反相乳液聚合法制备钻井液抗温增黏提切剂及其性能评价

肖沣峰，冯学荣，温建泰，陈璐鑫，夏成宇

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻井液技术服务公司，四川 成都 610051；2.中国石油大学(北京)石油工程学院，北京 102249；3.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

随着石油勘探开发向深层拓展，井底温度越来越高，这对钻井液增黏提切剂的抗温性能提出了更高要求。但常用的钻井液增黏提切剂如黄原胶、聚丙烯酰类等耐温抗盐能力较差，不能满足高温深井钻井液的携岩要求[1-4]。为进一步提高增黏提切剂的耐温抗盐能力，人们通过使用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸等耐温单体，研制了多种抗温增黏提切剂，取得了较好的抗温增黏效果[5-8]。但这些增黏提切剂多为通过水溶液聚合法制备的粉状产品，由于增黏提切剂相对分子质量较高，使用过程中粉状产品的溶解速度较慢，难以直接加入到钻井液中，而通过配置胶液使用则存在费时费力的问题[9-10]。与常用的水溶液聚合法相比，反相乳液聚合法产物具有固含高、溶解性好、后续处理方便等优点[11-13]，具有良好的推广前景，但在增黏提切剂方面还鲜见报道。

有鉴于此，笔者选用2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸(AMPS)、功能单体(SST)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)等单体，通过反相乳液聚合法制备抗温增黏提切剂，采用红外光谱、乌式黏度计等多种仪器对增黏剂进行了表征，并评价了其抗温增黏性能和携岩性能。

1 实 验

1.1 主要材料及仪器

AMPS、DMAM，工业品；NVP、SST、2,2′-偶氮二异丁基脒二盐酸盐(AIBI)、氢氧化钠，氯化钠、无水乙醇，分析纯。

TENSOR型傅里叶红外光谱仪，非稀释型乌氏黏度计，ZNN-D6型六速旋转黏度计，高温滚子炉。

1.2 增黏提切剂的制备

将一定量的Span-80加入到装有200 mL白油的三口烧瓶中，搅拌均匀后得到油相物料；将9.5 g DMAM、2.5 g AMPS、5.5 g NVP、2.5 g功能单体SST和2 g 十二烷基硫酸钠加入到50 mL蒸馏水中，用20%NaOH水溶液调节单体混合液的pH值至中性，得到水相物料；在600 r/min的搅拌速率下，将水相物料滴加到装有油相物料的三口烧瓶中，持续搅拌30 min，得到反应乳液。通N2除氧30 min，升温至60 ℃，加入40 mg偶氮二异丁基脒盐酸盐，反应5 h，向反应液中加入5.5 g转向剂Tween 80，搅拌10 min，取下层透明混合液，用丙酮洗涤，沉淀，烘干，粉碎，得抗温反相乳液聚合物增黏提切剂(VIS-F)。

1.3 钻井液基浆的配制

1)淡水基浆。使用变频高速搅拌机，在搅拌条件下将3 g纯碱和40 g钠土分散在1 000 mL水中，并在10 000 r/min下搅拌30 min,室温放置养护48 h，即得淡水基浆。

2)盐水基浆。将淡水基浆在室温下密闭养护24 h后加入5%NaCl，在10 000 r/min下搅拌30 min后室温密闭养护24 h，即得盐水基浆。

3)饱和盐水基浆。将淡水基浆在室温下密闭养护24 h后加入36%NaCl，在变频高速搅拌机上于10 000 r/min下搅拌30 min后室温密闭养护24 h，即得饱和盐水基浆。

4)复合盐水基浆。将盐水基浆在室温下密闭养护24 h后加入0.5%CaCl2，在变频高速搅拌机上于10 000 r/min下搅拌30 min后室温密闭养护24 h，即得复合盐水基浆。

1.4 携岩性能模拟评价

采用大斜度井井眼净化模拟实验装置[14]对VIS-F的携岩性能进行评价。试验中模拟机械钻速5 m/s，由于使用膨润土配浆后，无法观察岩屑运移现象，所以当实验稳定后，通过称量环空中的岩屑质量计算实岩屑携带效率来评价钻井液的携岩能力。

2 结果与讨论

2.1 正交实验

以A(油水比)、B(乳化剂用量，%)、C(引发剂用量，%)、D[n(AMPS)∶n(NVP)∶n(DMAM)∶n(SST)]、E(反应温度/℃)为考察因素，根据180 ℃高温老化后，增黏提切剂在钻井液基浆中的增黏效果为考察指标，采用L16(45)正交表进行实验。因素水平见表1,正交实验数据及处理结果见表2。其中，钻井液配方为3%基浆+1%增黏提切剂+0.3%无水亚硫酸钠。

表1 因素水平表

表2 L16(45)正交实验数据及处理结果

从表2可见，影响处理剂抗温增黏性能的因素排序为：单体摩尔比>油水比>反应温度>引发剂用量>乳化剂用量。处理剂的最优制备条件为A3B3C4D3E1,即：油水比1∶1，乳化剂用量6%、引发剂用量0.3%、n(AMPS)∶n(NVP)∶n(DMAM)∶n(SST)=6∶1∶3∶1、反应温度50 ℃。3次验证结果表明,180 ℃高温老化后，增黏提切剂在钻井液基浆中的黏度分别为25.375,22.875,23.375 mPa·s。

