楊小華 李家芬 錢曉琳 王 琳 蘇長明

(中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)

?固井與泥漿?

超高溫聚合物降濾失劑PFL-1的合成及性能評價

楊小華 李家芬 錢曉琳 王 琳 蘇長明

(中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)

針對超深井鉆井對鉆井液的要求,采用氧化-還原體系,通過對含磺酸烯基單體的選擇和單體配比及引發(fā)劑用量的考察,在兼顧聚合物相對分子質(zhì)量和降濾失效果的情況下,確定了聚合物合成的原料配比,在優(yōu)化配方的基礎(chǔ)上合成了一種聚合物降濾失劑PFL-1,對其在鉆井液中的降濾失劑性能進(jìn)行了初步評價,并用傅里葉紅外光譜儀對PFL-1進(jìn)行了紅外光譜分析。結(jié)果表明,PFL-1不僅具有較強(qiáng)的降濾失能力,且其1%水溶液的黏度較低(低于15 mPa·s),在鉆井液中的黏度效應(yīng)小,熱穩(wěn)定性好,抗溫抗鹽能力強(qiáng),用該降濾失劑處理的鉆井液即使經(jīng)過240℃高溫老化后其濾失量仍然較低,與SMC、SMP等具有較好的配伍性。

鉆井液;降濾失劑;共聚物;耐熱性;抗鹽特性;實驗室試驗

超深井鉆井面臨的技術(shù)難題很多,其中井下高溫對鉆井液性能的影響非常嚴(yán)重。采用油基鉆井液及合成基鉆井液是解決井下高溫問題的有效途徑,但油基鉆井液成本高,會對環(huán)境產(chǎn)生一定的污染,且安全風(fēng)險大,而合成基鉆井液雖然對環(huán)境無污染,但是成本太高,因而其大面積應(yīng)用受到限制。因此,能適用于深井、超深井的抗高溫水基鉆井液體系一直受到關(guān)注和重視。而鉆井液處理劑是保證水基鉆井液性能的關(guān)鍵,為此,國內(nèi)外圍繞抗高溫處理劑開展了大量的研究工作[1-4],但目前應(yīng)用的聚合物降濾失劑由于相對分子質(zhì)量高,為了在鹽水鉆井液和高溫條件下起到降濾失作用而提高加量時會使鉆井液黏度增大,給現(xiàn)場應(yīng)用帶來很大麻煩,限制了聚合物處理劑的應(yīng)用。為此,結(jié)合有關(guān)研究工作[5-11],筆者采用丙烯酰胺、丙烯酸和(2-丙烯酰氧)異戊烯磺酸鈉等單體共聚,合成了一種低相對分子質(zhì)量的新型超高溫聚合物降濾失劑。

1 聚合物合成

1.1 原料

丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、(2-丙烯酰氧)異戊烯磺酸鈉(AOIAS)、第四單體、相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑、氫氧化鈉(NaOH),均為工業(yè)品,引發(fā)劑為分析純。

1.2 合成方法

將NaOH溶于適量水中配成溶液,在攪拌下依次加入AM,繼續(xù)攪拌混合液至均勻后加入AA,后加入AOIAS,攪拌使之溶解,視情況加入第四單體,然后加入相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑。用20%NaOH溶液將體系的p H值調(diào)至要求,待溫度達(dá)到要求后加入所需量的引發(fā)劑,在攪拌下反應(yīng)5～15 min,得凝膠狀產(chǎn)物,將所得產(chǎn)物在100℃下烘干粉碎,即得粉末狀抗高溫共聚物降濾失劑PFL-1。其1%水溶液(采用純凈水配制,下同)的表觀黏度為8～15 mPa·s。

2 原料及配方對合成產(chǎn)物性能的影響

在配方研究的基礎(chǔ)上,針對控制產(chǎn)物相對分子質(zhì)量的要求,重點(diǎn)考察了影響產(chǎn)物相對分子質(zhì)量和降濾失效果的因素。

2.1 不同含磺酸基單體對產(chǎn)物水溶液表觀黏度的影響

采用含磺酸基單體共聚可以提高聚合物的抗溫抗鹽能力,但采用不同類型的磺酸單體時產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量有差異,為此,選擇2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 (AMPS)、2-丙烯酰氧-2-甲基丙磺酸(AMOPS)、丙烯酰氧丁基磺酸(AOBS)、(2-丙烯酰氧)異戊烯磺酸鈉(AOIAS)等不同的磺酸單體為原料,在同樣的合成條件下分別合成了AMPS-AMAA、AMOPS-AM-AA、AOBS-AM-AA、AOIASAM-AA等聚合物,并以產(chǎn)物1%的水溶液表觀黏度作為考察產(chǎn)物相對分子質(zhì)量大小的依據(jù),4種聚合物的1%水溶液的表觀黏度依次為:56、45、32和13 mPa·s?？梢?采用不同含磺酸單體與丙烯酰胺和丙烯酸共聚,產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量差別較大,其中以AOIAS為抗溫單體所合成聚合物1%水溶液的表觀黏度最低,低于15 mPa·s。故選擇AOIAS為低相對分子質(zhì)量聚合物的合成原料。

