新型抗高温降滤失剂GDF-1的研制及性能评价

2021-02-21周国伟邱正松钟汉毅赵欣张伟狄明利

应用化工 2021年12期

周国伟，邱正松，钟汉毅，赵欣，张伟，狄明利

(1.非常规油气开发教育部重点实验室中国石油大学(华东)，山东青岛 266580；2.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东青岛 266580；3.中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北三河 065201； 4.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部深圳作业公司，广东深圳 518000)

随着油气勘探开发的不断深入，井底温度也随之不断升高，原有钻井液处理剂不能有效满足环保安全高效钻井的需要[1]。在较高的温度下，钻井液降滤失剂，尤其是天然高分子类极易发生高温降解，使钻井液性能恶化[2-4]。天然高分子类降滤失剂环保性能和降滤失效果好，但抗温能力较差，使用温度一般不高于140 ℃[5]。在环保法规日益严苛的环境下，研发抗温性能优良的环保类降滤失剂仍然是十分重要的研究方向[6]。为此，本文通过引入硅藻土对淀粉进行改性，在提高淀粉类降滤失剂抗温性能的同时，减弱对钻井液流变性能的影响。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

淀粉、丙烯酰胺、丙烯酸、N’N-亚甲基双丙烯酰胺、硅藻土、过硫酸铵、氢氧化钠、无水乙醇均为分析纯。华潍钠基膨润土，由潍坊华潍膨润土有限公司提供。

NEXUS-870型傅里叶红外光谱仪；ZEISS sigma300型扫描电子显微镜；TG209-F3型热重分析仪；Bettersize 2000激光粒度分析仪； ZNN-D6型六速旋转粘度计；SD-4型API滤失仪；XGRL-4A型高温滚子炉。

1.2 实验方法

1.2.1 GDF-1的制备取一定量的玉米淀粉分散于去离子水中，80 ℃下糊化30 min后冷却至室温；将硅藻土、丙烯酸、丙烯酰胺、N’N-亚甲基双丙烯酰胺加入三口烧瓶中，通氮气并55 ℃下搅拌30 min；然后加入引发剂过硫酸铵，反应一定时间，将产物用氢氧化钠调节pH为中性，加入乙醇使产物析出，并清洗，45 ℃下真空干燥，并研磨粉碎，即得到新型抗高温改性淀粉降滤失剂GDF-1。

1.2.2 GDF-1对钻井液性能的影响实验根据GB 16783.1—2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》实验标准，对加入GDF-1前后的实验浆进行测试，评价GDF-1对钻井液性能的影响[7-9]。

2 结果与讨论

2.1 GDF-1的结构表征

2.1.1 红外光谱分析采用NEXUS红外光谱分析仪，通过KBr压片法测试GDF-1的红外光谱，红外光谱分析实验结果见图1。

图1 典型处理剂的红外光谱曲线Fig.1 Infrared spectrum curve of typical treatment agent

2.1.2 热重分析采用热重分析仪，分析GDF-1几种材料的热稳定性，结果见图2。

图2 不同材料的热重TG曲线Fig.2 TG curves of different materials

由图2可知，硅藻土在600 ℃以下重量几乎未发生损失，重量损失率仅为0.91%，为自由水及少量有机质的分解。聚丙烯酸钠质量损失分为2段[11-13]，第1阶段为部分自由水和小分子的降解，最大质量损失速率在443.68 ℃，该阶段主要是聚合物主链的解聚，即主链在受热情况下C—C键发生无规则断裂，最终的质量损失率为46%。玉米淀粉质量损失分为两段，第1阶段为自由水的损失，最大质量损失速率在71.5 ℃，第2阶段主要是淀粉分子链的断裂，开始分解温度为298.7 ℃，最大质量损失率在317.70 ℃，最终的质量损失率为88%。GDF-1的质量损失分为2段，第1段为自由水的损失，最大质量损失速率在66.0 ℃；第2段为淀粉分子的分解及接枝单体分子链的分解，开始分解温度为317.01 ℃，最大质量损失率在339.78 ℃。GDF-1的抗温性能优于玉米淀粉，同时，玉米淀粉的分解温度范围小，仅为80 ℃左右，而GDF-1的分解温度范围变大，为150 ℃，说明改性也增大了GDF-1的温度适用范围。

2.1.3 微观结构将GDF-1配成1%的水溶液，利用API滤失实验仪压制聚合物泥饼，采用真空冷冻干燥的方法，将聚合物泥饼冷冻干燥，采用扫描电镜观察泥饼的微观结构，结果见图3。

由图3可知，溶于水中的GDF-1在泥饼形成过程中，可以形成网架结构[14]。同时可见部分反应的硅藻土，部分反应的硅藻土可参与泥饼的形成，通过封堵作用降低泥饼滤失量。