2.2 增黏提切剂的红外光谱表征

VIS-F的红外光谱如图1所示。

图1 增黏提切剂VIS-F的红外光谱

由图1可见，AMPS中磺酸基团的特征峰在1 035.97 cm-1和1 203.61 cm-1处；—CH和—CH2的弯曲振动峰在1 447.92 cm-1和1 539.84 cm-1处，2 928.05 cm-1处为长链疏水单元中—CH2的伸缩振动峰；1 656.89 cm-1处为吡咯烷酮环中CO的伸缩振动峰，1 309.77cm-1处为吡咯烷酮环的—C—N—伸缩振动峰；3 430.94 cm-1处为酰胺基团中N—H的伸缩振动峰。综上，聚合物分子中含有磺酸基、吡咯烷酮环和长碳链疏水基等基团，为目标聚合物。

2.3 黏均相对分子质量的测定

2.4 增黏提切剂的性能

2.4.1 抗温性能

表3为增黏提切剂在不同类型钻井液基浆中的增黏提切性能。由表3可知:室温下，VIS-F在不同类型的钻井液基浆中均具有良好的增黏提切作用，其增黏提切效果明显优于80A51；180 ℃高温老化后，VIS-F在淡水、盐水钻井液基浆中的粘切保持率达76%以上，160 ℃高温老化后，VIS-F在饱和盐水、复合盐水钻井液基浆中的粘切保持率达70%以上。测试结果表明，VIS-F具有良好的抗高温、抗盐增黏性能，其抗温增黏提切性能优于80A51。

表3 VIS-F在不同类型钻井液中的增黏提切性能

通过分析VIS-F的分子结构可知，聚合物分子中含有大量的AMPS单元和DMAM单元，这两种单元的引入可提高聚合物分子链刚性，提高聚合物的耐温性。同时，AMPS链节中的磺酸基为具有优良抗温抗盐性能的强水化基团，能提高聚合物的水溶性；DMAM链节中的酰胺基对黏土具有较强的吸附性，能提高聚合物对黏土的护胶能力。VIS-F的分子中NVP单元为五元环状结构，能进一步增加聚合物链刚性和热稳定性。功能单体中的缔合基团具有很强的缔合增黏作用，有利于提高其增黏提切能力，保持钻井液在高温下的结构力。

2.4.2 携岩性能

由于受到现场泥浆泵功率限制，钻井液的环空返速较低，所以在携岩模拟实验中采用了较低的钻井液排量。表4为含有增黏提切剂实验浆的携岩性能、图2～图4为增黏提切剂在不同条件下的携岩性能。试验中基本条件如下：偏心度0，岩屑粒径2 mm，环空返速0.25 m/s，井斜角55°，钻杆转速80 r/min。通过单因素实验考察了井斜角、钻杆转速及环空返速等条件对井眼净化能力的影响。考察某一因素影响时，保持其他条件不变。

由表4可知，含有VIS-F的1#实验浆的粘切参数明显高于2#实验浆，因此理论上具有更好的携岩性能。由图2～图4可见，在相同钻杆转速、钻井液排量、井斜角等条件下，1#实验浆对模拟环空中的岩屑携带效率均比2#更高，因此，1#实验浆比2#钻井液的携岩能力更强。

表4 携岩模拟试验用钻井液配方和性能

图2 钻杆转速与岩屑携带效率的关系

图3 井斜角与岩屑携带效率的关系

图4 钻井液环空返速与岩屑携带效率的关系

另外，由图2可见，随着钻杆转速的增加，实验浆对岩屑的携带效率明显升高，钻井液的携岩能力显著增强。这是因为钻杆转动会增加环空的扰动作用，使得环空流体产生了切向速度，给岩屑颗粒提供一个旋转举升力，使环空岩屑更容易达到悬浮流动。

从图3可见，随井斜角的增加，钻井液对环空岩屑的携岩效率呈降低趋势。当井斜角高于75°时，实验浆对岩屑的携带效率明显降低。以1#实验浆为例，当井斜角为75°时，环空岩屑床质量最大为3.83 kg；当井斜角升高至90°时，环空岩屑床质量为5.63 kg。该井斜角升高过程对钻井液岩屑携带效率的降低率达8%，非常不利于钻井液的携岩作用。

由图4可知，实验浆对岩屑的携带效率随着环空返速的增大而增加，且存在一个临界流速。当环空返速高于 0.3 m/s时，环空岩屑床质量明显降低，实验浆对岩屑的携带效率明显提高，因此提高钻井液环空返速更加有利于岩屑运移。

3 结 论

a.采用反相乳液聚合法制备了钻井液抗温增黏提切剂VIS-F，最优制备条件为：n(AMPS)∶n(NVP)∶n(DMAM)∶n(SST)=6∶1∶3∶1，油水比1∶1，反应温度50 ℃，引发剂用量0.3%，乳化剂用量6%。

b.钻井液抗温增黏提切剂VIS-F在各类钻井液基浆中的抗温效果优良，其中：VIS-F在淡水、盐水钻井液基浆中可抗180 ℃高温；VIS-F在饱和盐水、复合盐水钻井液基浆中可抗160 ℃高温，其抗温增黏提切性能优于国内同类代表性处理剂80A51。VIS-F在钻井液基浆中的携岩效果优良，在低环空排量条件下，含有增黏提切剂VIS-F的钻井液对环空岩屑的携带效率最高可达85%以上。