深水用低分子量包被劑PF-UCAP的合成及性能評價(jià)

李懷科，羅健生，李自立，耿 鐵，荊 鵬，黃孝權(quán)

（1.中海油服油田化學(xué)研究院，河北燕郊 065201；2.天津中海油服化學(xué)有限公司，天津塘沽 300301；3.中海油服油田化學(xué)事業(yè)部塘沽基地，天津塘沽 300301）

包被劑是水基鉆井液中一種應(yīng)用廣泛且非常重要的有機(jī)處理劑，該處理劑主要是靠化學(xué)鍵吸附在鉆屑的表面，將其纏繞包裹起來，防止鉆屑與水分子接觸發(fā)生水化分散[1,2]。同時(shí)，鉆井液用包被抑制劑還具有降低失水，改善流型和增強(qiáng)體系的潤滑性能等特點(diǎn)。目前常用的包被劑為聚丙烯酰胺類聚合物，如FA367，PLUS，PLH，HP600等，這些包被劑在泥頁巖，砂巖地層都具有很好的應(yīng)用效果。但這類物質(zhì)一個(gè)共同特點(diǎn)就是相對分子質(zhì)量較大，一般在300萬以上，甚至更大。

深水作業(yè)由于低溫特點(diǎn)，限制了高相對分子質(zhì)量包被劑的使用。原因是低溫下這類物質(zhì)會使體系的粘度增大，給現(xiàn)場體系流變性的控制帶來一定的困難，也給泥漿泵泵送增加了負(fù)擔(dān)[3,5]。同時(shí)，深水低溫條件下這類物質(zhì)的溶解速率降低，大大降低其對鉆屑的包被能力。因此，在深水作業(yè)中，對包被劑的要求不僅要有較低的相對分子質(zhì)量，同時(shí)，還要有很強(qiáng)的包被能力。本文以丙烯酰胺，陽離子單體二甲基氯化銨類為主要原料，利用反相懸浮聚合的工藝合成了一種深水用低相對分子質(zhì)量包被抑制劑PF-UCAP，并對其性能進(jìn)行了評價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

合成的主要試劑有：環(huán)己烷（分析純，天津富宇精細(xì)化工有限公司）；單體Ⅰ（丙烯酰胺類，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司）；單體Ⅱ（二甲基氯化銨類，Aladdin Chemistry Co.Ltd）；過硫酸銨（分析純，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司）；失水山梨醇單硬脂酸酯（化學(xué)純，成都科龍化工試劑廠）；相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑（硫醇類，分析純，成都科龍化工試劑廠）。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平（FA2204B，上海菁海儀器有限公司）；四口燒瓶（聯(lián)華玻璃儀器廠）；集熱式磁力加熱攪拌器（DF-101S，金壇市醫(yī)療器械廠）；循環(huán)水真空泵（SHZ-Ⅲ，上海亞榮生化儀器廠）；真空干燥箱（DZF-6020，上海一恒儀器有限公司）；掃描電子顯微鏡（S-4800，日本Hitachi 公司)；OFI900 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（OFI）；滾子爐。

1.3 PF-UCAP的合成

（1）在1000 mL 四口燒瓶中加入600 mL 環(huán)己烷和2.8 g 失水山梨醇單硬脂酸酯，邊攪拌邊加熱使其充分溶解；（2）分別將60 g 單體Ⅰ、18 g 單體Ⅱ以及40 mg相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑加入燒杯中，并用50 mL 蒸餾水完全溶解，即得單體溶液；（3）將配置好的單體溶液慢速滴加到四口燒瓶中，通入氮?dú)饧s30 min，并開始加熱升溫。溫度上升到55℃左右時(shí)停止加熱，再加入840 mg的過硫酸銨溶液；（4）繼續(xù)攪拌，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，控制溫度在65～70℃；（5）待反應(yīng)完成后，共沸除水，冷卻后將反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行抽濾，烘干即得最終產(chǎn)品。

1.4 基漿的配置

按水：無水碳酸鈉：膨潤土=100：0.2：3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），在攪拌情況下先后往水中加入無水碳酸鈉和膨潤土，繼續(xù)攪拌4 h以上，然后封閉靜置16 h，備用。

2 PF-UCAP 性能評價(jià)

2.1 相對分子質(zhì)量測定

室內(nèi)用凝膠色譜法和特性粘數(shù)法兩種方法測定了低相對分子質(zhì)量包被抑制劑PF-UCAP的相對分子質(zhì)量[6,7]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合成的PF-UCAP的相對分子質(zhì)量較小，僅有90 多萬，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前國內(nèi)常用包被劑的相對分子質(zhì)量。同時(shí)，兩種相對分子質(zhì)量測定方法測得的粘均相對分子質(zhì)量相近，誤差較小。