图3 GDF-1聚合物泥饼扫描电镜图Fig.3 SEM of GDF-1 polymer mud cake

2.2 GDF-1对钻井液性能的影响

在4%华维钠土实验基浆中加入不同浓度的GDF-1，测试160 ℃热滚16 h前后实验浆的流变性和滤失性能[15]，分析GDF-1对钻井液性能的影响规律。

2.2.1 GDF-1对实验浆流变性能的影响 GDF-1对实验浆流变性能的影响测试结果见表1。

表1 GDF-1对钻井液流变性能的影响评价实验结果Table 1 Effect of GDF-1 on rheological properties of drilling fluid

由表1可知，160 ℃热滚前，当GDF-1浓度较小时，实验浆的表观粘度下降，说明GDF-1可在一定程度上降低实验浆的粘度；随着GDF-1浓度的增大，实验浆的表观粘度有增大的趋势。160 ℃热滚后，加入GDF-1的实验浆与未加入GDF-1的实验浆粘度相近，但动塑比增大。与热滚前相比，热滚后的实验浆粘度均降低，但动塑比增加。加入GDF-1的实验浆，API实验泥饼均较4%华维钠土实验浆薄，说明GDF-1可有效改善泥饼质量。根据表1实验结果，GDF-1对4%华维钠土实验基浆的流变性能影响较小。

2.2.2 GDF-1对实验浆滤失性能的影响 GDF-1对实验浆滤失性能的影响测试结果见图4。

图4 实验浆API滤失量变化图Fig.4 Variation diagram of API filtration of experimental drilling fluid

由图4、图5和表2中数据可知，160 ℃热滚前，实验浆的API滤失量随着GDF-1浓度的增加而减小。GDF-1加量为0.25%时，滤失量降低率可达55%；GDF-1浓度为1%时API滤失量降低率最大达77%；同时，GDF-1的加入降低了泥饼厚度，泥饼厚度降低率超过50%，改善了实验浆形成的泥饼质量。160 ℃热滚后，API滤失量随着GDF-1浓度的增加而减小。GDF-1加量为0.25%时，滤失量降低率可达56%，GDF-1浓度为1%时滤失量降低率最大达79%。与热滚前相比，热滚后的实验浆API滤失量略微升高。

a.4%华维钠土基浆 b.加入1%GDF-1的实验浆图5 API滤失量实验泥饼照片Fig.5 Photos of mud cake in API filtration test

表2 加入不同浓度GDF-1的实验浆API泥饼厚度Table 2 API mud cake thickness of drilling fluid with different concentrations of GDF-1

2.2.3 作用机理探讨

2.2.3.1 吸水作用称取1 g GDF-1，测试其不同时间下的吸水质量随时间的变化，结果见图6。

图6 GDF-1吸水量与时间的关系曲线Fig.6 Relation curve between GDF-1 water absorption and time

由图6可知，GDF-1的吸水量短时间内迅速升高，20 min吸水量可达20.65 g，之后吸水量逐渐趋于平缓，24 h吸水量达32.09 g，吸水达自身重量的32倍。由于GDF-1的分子结构中存在大量的亲水基团，可有效吸附水分子，形成水化膜，降低滤失量。同时，GDF-1吸水后体积膨胀，形成具有一定可压缩性的膨胀颗粒参与泥饼的形成，使泥饼更加致密，降低滤失量。吸附水分子可以束缚水分子向地层运移，同时提高泥饼的压缩性，降低泥饼中的固相含量，有利于降滤失。

2.2.3.2 封堵作用加入不同浓度GDF-1的实验浆粒度分布结果见图7。

图7 不同GDF-1浓度下实验浆热滚前后粒度变化曲线Fig.7 Particle size curve of drilling fluid under different GDF-1 concentrations a.160 ℃热滚前;b.160 ℃热滚后

由图7可知，热滚前由于GDF-1表面的酰胺基、羟基等与黏土颗粒表面的氢键作用，使得GDF-1吸附在黏土颗粒表面，增加黏土颗粒的粒径，表现为粒度分布曲线随着GDF-1浓度的增加而右移。热滚后，黏土颗粒由于高温去水化作用发生一定程度的聚结作用，颗粒变大，粒度分布曲线右移，D50为10.013。而加了GDF-1之后，粒度分布曲线相对空白样左移，表明其细颗粒含量显著高于膨润土基浆。体系中细颗粒含量增加，有利于形成致密的泥饼，降低滤失量。

2.2.3.3 架桥作用将4%华维钠土基浆和加入2%GDF-1的华维钠土基浆API滤失量实验得到的泥饼进行冷冻干燥，观察泥饼的结构，实验结果见图8。