2.2 AOIAS用量對產(chǎn)物膠液表觀黏度的影響

圖1為反應(yīng)條件(單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%,反應(yīng)時間30 min,反應(yīng)溫度35℃,下同)一定,AOIAS、AM和AA等單體總量不變時,AOIAS用量(占單體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))對產(chǎn)物1%水溶液表觀黏度的影響。從圖1可以看出,隨著AOIAS用量的增加,共聚物1%水溶液的表觀黏度先升高后降低。在該實驗條件下,AOIAS加量為10%左右時,所得產(chǎn)物1%水溶液的黏度較合適。

圖1 AOIAS用量對產(chǎn)物1%水溶液表觀黏度的影響

2.3 AOIAS用量對產(chǎn)物降濾失能力的影響

在聚合物的合成中,最大難點(diǎn)是產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量和產(chǎn)物降濾失效果的矛盾,通常降低產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量將使產(chǎn)物的降濾失效果變差,可見共聚物降濾失性能的好壞關(guān)系到研究的成敗,為此考察了AOIAS用量對聚合物降濾失性能的影響。原料配比和反應(yīng)條件一定(丙烯酰胺用量固定,單體總物質(zhì)的量不變)時改變AOIAS和AA的比例,AOIAS用量對產(chǎn)物降濾失能力的影響如圖2所示(飽和鹽水鉆井液+1.5%的共聚物,220℃/16 h)。

圖2 AOIAS用量對共聚物降濾失能力的影響

從圖2可以看出,隨著AOIAS用量(占總單體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))的增加所得產(chǎn)物的降濾失能力提高。這是因為AOIAS是含磺酸基的單體,增加其用量有利于提高產(chǎn)物的耐溫抗鹽能力。但當(dāng)AOIAS用量過大時,降濾失能力反而降低,這是因為聚合物用作降濾失劑時,只有當(dāng)分子中吸附基團(tuán)和水化基團(tuán)的比例適當(dāng)時才能起到較好的降濾失作用,當(dāng)AOIAS的用量過大時,吸附基團(tuán)的量減小,吸附基團(tuán)和水化基團(tuán)的比例不在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),致使共聚物的降濾失能力降低。在該試驗條件下, AOIAS用量為20%時降濾失能力最好。但兼顧到聚合物的相對分子質(zhì)量,故選擇AOIAS用量在10%左右,這樣既可以保證產(chǎn)物具有理想的降濾失效果,又保證產(chǎn)物水溶液的黏度較低。

2.4 引發(fā)劑用量對單體轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物水溶液表觀黏度的影響

原料配比(n(AOIAS)∶n(AA)∶n(AM)= 0.1∶0.9∶1.5)和反應(yīng)條件一定時,引發(fā)劑用量(占單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù))對單體轉(zhuǎn)化率的影響如圖3所示,引發(fā)劑用量對產(chǎn)物水溶液表觀黏度的影響如圖4所示。

從圖3可以看出,引發(fā)劑的用量達(dá)到0.025%以后轉(zhuǎn)化率逐漸增加,到0.050%時轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大且趨于穩(wěn)定,引發(fā)劑用量大于0.050%后可保證單體轉(zhuǎn)化率較高。

圖3 引發(fā)劑用量對單體轉(zhuǎn)化率的影響

圖4 引發(fā)劑用量對聚合物1%水溶液表觀黏度的影響

從圖4可以看出,引發(fā)劑用量大產(chǎn)物相對分子質(zhì)量低,引發(fā)劑用量小產(chǎn)物相對分子質(zhì)量高,為得到盡可能低的相對分子質(zhì)量,又可保證其產(chǎn)物具有一定的降濾失作用。在該試驗條件下,引發(fā)劑用量在0.10%～0.12%時可得到較低相對分子質(zhì)量的產(chǎn)物,又可保證具產(chǎn)物有較好的降濾失作用。

3 聚合物性能評價

3.1 試驗儀器與材料

設(shè)備與儀器 IR200型傅里葉變換紅外光譜儀;GJSS-B12K型變頻高速攪拌機(jī);ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計;XGRL-4型高溫滾子爐;ZNS型中壓濾失儀;GGS71-A型高溫高壓濾失儀。

