鉆井液用抗溫抗鹽潤滑降濾失劑SLJWP的制備及性能評價

邱維清

（勝利石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)公司，山東東營 257064）

在石油鉆井過程中，鉆井液用降濾失劑是保證鉆井液性能穩(wěn)定、減少有害液體向地層濾失、穩(wěn)定井壁和保證井徑規(guī)則的重要處理劑[1-2]。在深井復(fù)雜地層鉆井過程中，降濾失劑由于受地層高溫及高價離子的影響，常常性能變差或失效，濾失量大幅上升，進(jìn)而導(dǎo)致各種井下復(fù)雜情況的發(fā)生，給鉆井作業(yè)帶來巨大困難和損失。同時隨著定向井、水平井鉆井工藝技術(shù)在復(fù)雜地層的推廣應(yīng)用，對鉆井液性能提出了更高的要求，如何降低鉆井摩阻，提高鉆井液的潤滑性能，成為定向井、水平井施工的關(guān)鍵。

為了解決鉆井工作遇到的高溫、高鹽和高摩阻等問題，袁麗等[3]以淀粉，液體潤滑劑等為原料，合成固體潤滑降濾失劑，該產(chǎn)品雖有良好潤滑性和降濾失效果，但在抗溫抗鹽方面則有待提高。同樣，劉傳祿等[4]以改性纖維素和多種表面活性為原料制得PPL 防卡降濾失劑，其潤滑性能優(yōu)于柴油，而抗溫性能也需進(jìn)一步完善。上述產(chǎn)品雖然具有良好的降濾失效果的同時，還能改善鉆井液潤滑性，降低摩擦阻力，但這類產(chǎn)品主要由淀粉或纖維素與潤滑劑反應(yīng)制得，其抗溫、抗鹽能力較差。目前降濾失劑的開發(fā)必須兼顧提高性能、增加功能和降低成本3 個方面，來更好解決鉆井工作遇到的高溫、高鹽和高摩阻等問題，這已成為降濾失劑發(fā)展的趨勢。利用多種功能性單體，通過反相乳液聚合方法，合成了一種抗溫抗鹽潤滑降濾失劑，利用紅外光譜分析表明，新研制的抗溫抗鹽潤滑降濾失劑SLJWP 具有多羥基結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)易和水分子結(jié)合，阻止水分子滲入地層。利用旋轉(zhuǎn)粘度計，失水儀、極壓潤滑儀等儀器，對其性能進(jìn)行了評價分析。結(jié)果表明，SLJWP 降濾失劑具有良好的降濾失、抗溫、潤滑、抗Na+污染能力。

1 實驗部分

1.1 主要實驗原料

丙烯酰胺（AM）、過硫酸銨、亞硫酸鈉、NaOH、Tween-80 均為分析純，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鈉（AMPS）、石蠟、鈉膨潤土等為工業(yè)純。

1.2 降濾失劑SLJWP 的合成

稱取一定量丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），攪拌均勻后加入到一定量去離子水中剪切乳化，得AM/AMPS 乳化液。在四口燒瓶中，將石蠟升溫融化，水浴設(shè)定一定溫度，加入Tween-80等表面活性劑，并用NaOH 調(diào)整pH 值到堿性。通高純氮氣置換空氣，開動攪拌器，然后分多次加入剪切乳化好的AM/AMPS 乳化液，升溫至一定溫度時，滴加一定量引發(fā)劑，反應(yīng)一段時間后得到含有大量的乳白色膠液。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

為驗證產(chǎn)物合成的情況，利用紅外光譜儀，測試樣品在4 000 cm-1～400 cm-1的紅外吸收光譜（見圖1）。

由譜圖1 可知，在3 455 cm-1處出現(xiàn)較寬的吸收峰，說明SLJWP 含有多羥基-OH，在2 923 cm-1和2 854 cm-1出現(xiàn)甲基和亞甲基的吸收峰，說明SLJWP 合成的長烷基鏈。1 649 cm-1出現(xiàn)酰胺基團的特征峰，芳環(huán)中C=C 的拉伸振動的吸收帶在1 601 cm-1處被觀察到。在1 391 cm-1附近是甲基-CH3的對稱伸縮振動吸收峰。1 650 cm-1C=C 的特征吸收峰消失，說明單體發(fā)生了聚合反應(yīng)。

圖1 降濾失劑SLJWP 的紅外圖譜

3 性能評價

3.1 基漿的配制

淡水基漿：在1 000 mL 水中加入40 g 膨潤土和0.8 g 無水碳酸鈉。

鹽水基漿：在1 000 mL 水中加入40 g 膨潤土、0.8 g無水碳酸鈉和40 gNaCl。

飽和鹽水基漿：在1 000 mL 水中加入40 g 膨潤土、0.8 g 無水碳酸鈉和360 gNaCl。

3.2 流變性和失水

配制4 %的基漿，用ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計和SD3 型多聯(lián)中壓濾失儀分別測定SLJWP 不同加量下的流變參數(shù)和濾失量，結(jié)果（見表1）。

表1 不同加量下SLJWP 降濾失劑的流變參數(shù)和濾失量

由表1 可知，隨著SLJWP 濃度增加，表觀粘度和塑性粘度均呈上升趨勢；濾失量則大幅度下降。

3.3 潤滑性能

用EP-2 型極壓潤滑儀、NF-1 型泥餅粘附系數(shù)測定儀、GNF-1 型高溫高壓粘附系數(shù)儀分別測定了4 %基漿和4 %基漿+1.0 % SLJWP（1#）體系的潤滑系數(shù)、泥餅粘附系數(shù)，結(jié)果（見表2）。由表2 可知，SLJWP 降濾失劑具有較好的潤滑性能。相對4 %基漿而言，潤滑系數(shù)降低了70 %左右，泥餅粘附系數(shù)降低了30 %。

