图3可以看出，结合降滤失剂的制备及聚合反应式，说明在分子骨架中利用苯乙烯磺酸钠代替2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸合成降滤失剂具有更好的抗温性能，热分解温度高达310℃。

2.3 分子量测定

分析图4、图5和表1的分子量测定结果可以看出，降滤失剂WS-1的分子量分布较集中，分布指数为1.3，重均分子量为105 179；降滤失剂WS-2的分子量分布较宽泛，分布指数为2.4，重均分子量为172 562；结合降滤失剂合成条件，降滤失剂WS-1合成单体反应活性高，常温就能激发爆聚反应，反应形成的分子量相对集中，且分子量较小；降滤失剂WS-2合成单体苯乙烯磺酸钠反应活性低、反应条件苛刻，需要在高温下才能激发爆聚反应，而且反应过程较长，形成的分子量分布较宽泛，且分子量较大。

表1 降滤失剂WS-1和WS-2的分子量测定结果

图4 降滤失剂WS-1的分子量测定曲线

图5 降滤失剂WS-2的分子量测定曲线

2.4 性能测定

表2为降滤失剂WS-1和WS-2的流变性和高温高压滤失性能测定结果。可以看出，降滤失剂WS-1和WS-2在220℃范围内均具有良好的抗温抗盐流变性能和高温高压滤失性能，说明低于极限温度、在200℃时，降滤失剂WS-1的降滤失效能高；接近极限温度、在220℃时，降滤失剂WS-2的高温稳定性好、降滤失效能高，这与热重分析测定结果一致。在高温高盐环境下，降滤失剂WS-1和WS-2配制的钻井液均具有良好的流变性。降滤失剂WS-1和WS-2在高盐高温环境下之所以具有良好的流变性，是因为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）和苯乙烯磺酸钠（SSS）合成单体的引入，AMPS分子中具有大支链基团，SSS分子中具有刚性的苯环结构，而且分别在降滤失剂WS-1和WS-2中起到抑制分子链段高温振动分解，提升降滤失剂抗温性能的作用；AMPS和SSS分子中均含有磺酸基团，磺酸基团通过其磺酸基与黏土颗粒八面体上的羟基形成氢键而发生吸附，稳定膨润土的空间网状结构，抑制盐对膨润土结构的破坏作用。