天然材料接枝共聚物分散劑的合成及性能評價

謝建宇 李 彬 張 濱

（中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院）

在深井、超深井鉆井過程中，需使用加重鉆井液平衡地層壓力，特別是在鉆遇異常高壓地層時，必須使用超高密度鉆井液（2.5g／cm3＜ρ≤3.0g／cm3）來滿足工程及地質(zhì)方面的要求，如新疆油田南緣山前構(gòu)造帶上的安4井、獨深1井，塔里木盆地的英深1井以及赤水官渡地區(qū)的官深1井等［1－3］。由于超高密度鉆井液固相含量高（重晶石體積分?jǐn)?shù)可達50%以上），加重材料及部分鉆屑長期在高溫高壓環(huán)境下受高剪切速率作用及鉆頭研磨，致使鉆井液中細(xì)小粒子增多，流變性不易控制，從而導(dǎo)致機械鉆速降低。為解決這些難題，國內(nèi)科研人員往往通過在超高密度鉆井液中加入降粘劑來改善鉆井液流變性，由于普通降粘劑對重晶石分散作用有限，超高密度鉆井液的流變性仍然難以滿足現(xiàn)場需求［4－11］。本實驗利用天然材料與丙烯酸、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸和陽離子單體進行接枝共聚，研制出一種適用于超高密度鉆井液的兩性離子型接枝共聚物分散劑JZ－1，并對分散劑進行了室內(nèi)評價。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

丙烯酸（AA），工業(yè)品；2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸（AMPS），工業(yè)品；二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），工業(yè)品；天然材料T，工業(yè)品；相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑，分析純；過硫酸銨，分析純；NaOH，分析純。

1.2 分散劑JZ－1的合成

將AA、AMPS和DMDAAC溶解于清水中備用，然后將天然材料T與一定量的相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑溶解于清水中加入四口燒瓶，再將過硫酸銨溶解于清水中備用。待體系加熱至60℃后，同時滴加反應(yīng)單體和引發(fā)劑溶液，滴加結(jié)束后將體系加熱至90℃反應(yīng)1h，最后用NaOH中和并烘干產(chǎn)物，得到天然材料接枝共聚物分散劑JZ－1。

1.3 鉆井液性能評價

1.3.1 基漿配制

淡水基漿：在1L水中加入1g Na2CO3和20g膨潤土，高速攪拌2h，室溫下放置養(yǎng)護24h，即得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淡水基漿。

鹽水基漿：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淡水基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl，高速攪拌5min，于室溫下放置養(yǎng)護24h，即得鹽水基漿。

1.3.2 性能測試

將研制的分散劑加入配制的基漿中，高速攪拌5min，于室溫下放置養(yǎng)護24h或在一定溫度下滾動老化16h后，室溫下高速攪拌5min，用旋轉(zhuǎn)黏度計測定鉆井液的流變性；然后按式（1）計算分散劑的分散率。

式中：（Ф100）0為不加分散劑時淡水基漿用六速旋轉(zhuǎn)黏度計100r／min下的讀數(shù)；（Ф100）1為加入分散劑后相同條件下的讀數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件對分散劑性能的影響

2.1.1 相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑的影響

固定其他反應(yīng)條件不變，改變相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑用量，然后將合成的分散劑樣品加入基漿中（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%），經(jīng)150℃老化16h后，考察不同相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑用量下，分散劑在基漿中的分散性能。

表1 相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑對分散劑性能影響Table 1 Effect of relative molecular mass regulator on dispersant performance

從表1可以看出，隨著相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑用量的增加，分散劑的分散性能呈上升趨勢。當(dāng)相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到1.25%時，繼續(xù)增加用量對分散劑性能影響不大。因此，合適的相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為單體質(zhì)量的1.25%～1.5%。

2.1.2 單體AMPS加量的影響

固定其他反應(yīng)條件不變，改變單體AMPS用量，然后將合成的分散劑樣品加入基漿中（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%），經(jīng)150℃老化16h后，考察不同AMPS用量下，分散劑在基漿中的分散性能。

從表2可以看出，隨著AMPS用量的增加，分散劑的分散性能大致呈上升趨勢；當(dāng)AMPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到25%時，繼續(xù)增加用量對分散劑分散性能影響不大。因此，合適的AMPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為單體質(zhì)量的25%～30%。

表2 AMPS對分散劑性能影響Table 2 Effect of AMPS on dispersant performance

2.1.3 天然材料與乙烯基單體配比的影響

固定其他反應(yīng)條件不變，改變天然材料與乙烯基單體配比，然后將合成的分散劑樣品加入基漿中（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%），經(jīng)150℃老化16h后，考察不同天然材料與乙烯基單體配比條件下，分散劑在基漿中的分散性能。