材料 鈣膨潤土,符合SY/T5060—1993;鈉膨潤土,符合SY/T5060—1993;無水氯化鈣,化學(xué)純;氯化鈉,分析純;六水氯化鎂,分析純;無水碳酸鈣,分析純;磺化酚醛樹脂(SMP),磺化褐煤(SMC),丙烯酸-丙烯酰胺共聚物SL-1,丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物HX-301,丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸共聚物HYJ-1,丙烯酸-丙烯酰胺共聚物A-903,均為工業(yè)品。

3.2 基漿配制

1)淡水基漿。在1 000 mL水中加入40 g鈣膨潤土和5 g無水Na2CO3,高速攪拌20 min,于室溫下養(yǎng)護(hù)24 h,即得4%淡水基漿。

2)飽和鹽水基漿。在1 000 mL 6%的鈣膨潤土淡水基漿中加入NaCl至飽和,高速攪拌20 min,于室溫下養(yǎng)護(hù)24 h,即得飽和鹽水基漿。

3.3 抗高溫能力試驗

考察了不同PFL-1加量的淡水基漿經(jīng)不同高溫老化前后的性能,結(jié)果見表1。從表1可以看出,隨PFL-1加量的增加,淡水基漿老化前后的濾失量均明顯降低。當(dāng)PFL-1加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.5%時, 240℃溫度下老化16 h后濾失量降至11.0 mL,表明PFL-1在較低的加量下就能夠?qū)Φ@井液產(chǎn)生很好的降濾失效果,并且老化前后的濾失量差值逐漸減小,說明PFL-1具有良好的降濾失及耐溫性能。

表1 不同加量PFL-1對淡水基漿性能的影響

3.4 在飽和鹽水鉆井液中的降濾失效果

表2是PFL-1加量為2%的飽和鹽水鉆井液在240℃高溫下老化前后的性能(同時與現(xiàn)場常用的聚合物處理劑SL-1、HX-301、H YJ-1和 A-903等進(jìn)行對比)。由表2可以看出,PFL-1加量為2%時就可大大降低飽和鹽水鉆井液的濾失量,其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通聚合物。說明在飽和鹽水鉆井液中,PFL-1具有良好的降濾失和耐溫抗鹽性能。

表2 不同聚合物在飽和鹽水基漿中的降濾失效果

3.5 PFL-1的配伍性試驗

通過對PFL-1在不同密度的淡水、鹽水鉆井液中進(jìn)行性能評價,來考察PFL-1在鉆井液中的性能以及PFL-1與其他處理劑的配伍性。

3.5.1 PFL-1與SMC的配伍性

PFL-1與SMC的配伍性試驗結(jié)果見表3。從表3可以看出,PFL-1與SMC配伍使用,經(jīng)240和260℃高溫老化后鉆井液的濾失量分別可控制為6.8 mL和8.0 mL,進(jìn)一步說明所合成的聚合物PFL-1與SMC具有良好的配伍性及較好的耐溫能力。3.5.2 PFL-1與SMP、SMC等的配伍性

表3 PFL-1與SMC的配伍性試驗

采用所合成的抗高溫降濾失劑PFL-1設(shè)計抗高溫鉆井液體系,并分別進(jìn)行了常溫、260℃高溫滾動16 h后的性能評價,結(jié)果見表4。從含有PFL-1的鉆井液體系高溫老化后的濾失控制能力及老化前后表觀黏度變化率的情況來看,含有PFL-1鉆井液的性能穩(wěn)定。同時用配方4進(jìn)行高溫高壓濾失量試驗可知,185℃條件下高溫高壓濾失量為26.4 mL, 200℃條件下高溫高壓濾失量為27.0 mL。這表明PFL-1與SMP、SMC等配伍使用可以有效控制鉆井液的高溫高壓濾失量。

3.5.3 鹽水鉆井液

在淡水鉆井液配方實驗的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了鹽水、飽和鹽水鉆井液體系配方,并在240℃溫度下老化16 h,測定其性能,結(jié)果見表5。從表5可以看出,在鹽水、飽和鹽水鉆井液中PFL-1與 SMP、SMC配合使用,可以較好地控制鹽水鉆井液的濾失量。

