AM/MAA/AMPS三元共聚物的室內(nèi)研究

王正良,丁 濤,王曉娟,余維初 (長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖北荊州434023)

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS)是一種丙烯酰胺衍生物,分子結(jié)構(gòu)中含有不飽和雙鍵和親水性極強(qiáng)的磺酸基團(tuán),具有強(qiáng)陰離子性和良好的聚合活性,既可以發(fā)生自聚合,也可以與其他單體發(fā)生共聚反應(yīng)。AMPS常與其他單體或大分子聚合物進(jìn)行接枝共聚,形成的AMPS共聚物具有很多特殊性能,可廣泛用于涂料、印染、塑料、水處理和油田化學(xué)領(lǐng)域。隨著石油勘探的發(fā)展以及鉆井深度的增加,高溫對鉆井液的影響顯得越來越顯著[1],具體表現(xiàn)是使鉆井液中高分子聚合物降解,導(dǎo)致鉆井液粘度、切力降低,攜帶懸浮巖屑困難,嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致處理劑失效[2]。鑒于上述情況,研制一種在一定溫度下仍具有較好增粘和降濾失效果的處理劑就顯得尤為重要。為此,筆者在室內(nèi)以AM、MAA和AMPS等為主要原料合成了三元共聚物CFL,并對其作為處理劑在鉆井液中的性能進(jìn)行了系統(tǒng)評價。

1 試驗部分

1.1 主要原料

甲基丙烯酸 (分析純,代號MAA);2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS),丙烯酰胺 (AM),兩者均為工業(yè)品;過硫酸銨 (分析純);亞硫酸氫鈉 (分析純);氫氧化鈉 (分析純);生石灰 (工業(yè)品)。

1.2 主要儀器

JA2103N型電子天平 (上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司);JJ-1型增力電動攪拌器 (江蘇金壇市城西曉陽電子儀器廠);XCA-80001型電熱鼓風(fēng)干燥箱 (天津市華北實驗儀器有限公司);GJS-B12K型變頻高速攪拌器、ZNN-D6S型六速旋轉(zhuǎn)粘度計、ZNS-5A型API中壓失水儀、ZNNGGS42-2A型高溫高壓濾失儀和XGRL-4型高溫滾子加熱爐 (青島海通達(dá)專用儀器廠)。

1.3 合成方法

在反應(yīng)器中,依次加入甲基丙烯酸 (MAA)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS)、丙烯酰胺 (AM)等反應(yīng)單體,再加入氫氧化鈉或生石灰,調(diào)節(jié)pH值為5～7.5,整個過程中通入氮氣以除去水溶液中溶解的氧,加熱使體系溫度達(dá)到30～50℃,加入0.1%～0.2%的引發(fā)劑 (過硫酸銨、亞硫酸氫鈉)即可發(fā)生劇烈反應(yīng),生成一種白色凝膠狀產(chǎn)物,經(jīng)切片、烘干、粉碎,得到多元共聚物,產(chǎn)品代號為CFL。

2 性能評價

2.1 CFL在淡水基漿中的性能

預(yù)先配制3%淡水漿,分別加入不同加量的CFL,攪拌均勻后測其流變性能及API失水,試驗結(jié)果如表1所示。

表1 CFL對淡水鉆井液性能的影響

由表1可知,CFL在淡水漿中具有良好的降濾失作用,而且隨著CFL加量的增加,降濾失效果越來越明顯,當(dāng)CFL加量1.5%時,降濾失率可達(dá)68%以上。這是由于CFL陰離子基團(tuán)在粘土礦物晶層表面形成吸附水化膜,并且CFL是一種高分子聚合物,在鉆井液體系中能形成一種連續(xù)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),因而具有一定的增粘作用。此外,淡水漿中加入不同量的CFL后,粘度、切力都有所增加[3]。

2.2 CFL的抗鹽性能

預(yù)先配制3%淡水漿,加入1.5%CFL并攪拌均勻,然后分別加入5%、10%、15%、20%、25%和35%NaCl,使其充分溶解后測其流變性能及API失水,試驗結(jié)果如表2所示。

由表2可知,CFL具有優(yōu)良的抗鹽能力,當(dāng)CFL加量為1.5%時,抗鹽可達(dá)飽和。隨著NaCl加量的增加,起初濾失量略有增加,當(dāng)NaCl加量10%以上時,隨其加量的增加,濾失量呈明顯下降趨勢。其原因是NaCl加量增加使CFL在粘土顆粒表面的吸附量增大,CFL的吸附包被能力增強(qiáng),從而使濾失量進(jìn)一步變小[4]。隨著NaCl加量的增加,會壓縮粘土表面的雙電層,使粘土分散能力下降,因而鉆井液的粘度、切力有適當(dāng)下降,但鉆井液仍能保持較好的流變性能。

2.3 CFL的抗鈣性能

預(yù)先配制3%淡水漿,加入1.5%CFL并攪拌均勻,然后分別加入0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和5.0%的CaCl2,繼續(xù)攪拌均勻后,測其流變性及API失水,試驗結(jié)果如表3所示。

表2 CFL在鉆井液中的抗鹽性能

表3 CFL在鉆井液中的抗鈣性能

由表3可知,CFL具有優(yōu)良的抗鈣能力。當(dāng)CFL加量為1.5%的條件下,CaCl2加量大于1.0%時,濾失量呈下降趨勢,尤其是當(dāng)CaCl2加量為5.0%時,濾失量僅為6.8ml。其原因是CFL中的—SO2-3 基團(tuán)和―COO-基團(tuán)具有很強(qiáng)的絡(luò)合作用,能抗高價電解質(zhì)[5]。由于二價鈣鹽也會壓縮粘土表面雙電層,使鉆井液的粘度、切力適當(dāng)下降。

2.4 CFL的抗溫性能

將加有CFL的鉆井液在150℃條件下熱滾16h后,測其流變性及API失水,試驗結(jié)果如表4所示。

由表4可知,加有CFL的鉆井液在150℃條件下熱滾16h后,濾失量變化很小,流變性良好,說明CFL在鉆井液中有較好的抗溫性能。這是由于合成的CFL高分子聚合物中含有親水性強(qiáng)的―SO2-3基團(tuán) (抗溫去水化小)、結(jié)構(gòu)中含有很多穩(wěn)定性強(qiáng)的C—C、C—N和C—S鍵的緣故。

表4 CFL在鉆井液中的抗溫性能

3 結(jié) 論

1)以甲基丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸等為基本原料合成了一種多元共聚物CFL。

2)CFL具有良好的降濾失作用和增粘效果,在3%淡水漿中CFL加量1.5%時,API濾失量僅8.2ml,降濾失率可達(dá)68%以上,同時還具有一定的增粘作用。

3)CFL具有非常好的抗鹽、抗鈣能力及較好的抗溫能力。當(dāng)CFL加量為1.5%時,抗鹽可達(dá)飽和,抗鈣大于5%,抗溫大于150℃,可用作深井高溫鉆井液中的增粘降濾失劑。

[1]王顯光,楊小華,王琳,等.國內(nèi)外抗高溫鉆井液降濾失劑研究與應(yīng)用進(jìn)展 [J].中外能源,2009,14(4):37～42.

[2]鄢捷年.鉆井液工藝學(xué) [M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2006.

[3]徐同臺.深井泥漿[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994.

[4]周玲革,王正良.JHG復(fù)合離子型共聚物的研究[J].湖北化工,2000,17(6):16～18.

[5]李卓美.高分子泥漿降失水劑的分子結(jié)構(gòu)與其耐鹽性能的關(guān)系(I)[J].油田化學(xué),1986,3(1):22～24.