表3 材料配比對分散劑性能影響Table 3 Effect of raw materials ratio on dispersant performance

從表3可以看出，隨著乙烯基單體與天然材料用量比例的降低，分散劑的分散性能呈先上升再降低的趨勢，當(dāng)乙烯基單體與天然材料用量達到2∶8時，實驗中繼續(xù)增加天然材料用量，分散劑性能下降。因此，合適的乙烯基單體與天然材料用量比為（2∶8）～（3∶7）。

2.2 性能評價

2.2.1 在淡水基漿中

將分散劑JZ－1加入基漿后，測定基漿在室溫及150℃高溫老化16h后的流變性能，結(jié)果見表4。

表4 分散劑在淡水基漿中的分散性能Table 4 Performances of dispersant in fresh water based slurry

從表4可以看出，在淡水基漿中加入分散劑后，經(jīng)室溫養(yǎng)護24h或150℃高溫老化16h后，分散劑的分散率隨著分散劑用量的增加而升高；并且當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到3%，分散劑的分散率可達50%以上，表現(xiàn)出良好的分散性能。

2.2.2 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽水基漿中

將分散劑JZ－1加入鹽水基漿后，測定基漿在室溫養(yǎng)護24h后的流變性能，結(jié)果見表5。

表5 分散劑在鹽水基漿中的分散性能Table 5 Performances of dispersant in brine based slurry

基漿配方：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淡水漿＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的 NaCl＋重晶石，ρ＝2.6g／cm3，“－”表示在此轉(zhuǎn)速下讀數(shù)超出儀器量程。

從表5可以看出，在鹽水基漿中加入分散劑，經(jīng)室溫養(yǎng)護24h后，分散率隨著分散劑用量的增加而升高，當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到2%時，其在含鈣基漿中的分散率可以達到56%以上，這說明分散劑在鹽水基漿中具有較好的抗鹽性能。

2.2.3 在超高密度鉆井液中

將分散劑JZ－1加入超高密度鉆井液中，經(jīng)150℃老化16h后進行性能評價，結(jié)果見表6。

表6 分散劑加量對鉆井液性能影響Table 6 Effect of dispersant dosage on drilling fluid performance

從表6可以看出，當(dāng)分散劑JZ－1質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，就可以在超高密度鉆井液中發(fā)揮出較好的分散作用，體系漏斗黏度由不加分散劑的282s降低至130s，有效改善了體系流變性。并且，體系在室溫靜置24h后，上下層密度差由不加分散劑的0.56 g／cm3降低至0.03g／cm3，顯著提高了體系的懸浮穩(wěn)定性能。

2.3 分散劑對重晶石表面Zeta電位及粒徑影響

2.3.1 重晶石表面Zeta電位分析

將一定量的重晶石放入烘箱中，在105℃下干燥2h，然后取10g重晶石加入含100mL蒸餾水的錐形瓶中，再將一定量分散劑JZ－1加入錐形瓶中，室溫下在水浴振蕩器中恒溫振蕩2h，然后取部分懸浮液，利用JS94H型微電泳儀測定重晶石顆粒表面Zeta電位，結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，隨著分散劑JZ－1濃度增加，重晶石表面Zeta電位呈下降趨勢，當(dāng)JZ－1質(zhì)量濃度為0.5g／L時，重晶石表面Zeta電位由未加分散劑時的－5.7mV 下降為－51.6mV（荷負(fù)電），顯著提高了重晶石的表面帶電量，增加重晶石之間的靜電斥力，防止重晶石之間的團聚，有效改善了重晶石的分散效果。

2.3.2 重晶石粒徑分析

將重晶石樣品和經(jīng)質(zhì)量濃度為0.5g／L分散劑分散后的重晶石樣品分別用Winner2000ZD激光粒度分析儀測定重晶石粒徑，結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，加入分散劑后，重晶石的粒度分布有了明顯降低，平均粒徑由15.16μm下降為13.25μm。這是由于重晶石在水中存在團聚現(xiàn)象，而加入分散劑后，分散劑可以將團聚的重晶石有效分散，從而使得測定的重晶石粒徑變小。

2.4 紅外光譜分析

將合成的分散劑樣品經(jīng)純化后，用紅外光譜儀進行檢測，圖中3 408cm－1是羥基（－OH）伸縮振動吸收峰，1 722cm－1和1 615cm－1是羰基（－C＝O）伸縮振動吸收峰，1 184cm－1和1 040cm－1為磺酸基（－SO3）伸縮振動吸收峰。

2.5 熱分析

將合成的分散劑樣品經(jīng)純化后，用熱分析儀進行熱分析。從圖4可以看出，分散劑在280℃開始分解，說明分散劑具有較好的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

利用天然材料T與乙烯基單體進行接枝共聚合成了超高密度鉆井液用分散劑JZ－1，其可以提高重晶石表面的Zeta電位，防止重晶石之間的聚集，顯著提高鉆井液的流變性和沉降穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)場施工需求。

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