霧化/泡沫鉆井用包被絮凝劑PDAM的合成與評(píng)價(jià)

孫舉，蘇雪霞

(中原石油工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001)

霧化/泡沫鉆井技術(shù)是解決氣體鉆井鉆遇地層出水后的泥包卡鉆、巖屑攜帶等技術(shù)問(wèn)題的有效技術(shù)措施。中原鉆井院針對(duì)川東北地區(qū)地層特點(diǎn)開(kāi)展了霧化/泡沫鉆井技術(shù)研究，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用30余井次，有效解決了氣體鉆井鉆遇出水地層時(shí)的復(fù)雜情況，推動(dòng)了氣體鉆井配套技術(shù)的發(fā)展，但仍存在適用出水量低、循環(huán)利用率低、井壁穩(wěn)定時(shí)間短，遇水后未能鉆至設(shè)計(jì)井深，提前轉(zhuǎn)換為鉆井液鉆井后機(jī)械鉆速大幅度降低的問(wèn)題[1-4]。因此，從強(qiáng)抑制、強(qiáng)包被、強(qiáng)吸附的角度出發(fā)研究形成了具有防塌和凈水作用的高相對(duì)分子質(zhì)量?jī)尚噪x子包被絮凝劑PDAM[5-7]，通過(guò)PDAM聚合物強(qiáng)絮凝包被作用，使廢液中懸浮泥沙快速沉降，在不增加污水處理設(shè)備的情況下達(dá)到高效循環(huán)使用目的，進(jìn)一步提高了霧化/泡沫液的循環(huán)利用率，依靠陽(yáng)離子基團(tuán)的強(qiáng)抑制、強(qiáng)吸附作用提高霧化/泡沫液的抑制防塌能力，進(jìn)一步提高井壁穩(wěn)定效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和試劑

陽(yáng)離子單體(YD-2)，工業(yè)級(jí)，純度60%；丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)，、烷基取代丙烯酰胺(TBAM)，工業(yè)級(jí)；過(guò)硫酸銨(APS)、異丙醇，分析純；亞硫酸氫鈉(SBS)，化學(xué)純。

1.2 主要儀器

烏氏黏度計(jì)(φ=0.5 mm)，上海申立玻璃儀器有限公司；恒溫水浴(XTT-7)，寧波天恒儀器廠；PE1710紅外光譜分析儀(溴化鉀壓片法)，德國(guó)布魯克公司。

1.3 PDAM的制備

取適量水加入丙烯酸、酸堿中和后加入丙烯酰胺、陽(yáng)離子單體YD-2，攪拌溶解，將溶液體系pH值調(diào)至所需值。將配制好的反應(yīng)液轉(zhuǎn)入聚合反應(yīng)器中，通N2除氧約0.5 h，升溫至25 ℃加入引發(fā)劑，置于25 ℃恒溫水浴，反應(yīng)8 h后得凝膠狀共聚物。將凝膠狀產(chǎn)物造粒，在80～100 ℃用鼓風(fēng)振動(dòng)干燥機(jī)烘干，將干燥后的產(chǎn)物粉碎得PDAM。

1.4 PDAM的性能與結(jié)構(gòu)表征

PDAM特性黏數(shù)用烏氏黏度計(jì)按照《聚丙烯酰胺特性黏數(shù)測(cè)定方法》(GB 12005.1—89)中的一點(diǎn)法測(cè)定，溶劑為濃度為1 mol/L NaCl溶液，測(cè)試溫度為(30±0.1)℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件考察

2.1.1引發(fā)劑用量對(duì)PDAM特性黏數(shù)影響

固定其他反應(yīng)條件，考察引發(fā)劑用量對(duì)聚合物特性黏數(shù)的影響。由圖1可以看出，隨著引發(fā)劑用量的增加，聚合物特性黏數(shù)降低，當(dāng)引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的0.035%時(shí)，由于引發(fā)劑量較低，產(chǎn)生的自由基數(shù)目少，用來(lái)引發(fā)單體聚合的自由基活性點(diǎn)少，單體反應(yīng)不完全，表面清液較多；當(dāng)引發(fā)劑用量為0.05%時(shí)，由于引發(fā)劑用量的增加，反應(yīng)活性中心增加，聚合反應(yīng)完全，特性黏數(shù)增大，膠塊的彈性硬度較好，特性黏數(shù)較高。因此，確定PDAM引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的0.05%～0.1%。

2.1.2單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PDAM特性黏數(shù)影響

在引發(fā)劑用量為0.07%時(shí)考察單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)聚合物特性黏數(shù)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，隨著單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚合物特性黏數(shù)先增加后降低，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.0%～25.0%時(shí)，特性黏數(shù)趨于最大值。當(dāng)單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于25%時(shí)，聚合溫度升高，反應(yīng)速度加快，同時(shí)鏈終止速度和鏈轉(zhuǎn)移速度加快，抑制了分子量進(jìn)一步增長(zhǎng)，特性黏數(shù)降低。因此，控制單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.0%～25.0%較為合適。

圖1 引發(fā)劑用量對(duì)PDAM特性黏數(shù)影響

圖2 單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)PDAM特性黏數(shù)影響

2.1.3陽(yáng)離子單體濃度對(duì)PDAM特性黏數(shù)影響

合適的陽(yáng)離子單體濃度可得到相對(duì)分子質(zhì)量較高、抑制防塌性能較好的目標(biāo)產(chǎn)物。固定單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%、引發(fā)劑用量為0.07%時(shí)考察陽(yáng)離子單體濃度對(duì)PDAM特性黏數(shù)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，隨著陽(yáng)離子單體濃度的增加，聚合物特性黏數(shù)降低，說(shuō)明陽(yáng)離子單體在PDAM合成過(guò)程中具有一定的阻聚作用或鏈轉(zhuǎn)移作用。因此，為了保證PDAM具有較高的相對(duì)分子質(zhì)量及較好的抑制防塌能力，陽(yáng)離子單體濃度控制在單體總質(zhì)量的5.0%～10.0%較為合適。

