抗高温抑制性有机硅降滤失剂的合成与评价

刘喜亮

（中海油田服务股份有限公司湛江分公司，广东湛江 524057）

浅部地层油气资源的日益枯竭，促使勘探与开发工作重点向深部地层油气资源转移[1]。在深井、超深井（塔里木、四川、渤海湾等）钻探过程中，由于地温梯度大（超过2.5 ℃/100m），垂深越大，储层温度越高[2]，以及钻井液在井筒内停留时间长，使钻井液处理剂在高温条件下易出现分子链断裂、功能性基团变异或脱落[3]，导致处理剂无法保证钻井液流变携岩性能、抑制性以及护壁性能[4，5]。井壁失稳是深井钻井作业中最为常见的难题之一，由于钻井液体系在高温下滤失量大，渗入孔喉中导致岩石孔隙压力增大，弱化了钻井液对井壁的有效支撑，且以水为主要成分的滤液未能有效地抑制井壁岩石水化膨胀，进而改变井壁应力分布，易造成井壁失稳，严重时可导致钻井失败[6]。基于此，笔者以AM、SSS、DMC、硅烷偶联剂A171 为聚合单体制备了一种抗高温抑制性两性离子有机硅降滤失剂，以期满足高温、易水化地层的钻井要求。

1 实验部分

1.1 主要原料

丙烯酰胺（AM）、苯乙烯磺酸钠（SSS）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）、乙烯基三甲氧基硅烷（A171）、Na2CO3、NaOH、无水乙醇、（NH4）2S2O8及NaHSO3（分析纯国药集团化学试剂公司）。

1.2 合成方法

量取200 mL 去离子水，加入装有搅拌器、冷凝管的三口烧瓶中，依次加入25 g AM、8 g SSS 以及一定量的DMC，采用NaOH 固体调节溶液的pH 值至7，将装有溶液的三口烧瓶置于恒温水浴锅中加热至一定温度，通氮气30 min 后，加入（NH4）2S2O8-NaHSO3（质量比为1:1，下同）和一定量的A171，恒温搅拌条件下反应5 h 后，得到粗产物，通过减压蒸馏、无水乙醇洗涤后，烘干得到固体粉末，即得有机硅降滤失剂。

1.3 基浆配制及钻井液性能测试

基浆配制：装有400 mL 淡水的高搅杯中分别加入1.2 g Na2CO3、14 g 纳基膨润土、在高速搅拌器下搅拌30 min 左右，置于密闭容器中养护24 h 后即制得淡水基浆。将有机硅降滤失剂加入上述基浆中，高速搅拌30 min 后，即得钻井液，将钻井液热滚温度、时间定为180 ℃、16 h，并测其热滚前后的流变性能以及热滚后FLAPI、FLHTHP，具体参考GB/T 16783-2014。

2 结果与讨论

2.1 合成条件对共聚物降滤失性能的影响

2.1.1 DMC 加量对共聚物降滤失性能的影响 反应条件为：AM、SSS、A171、引发剂加量分别为25 g、8 g、3 g、0.1 g，反应温度为60 ℃，反应时间为5 h，改变DMC 加量，制备有机硅降滤失剂。在基浆中加入2%有机硅降滤失剂，考察其对共聚物降滤失性能的影响，结果（见图1）。

图1 DMC 加量对共聚物降滤失性能的影响

从图1 可知，随着共聚物中DMC 含量增加，提高了共聚物的季铵阳离子含量，可通过静电吸引作用先于水分子吸附到黏土颗粒表面，提高了黏土颗粒的稳定性，使黏土颗粒富有弹性易于变形，堵塞能力增强，降低了热滚后的钻井液FLAPI，共聚物中DMC 含量进一步增加，阳离子对黏土颗粒的絮凝能力增强，致使钻井液滤失量增大，当DMC 加量为7 g 时，其滤失量最小。

2.1.2 A171 加量对共聚物降滤失性能的影响 反应条件为：AM、SSS、DMC、引发剂加量分别为25 g、8 g、7 g、0.1 g，反应温度为60 ℃，反应时间为5 h，改变A171加量，制备有机硅降滤失剂。在基浆中加入2%有机硅降滤失剂，考察其对共聚物降滤失性能的影响，结果（见图2）。

图2 A171 加量对共聚物降滤失性能的影响

从图2 可知，随着共聚物中A171 含量增加，提高了共聚物的Si-OH 含量，该基团与黏土表面的羟基发生缩聚反应形成Si-O-Si 键，属于化学吸附，该化学吸附能大于物理吸附能（分子间作用力、氢键、静电吸引作用力），该键能大于400 kJ/mol，在高温下不易断裂[7]，可有效地防止黏土聚集，形成稳定的网架结构，达到降滤失的目的。当A171 加量为4 g 时，其FLAPI仅为8.2 mL，当聚合物分子中有机硅的含量进一步增加，此时对高温下钻井液网架结构的热稳定性影响较小。