表4 鉆井液高溫滾動16 h前后性能

注:①PFL-2為1%水溶液表觀黏度5 mPa·s的聚合物,組成與PFL-1相同。

表5 鹽水、飽和鹽水鉆井液性能

3.6 紅外光譜

將合成的樣品經(jīng)過純化后與 KBr混合壓片,測定共聚物的紅外吸收光譜(見圖5)。圖5中, 3 424.078 cm-1為酰胺基(—CONH—)伸縮振動特征吸收峰,2 932.434 cm-1為—CH2伸縮振動吸收峰,1 667.756 cm-1為伸縮振動吸收峰,1 452.288 cm-1為—NH變形振動吸收峰, 1 186.929和1 041.515 cm-1為—SO3伸縮振動吸收峰。

圖5 PFL-1聚合物的紅外光譜

4 結(jié) 論

1)以(2-丙烯酰氧)異戊烯磺酸鈉、丙烯酰胺和丙烯酸等為原料合成的低黏聚合物降濾失劑PFL-1,在淡水鉆井液、飽和鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用,抗溫、抗鹽能力強(qiáng),即使經(jīng)過240℃/16 h老化后仍具有控制鉆井液濾失量的能力。

2)PFL-1與現(xiàn)場常用的處理劑具有較好的配伍性,且在被鹽污染后的鉆井液中仍可有效地控制鉆井液濾失量,保證鉆井液的流變性,有望用于超深井鉆井。

[1] 王中華.國內(nèi)油田用水溶性AMPS共聚物[J].油田化學(xué), 1999,16(1):81-85.

[2] 楊小華,王中華.兩性離子磺酸鹽聚合物鉆井液處理劑的制備方法:中國,101429427[P],2009-05-13.

[3] Spooner M,Magee K,Otto M,et al.The application of HTHP water based drilling fluid on a blowout operation:The American Assouation of Drilling Engineers Drilling Fluids Technolo-gy Conference in Houston,Texas,April 1-3,2003[C].

[4] James R H.High performance water-based mud system:US, 7351680[P],2008-04-01.

[5] 王中華.AM/AMPS/DMDAAC共聚物的合成[J].精細(xì)石油化工,2000(4):5-8.

[6] 王中華.AMPS/AM/AN三元共聚物降濾失劑的合成與性能[J].油田化學(xué),1995,12(4):367-369.

[7] 王中華.鉆井液用丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸三元共聚物PAMS的合成[J].油田化學(xué),2000,17(1):6-9.

[8] 楊小華,王中華,張麒麟.AMPS聚合物及鉆井液體系研究與應(yīng)用[J].石油與天然氣化工,2001,30(3):138-140.

[9] 王中華.超高溫鉆井液體系研究(Ⅰ)——抗高溫鉆井液處理劑設(shè)計思路[J].石油鉆探技術(shù),2009,37(3):1-7.

[10] 王中華,王旭,楊小華.超高溫鉆井液體系研究(Ⅱ)——聚合物降濾失劑的合成與性能評價[J].石油鉆探技術(shù),2009,37 (4):1-6.

[11] 王中華,王旭.超高溫鉆井液體系研究(Ⅲ)——抗鹽高溫高壓降濾失劑研制[J].石油鉆探技術(shù),2009,37(5):5-9.

[審稿 王中華]

Synthesis and Properties of an Ultra-High-Temperature Polymer Fluid Loss Additive PFL-1

Yang Xiaohua Li Jiafen Qian Xiaolin Wang Lin Su Changming
(S INO PEC Petroleum Engineering Research Institute,Beijing,100101,China)

According to the requirements of deep wells on drilling fluid,a polymer fluid loss reagent named PFL-1 was developed using oxidation-reduction system through formula optimization and investigation of proper sulfonic acid alkenyl monomer and monomer ratio,along with considering polymer molecular weight and the effect of fluid loss.Its fluid loss effectiveness in drilling fluid was evaluated preliminarily. Its infrared spectrum was analyzed using Fourier infrared spectroscopy.Tests results show that PFL-1 performs high fluid loss ability,low viscosity(less than 15 mPa·s with 1%weight percent),small impact on drilling fluid viscosity,good thermal stability(lower fluid loss at 240℃),high salt resistance,and better compatibility with additives such as SMC and SMP,etc.

drilling fluid;filtrate reducer;copolymer;heat resistance;salt tolerant property;lab testing

book=2010,ebook=136

TE254+.1

A

1001-0890(2010)02-0037-06

2009-08-13;改回日期:2010-01-18

中國石化科技開發(fā)重點(diǎn)項目“超深井鉆井液降濾失劑研究與應(yīng)用”(編號:P08075)部分研究內(nèi)容

楊小華(1969—),女,陜西禮泉人,1991年畢業(yè)于西北大學(xué)油田化學(xué)專業(yè),高級工程師,主要從事鉆井液處理劑開發(fā)方面的研究工作。

聯(lián)系方式:(010)84988201,yangxh@sripe.cn