2.2 紅外光譜分析

圖4為PDAM紅外光譜。由圖4可見(jiàn)：3 422，3 192 cm-1處為—NH2基團(tuán)的N—H伸縮振動(dòng)吸收峰；2 928 cm-1為—CH3和CH2的吸收峰；1 654 cm-1為羰基—CO的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 451 cm-1為—CH2—N(CH3)3中亞甲基的彎曲振動(dòng)吸收峰和季銨基的吸收峰(即為陽(yáng)離子單體YD-2)的特征峰，說(shuō)明所合成產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)中含有酰胺基、羧基和和陽(yáng)離子季銨基等基團(tuán)。

圖3 陽(yáng)離子單體濃度對(duì)PDAM特性黏數(shù)影響

圖4 PDAM紅外光譜

2.3 性能評(píng)價(jià)

2.3.1抑制防塌性能

1)頁(yè)巖滾動(dòng)回收試驗(yàn)。

為了考察合成的PDAM的防塌能力，使用天然泥頁(yè)巖巖心進(jìn)行了不同濃度聚合物水溶液的頁(yè)巖滾動(dòng)回收率(R)試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可看以看出，合成的PDAM在溶液濃度為0.01%時(shí)的一次回收率可達(dá)到95.8%以上，2 h相對(duì)回收率85.1%，較高的相對(duì)回收率表明PDAM在頁(yè)巖表面的吸附能力強(qiáng)，在較小的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，就能大幅度提高頁(yè)巖的回收率，說(shuō)明所合成PDAM共聚物具有較強(qiáng)的抑制能力，能有效控制泥頁(yè)巖水化分散。

2)巖心浸泡試驗(yàn)。

分別將人造巖心浸入0.05%PDAM水溶液和清水中，觀察不同時(shí)間的巖心穩(wěn)定情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：人造巖心在聚合物水溶液中浸泡24 h后巖心形狀規(guī)則，無(wú)裂紋及剝落掉塊現(xiàn)象；浸泡48 h后出現(xiàn)坍塌，但巖心未散，且外部有一層保護(hù)膜包裹；人造巖心浸入清水后即開(kāi)始剝落掉塊，2 h完全坍塌。說(shuō)明PDAM具有較強(qiáng)的包被、抑制性能。

表1 頁(yè)巖滾動(dòng)回收率試驗(yàn)結(jié)果

注：實(shí)驗(yàn)用頁(yè)巖為馬12井2 816～2 830 m處巖心，蒙脫石含量63%～98%，易水化分散。

2.3.2絮凝性能

1)PDAM絮凝性能。

在100 mL具塞量筒中加入80 mL去離子水或聚合物溶液，加入2 g鈣膨潤(rùn)土，補(bǔ)加去離子水或聚合物溶液至100 mL，以30 次/min(一倒一正為一次)的頻率搖動(dòng)5 min，靜置計(jì)時(shí)，記錄1，3，5 min析出清液的高度，結(jié)果見(jiàn)表2。由實(shí)驗(yàn)可知，合成的PDAM具有良好的絮凝能力，聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)5 min清液析出量為90.7 mL，清液析出量大、絮體沉降快。

表2 絮凝性能評(píng)價(jià)

取絮凝實(shí)驗(yàn)中不同用量的PDAM處理后析出的上部清液，用721分光光度計(jì)測(cè)定其透光率，結(jié)果見(jiàn)圖5。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)聚合物處理的含泥污水在自然條件下沉降分層后，上部液體清澈透明，泥砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)低。

圖5 絮凝性能評(píng)價(jià)

2)霧化液絮凝性能。

以PDAM為主協(xié)同表面活性劑形成霧化基液，考察了霧化基液的絮凝效果，在清水和霧化基液中分別加入2%大灣403-2H井上沙溪秒組紫紅色泥巖粉和青色砂巖粉，高速攪拌10 min，迅速倒入100 mL液體至具塞量筒，測(cè)定靜止一定時(shí)間內(nèi)上部清液的體積，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，霧化基液對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆屑粉具有良好的絮凝作用，鉆屑粉在霧化基液中被絮凝后快速沉降，5 min清液析出量為91.0 mL，上部液體清澈透明，泥沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，說(shuō)明PDAM兩性離子霧化液具有良好的絮凝能力。

表3 絮凝性能評(píng)價(jià)

3 結(jié) 論

a.以丙烯酸、丙烯酰胺為分子骨架，引入陽(yáng)離子單體，通過(guò)自由基水溶液聚合方法，在氧化還原引發(fā)劑存在的吸收峰，IP譜證明合成的PDAM分子結(jié)構(gòu)中含有酰胺基、羧基和和陽(yáng)離子季銨基等基團(tuán)，說(shuō)明AA、AM、陽(yáng)離子單體YD-2參與了聚合反應(yīng)。

b.通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)得到霧化/泡沫鉆井用包被絮凝劑較佳合成條件是：引發(fā)劑用量為0.05%～0.1%、單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.0%～25.0%、陽(yáng)離子單體濃度控制在單體總質(zhì)量的5.0%～10.0%，特性黏數(shù)最大為19.79 dL/g。

c.合成的包被絮凝劑PDAM具有良好的抑制防塌性能和絮凝能力，0.05%聚合物溶液一次頁(yè)巖回收率達(dá)98.2%、相對(duì)回收率達(dá)92.7%，聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)5 min清液析出量為90.7 mL，清液析出量大、絮體沉降快。

參 考 文 獻(xiàn)

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