鉆井液降濾失劑KJC的合成

劉大海 張 元 段春蘭 李 歡 蔣建敏 陳 婷 孔 權(quán)

（1.四川仁智油田技術(shù)服務(wù)股份有限公司 2.中國石油新疆油田分公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)）（3.中國石油新疆油田分公司采油二廠 4.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院）

目前，油氣勘探開發(fā)所鉆遇的地層越來越復(fù)雜，鉆井完井所面臨的困難越來越大。國內(nèi)外學(xué)者圍繞超高溫水基鉆井液在油田用處理劑方面開展了一系列工作。重點(diǎn)放在丙烯酰胺類共聚物的改性，引進(jìn)新的單體與丙烯酰胺共聚，制備各種降濾失劑［1－5］。但合成的聚合物性能與超高溫條件下對鉆井液性能要求還存在差距。因此，需開發(fā)新的鉆井液處理劑以適應(yīng)鉆井技術(shù)的發(fā)展。

本研究在聚合物分子中引入基團(tuán)對苯乙烯磺酸鈉（SSS），提高聚合物的抗溫抗鹽性能；引入了含有聚氧乙烯醚大分子側(cè)鏈的烯丙基聚乙二醇（APEG），該大分子側(cè)鏈分散性能較好，能提高聚合物降濾失劑的抗鹽性能；引入丙烯酰胺（AM），起到吸附和分子骨架的作用，采用以上3種單體合成出鉆井液降濾失劑KJC。降濾失劑KJC適用于淡水基漿和鹽水基漿，具有一定的抗溫和抗鹽能力。同時，烯丙基聚乙二醇的引入增強(qiáng)了聚合物的吸附能力和分散顆粒的能力，使聚合物在黏土上的吸附量增多，黏土顆粒不易聚集，濾失孔道的形成得到有效抑制。

1 實(shí)驗部分

1.1 實(shí)驗儀器與藥品

實(shí)驗器材：JB50－D型恒速攪拌機(jī)；ZNN－D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計；ZNS－2型泥漿失水量測定儀；BRGL－7型滾子加熱爐；WQF－520紅外光譜分析儀。

實(shí)驗藥品：對苯乙烯磺酸鈉（SSS）、丙烯酰胺（AM）、烯丙基聚乙二醇（APEG），均為工業(yè)級；過硫酸銨、氯化鈉、氯化鈣、氫氧化鈉，均為分析純，成都市科龍化工試劑廠。

1.2 降濾失劑的合成

稱取一定量的APEG于三頸瓶中，加入適量的去離子水，攪拌溶解后，稱取并加入一定量的SSS和AM，調(diào)節(jié)pH值至弱堿性；加入一定量的引發(fā)劑，攪拌均勻置入一定溫度下的水浴鍋中反應(yīng)，得到凝膠狀產(chǎn)物，再用無水乙醇洗滌3～5次，直至出現(xiàn)沉淀。分離后，將沉淀在溫度為50℃烘箱中烘24 h，即制得鉆井液降濾失劑KJC。

1.3 產(chǎn)品性能評價

1.3.1 基漿的配制

淡水基漿的配制：將40g鈣膨潤土和2g無水Na2CO3加入1 000mL水中，高速攪拌20min，于室溫下密閉養(yǎng)護(hù)24h，即得淡水基漿。

1.3.2 性能測試

將一定量的降濾失劑KJC加入到配制好的基漿中，高速攪拌5min，或在一定溫度下滾動老化16 h，取出后高速攪拌5min。參照SY／T 5241－1991《水基鉆井液用降濾失劑評價程序》用ZNN－D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計測定鉆井液的API失水量和流變參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件的確定

2.1.1 單體配比的影響

固定單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間5h，合成聚合物降濾失劑。向淡水基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的該聚合物降濾失劑，測其API濾失量，結(jié)果見表1。

表1 單體配比對濾失量的影響Table 1 Effect of monomer ratio on fluid loss

由表1可知，當(dāng)單體配比m（APEG）∶m（AM）∶m（SSS）＝1.8∶4∶3和m（APEG）∶m（AM）∶m（SSS）＝1.6∶4∶2時，失水量最低，但是在這兩單體配比下鉆井液流變性能較差。因此，綜合考慮選擇單體配比為m（APEG）∶m（AM）∶m（SSS）＝1∶2∶1，其失水量為10.4mL。

2.1.2 單體濃度的影響

固定單體配比為m（APEG）∶m（AM）∶m（SSS）＝1∶2∶1，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%，反應(yīng)溫度為60℃，反應(yīng)時間為5h，合成聚合物降濾失劑。向淡水基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的該聚合物降濾失劑，考察單體濃度對KJC降濾失劑的影響（圖1）。

由圖1可知，濾失量隨單體濃度的增加先降低后增加。當(dāng)單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，濾失量最低。由此，確定此聚合反應(yīng)的單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

2.1.3 反應(yīng)溫度的影響

固定單體配比為m（APEG）∶m（AM）∶m（SSS）＝1∶2∶1，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，反應(yīng)時間為5h，合成聚合物降濾失劑。向淡水基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的該聚合物降濾失劑，考察反應(yīng)溫度對KJC降濾失劑的影響（圖2）。