2.1.3 反应温度对共聚物降滤失性能的影响 反应条件为：AM、SSS、DMC、A171、引发剂加量分别为25 g、8 g、7 g、4 g、0.1 g，反应时间为5 h，改变反应温度，制备有机硅降滤失剂。在基浆中加入2%有机硅降滤失剂，考察其对共聚物降滤失性能的影响，结果（见图3）。

从图3 可知，随着反应温度的提高，使钻井液滤失量先降低后增大，其原因为温度升高促使引发剂释放自由基的含量增大，有利于聚合反应的进行，当反应温度超过60 ℃，引发剂释放自由基过高，增大了自由基相互终止的概率[8]，降低了共聚物相对分子质量，造成钻井液滤失量增大。因此，将反应温度定为60 ℃。

图3 反应温度对共聚物降滤失性能的影响

2.1.4 引发剂加量对共聚物降滤失性能的影响 反应条件为：AM、SSS、DMC、A171 加量分别为25 g、8 g、7 g、4 g，反应温度为60 ℃，反应时间为5 h，改变引发剂加量，制备有机硅降滤失剂。在基浆中加入2%有机硅降滤失剂，考察其对共聚物降滤失性能的影响，结果（见图4）。

从图4 可知，随着引发剂增加，使钻井液滤失量先降低后增大，其原因为引发剂含量过高或过低，均使降滤失剂相对分子质量降低，不利于其降滤失效果。当引发剂加量为0.12 g 时，其滤失量仅为7.6 mL。

图4 引发剂加量对共聚物降滤失性能的影响

考察聚合物合成中的单体、引发剂加量变化以及反应温度变化，最佳合成条件为：AM、SSS、DMC、A171、引发剂加量分别为25 g、8 g、7 g、4 g、0.12 g，溶液pH 值为7，反应时间为5 h，反应温度为60 ℃，制备有机硅降滤失剂。

2.2 降滤失剂对钻井液性能的影响

在基浆中加入不同浓度的有机硅降滤失剂，热滚前后的钻井液性能（见表1）。

表1 降滤失剂加量对钻井液性能的影响

从表1 可知，随着降滤失剂含量增加，使滤失量降低。从钻井液热滚前后黏度、切力变化来看，降滤失剂通过化学、物理作用吸附在黏土颗粒表面，形成稳定的网架结构，在高温下性能稳定，可有效地分散黏土颗粒，降滤失剂分子中含有刚性基团（苯环），提高分子热运动阻力[9]，使其具有抗高温性能，降滤失剂中的功能基团使黏土颗粒富有弹性易于变形，堵塞泥饼孔隙，降低泥饼渗透率。对比基浆，不同加量的降滤失剂使钻井液滤失量降低率均超过85%，说明该降滤失剂具有良好的抗高温性能以及降滤失性能。

2.3 降滤失剂的抑制性能评价

通过页岩滚动回收率实验评价有机硅降滤失剂的抑制性能。在加入不同浓度梯度（0%、1%、2%、3%）有机硅降滤失剂的基浆中，分别加入50 g 6～10 目的页岩，装入老化罐中，温度为100 ℃下热滚16 h，用40 目的筛回收页岩，并干燥至恒重，称其质量，计算其热滚回收率[10]，结果（见表2）。

表2 抑制性能评价

从表2 可知，随着有机硅降滤失剂含量增加，页岩在钻井液中的滚动回收率逐渐增大。当钻井液中的有机硅降滤失剂含量为1%时，页岩的滚动回收率超过90%，表现出良好的抑制性能，其原因为：有机硅降滤失剂含有阳离子以及硅羟基，通过静电作用以及化学缩合作用使降滤失剂分子吸附在页岩表面，且形成疏水层，阻止水分子进入页岩内部，季铵根离子直径与页岩硅氧四面体片中的六方网格结构内切圆直径接近，季铵根离子进入晶层后，使晶层联结更加紧密[11]，有效地抑制了页岩的水化分散。

3 结论

（1）以AM、SSS、DMC、A171 为聚合单体，采用自由基水溶液聚合方式合成了抗高温抑制性两性离子有机硅降滤失剂，最佳合成条件为：AM、SSS、DMC、A171、引发剂加量分别为25 g、8 g、7 g、4 g、0.12 g，溶液pH 值为7，反应时间为5 h，反应温度为60 ℃。

（2）降滤失剂通过化学、物理作用吸附在黏土颗粒表面，形成稳定的网架结构，在高温下性能稳定，降滤失剂中的功能基团使黏土颗粒富有弹性易于变形，堵塞泥饼孔隙，降低泥饼渗透率，另外，季铵根离子进入晶层后，使晶层之间联结更加紧密，有效地抑制了页岩的水化分散。