表1 不同方法測得的相對分子質(zhì)量對比

2.2 粒徑

取100 mg 樣品放入盛有2 mL 無水乙醇的塑料管中，然后將樣品管在超聲儀中分散5 min，取下層的分散液一滴放置在載玻片上，保持15 min 讓乙醇完全揮發(fā)，然后用掃描電鏡測其粒徑分布。得到PF-UCAP 樣品的微觀外貌，掃描電鏡圖像（見圖1）。從圖1可以看出，低相對分子質(zhì)量包被劑PF-UCAP的顆粒呈球狀分布，且粒徑非常均勻，基本在50 μm 左右。

圖1 PF-UCAP 水溶液的電鏡掃描圖

2.3 粘度測定

在基漿中加入0.5%PF-UCAP，測定滾后體系的粘度，并與PLUS 進(jìn)行了對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從結(jié)果可以看出，加入包被抑制劑后，基漿的粘度都有所增加，但增幅不同。其中加入PLUS 后體系的粘度增幅最大，PF-UCAP 最小，這說明合成的低相對分子質(zhì)量包被劑PF-UCAP 對基漿的粘度影響不大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是和三種包被抑制劑的相對分子質(zhì)量大小有關(guān)，即相對分子質(zhì)量越大，體系的粘度越大。

表2 包被劑在基漿中的粘度

圖2 不同包被劑在基漿中的粘度對比

為進(jìn)一步考察溫度對包被抑制劑的影響，特別是低溫條件下粘度的變化情況。室內(nèi)用蒸餾水配置兩種包被抑制劑溶液，與100℃下熱滾16 h，測定不同溫度（4℃、15℃、25℃、50℃）下的流變參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖3）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PF-UCAP 在水溶液中的粘度較小，4℃的表觀粘度只有1.8 mPa·s，塑性粘度只有1.6 mPa·s，當(dāng)溫度升高至50℃時(shí)，體系的表觀粘度降至0.8 mPa·s，塑性粘度降至0.7 mPa·s。這說明低相對分子質(zhì)量包被劑PF-UCAP 對體系的粘度貢獻(xiàn)小，可以作為深水水基鉆井液的包被劑使用。

圖3 不同溫度下PF-UCAP 水溶液的粘度變化

2.4 包被性能評價(jià)

粘土分散實(shí)驗(yàn)和低溫流變實(shí)驗(yàn)表明，低相對分子質(zhì)量包被抑制劑PF-UCAP 由于其相對分子質(zhì)量較小，對體系的粘度貢獻(xiàn)小，但不能說明它對鉆屑的包被能力就強(qiáng)。為了評價(jià)不同相對分子質(zhì)量包被抑制劑對鉆屑的包被能力，分別在相同濃度（0.5%）包被抑制劑溶液中加入易水化分散的緬甸鉆屑和BZ 鉆屑，用滾動(dòng)回收率評價(jià)其抗鉆屑分散的能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖4）。結(jié)果表明，低相對分子質(zhì)量包被劑PF-UCAP 對鉆屑具有很好的包被作用，能夠有效抑制鉆屑在水中發(fā)生水化分散，鉆屑滾動(dòng)回收率高達(dá)85%以上，其包被效果可以與PLUS 相當(dāng)。

圖4 不同包被劑溶液滾動(dòng)回收率對比

3 結(jié)論

（1）合成的低相對分子質(zhì)量包被劑PF-UCAP的相對分子質(zhì)量較小，平均相對分子質(zhì)量小于100萬。凝膠色譜法和特性粘數(shù)法測得結(jié)果相近，吻合度較高。

（2）合成的低相對分子質(zhì)量包被劑PF-UCAP的顆粒呈球狀分布，且粒徑非常均勻，基本在50 μm 左右。

（3）合成的低相對分子質(zhì)量包被劑PF-UCAP 對基漿的粘度貢獻(xiàn)小，這說明對該物質(zhì)對體系的粘度影響較小。

（4）合成的低相對分子質(zhì)量包被劑PF-UCAP 對鉆屑具有很好的包被效果，鉆屑滾動(dòng)回收率高達(dá)85%以上。

［1］鄢捷年，編.鉆井液工藝學(xué)［M］.北京：中國石油大學(xué)出版社，2006：57-77.

［2］楊小華.國內(nèi)近5年鉆井液處理荊研究與應(yīng)用進(jìn)展［J］.油田化學(xué)，2009，26（2）:210-216.

［3］趙勝英，鄢捷年，丁彤偉，等.抗高溫高密度水基鉆井液流變性研究［J］.天然氣工業(yè)，2007，（5）：78-80，

［4］趙懷珍，薛玉志，李公讓，等.抗高溫水基鉆井液超高溫高壓流變性研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2009，37（1）:5-9.

［5］李懷科，王楠，田榮劍，等.氣制油合成基鉆井液低溫高壓條件下流變模式研究［J］.石油鉆探，2011，39（1）:44-47.

［6］聚丙烯酰胺特性粘數(shù)測定方法［G］.GB12005.1-1989.

［7］聚丙烯酰胺分子量測定［G］.GB12005.10-1992.