由圖2可知，隨著聚合反應(yīng)溫度的上升，濾失量先下降后上升。當(dāng)反應(yīng)溫度為60℃時，降濾失效果最佳。

2.1.4 引發(fā)劑加量的影響

固定單體配比m（APEG）∶m（AM）∶m（SSS）＝1∶2∶1，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，反應(yīng)溫度60℃，反應(yīng)時間為5h，合成聚合物降濾失劑。向淡水基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的該聚合物降濾失劑，考察引發(fā)劑加量對KJC降濾失劑的影響（圖3）。

由圖3可知，隨著引發(fā)劑加量的增加，產(chǎn)物的降濾失能力先增加后減弱，當(dāng)引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%時，產(chǎn)物的降濾失效果最好，失水量為10.1mL。

2.1.5 反應(yīng)時間的影響

固定單體配比為m（APEG）∶m（AM）：m（SSS）＝1∶2∶1，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，反應(yīng)溫度60℃，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.7%，在不同的反應(yīng)時間下合成聚合物降濾失劑。向淡水基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的該聚合物降濾失劑，測其FL濾失量，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著聚合反應(yīng)時間的增加，濾失量先下降后上升，當(dāng)反應(yīng)時間為5h時，濾失效果最佳。因此，確定最佳反應(yīng)時間為5h。

2.1.6 最佳合成條件

通過以上實(shí)驗，得出降濾失劑AM／APEG／SSS的最佳合成條件為：單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，單體配比m（APEG）∶m（AM）∶m（SSS）＝1∶2∶1，反應(yīng)溫度為60℃，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)（占單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.7%，反應(yīng)時間為5h。

2.2 聚合物降濾失劑紅外分析

在最佳合成條件下合成出聚合物降濾失劑，將得到的凝膠狀產(chǎn)物用無水乙醇洗滌3～5次，直至出現(xiàn)沉淀，分離后將沉淀在溫度為50℃的烘箱中烘24h，即制得該鉆井液降濾失劑。采用紅外分析對提純后的聚合物進(jìn)行表征。

由圖5可知，3 467.60cm－1為N－H鍵收縮振動吸收峰；3 197.39cm－1為－OH收縮振動吸收峰；2 929.34cm－1為＝CH2伸縮振動吸收峰；1 666.19cm－1為酰胺基的C＝O伸縮振動峰；1 448.28cm－1為苯環(huán)骨架振動吸收峰；1 186.00 cm－1為醚鍵伸縮振動峰；1 122.37cm－1為－SO3－伸縮振動峰。分析可知，共聚物分子鏈上都帶有初始設(shè)計的分子基團(tuán)。由此推斷，目標(biāo)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)與設(shè)計相符。

3 降濾失劑KJC的性能評價

3.1 高溫下KJC加量對濾失量的影響

鉆井液在高溫下的性能時常會有減弱或失效的情況發(fā)生，這就需要考察在高溫的實(shí)驗條件下，降濾失劑KJC的加量與濾失量的關(guān)系。在4%（w）淡水基漿中加入不同量的聚合物降濾失劑KJC，高速攪拌5～10min，在不同的老化溫度下熱滾16h，分別測定鉆井液體系的API濾失量和流變性（見表2）。

表2 鉆井液濾失量隨老化溫度和聚合物加量的變化Table 2 Change of drilling fluid loss with aging temperature and polymer dosage

從表2可以看出，鉆井液的濾失量隨實(shí)驗溫度的升高而逐漸增大，隨著聚合物KJC加量的增大，鉆井液在高溫下的濾失量逐漸降低。因此，通過增大KJC的加量可以降低高溫下鉆井液的濾失量。當(dāng)聚合物降濾失劑KJC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時，在老化溫度為180℃的條件下，濾失量為12.0mL，這說明降濾失劑KJC具有良好的抗高溫能力。

3.2 抗鈣性能評價

在淡水鉆井液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%的聚合物降濾失劑，攪拌均勻后，再分別加入不同量的CaCl2，高速攪拌15min，測試鉆井液的濾失量與流變性，評價其抗鹽性能，實(shí)驗結(jié)果見表3。

由表3可知，當(dāng)CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，濾失量為15.7mL，說明該降濾失劑的抗鈣能力較好。

表3 鉆井液抗鈣性能評價Table 3 Performance evaluation of drilling fluid calcium resistance

3 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗研究，得出聚合物降濾失劑的最佳制備條件為：單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，單體配比m（APEG）∶m（AM）∶m（SSS）＝1∶2∶1，反應(yīng)溫度為60℃，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%（占單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)），反應(yīng)時間為5h。

（2）通過對聚合物的紅外光譜分析和核磁共振分析可知，本實(shí)驗所合成的聚合物與設(shè)計相符。

（3）聚合物降濾失劑KJC具有較好的抗溫能力，當(dāng)KJC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%時，在老化溫度為180℃的條件下，濾失量為12.0mL。

（4）在CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鉆井液體系中，加入KJC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%時，測試的濾失量為15.7mL，表明降濾失劑KJC的抗鈣能力較好。

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