表2 不同體系的潤滑性

3.4 抑制性

采用NP-01 型頁巖膨脹儀測試粘土在SLJWP 溶液中的線性膨脹率。粘土8 h 膨脹高度隨著SLJWP 濃度的變化情況（見圖2）。由圖2 可知，SLJWP 濃度為1.0 %時，頁巖膨脹高度已大幅度降低，當(dāng)濃度達(dá)到1.5 %時，其抑制頁巖膨脹的降低率達(dá)到69 %，濃度大于1.5 %時，抑制頁巖膨脹的效果基本不變。

圖2 頁巖膨脹高度隨SLJWP 降失水劑濃度的變化

3.5 抗鹽性能

分別在淡水基漿，鹽水基漿，飽和鹽水基漿中加入不同濃度SLJWP 降濾失劑，使其充分溶解后，測API失水，考察SLJWP 抗鹽污染能力。實驗結(jié)果（見表3）。從表3 可以看出：濾失量隨著降濾失劑加量的上升而下降，當(dāng)加量為l.5 %時，鹽水基漿的濾失量與淡水基漿的濾失量差別不大。這表明SLJWP 降濾失劑可以有效地控制泥漿的濾失量，具有較好抗鹽性能。

表3 SLJWP 降濾失劑在不同基漿中抗污染能力

3.6 老化溫度對SLJWP 降濾失性的影響

測定4 %基漿及基漿中加入1 % SLJWP 的鉆井液老化前后的濾失量，結(jié)果（見圖3）。由圖3 看出，溫度超過150 ℃后，基漿的濾失量明顯升高；溫度超過180 ℃后，SLJWP 鉆井液濾失量略有升高。

圖3 老化溫度對SLJWP 降濾失效果的影響

3.7 抗高溫濾失性及泥餅微觀形態(tài)

3.7.1 抗高溫濾失性 為了考察SLJWP 降濾失劑的優(yōu)越性，與目前常用聚合物降濾失劑、抗高溫降濾失劑進(jìn)行性能對比，結(jié)果（見表4、表5）。

表4 與常見聚合物降濾失劑的濾失性對比

表5 與抗高溫降濾失劑的濾失性對比

由表4 可知，在同樣條件下，SLJWP 降濾失劑的降濾失性能、鉆井液流變性抗溫能力明顯優(yōu)于常見的聚合物降濾失劑。同樣，從表5 數(shù)據(jù)可以看出，在同樣溫度下老化后，SLJWP 降濾失劑的降濾失性能明顯優(yōu)于SMP-Ⅰ、SPNH，這也從另一個方面體現(xiàn)了其具有良好的熱穩(wěn)定性。

3.7.2 泥餅的微觀形態(tài) 采用API 濾失試驗制得泥餅，試驗條件為常溫、0.69 MPa 下，壓制7.5 min。通過數(shù)碼照相機觀察泥餅結(jié)構(gòu)（見圖4）。

圖4 加入不同降濾失劑淡水基漿泥餅的數(shù)碼圖片

由圖4 可知，泥餅厚度：（a）為5 mm，（b）、（c）、（d）小于1 mm。（a）不添加降濾失劑的泥餅表面凹凸不平，泥餅厚而松散，用自來水沖洗泥餅，表面大量虛的泥餅被沖掉，但加入降濾失劑后，泥餅變得薄而致密。（b）、（c）、（d）雖然泥餅厚度相當(dāng)，但是（b）的泥餅致密，用大量自來水沖洗，都不易破壞其結(jié)構(gòu)，而（c）、（d）的泥餅較松散，容易被自來水沖散。表明使用SLJWP 聚合物降濾失劑的泥餅，泥餅結(jié)構(gòu)緊密，強度相對較高。

同時采用M7000 電子顯微鏡將上述制備的泥餅放大10 倍觀察泥餅微觀結(jié)構(gòu)（見圖5）。

由圖5 可知，（a）圖存在大量不同孔徑的孔隙；（b）圖基本沒有空隙且鉆井液呈云片狀封堵在濾紙上；（c）和（d）圖顆粒分布不均，存在一些大孔隙。從泥餅微觀圖片進(jìn)一步表明，使用SLJWP 聚合物降濾失劑的泥餅，泥餅顆粒分布均勻，結(jié)構(gòu)緊密。

4 結(jié)論

（1）SLJWP 降濾失劑具有良好的抑制頁巖膨脹能力，當(dāng)濃度達(dá)到1.5 %時，其抑制頁巖膨脹的降低率達(dá)到69%。

（2）SLJWP 降濾失劑具有良好的潤滑性能在4 %膨潤土漿中加入1.0 %SLJWP 降濾失劑后，潤滑系數(shù)降低了70 %左右，泥餅粘附系數(shù)降低了30 %。

圖5 加入不同降濾失劑后泥餅放大10 倍電子顯微圖片

（3）SLJWP 降濾失劑具有良好的降濾失性能。在4 %膨潤土漿中加入SLJWP 降濾失劑后，塑性粘度、表觀粘度、切力均呈上升趨勢而失水量則大幅度降低。同時，與常用的抗溫降濾失劑對比，其降濾失性能優(yōu)于SMP-1、SPNH。

（4）SLJWP 降濾失劑還具有良好抗鹽性，在飽和鹽水中，仍具有良好的降濾失效果。

［1］ 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)［M］.東營:石油大學(xué)出版社，2005：132-133.

［2］ 馬如然，馬喜平，王新勝，等.一種抗鹽抗溫降濾失劑的合成及性能研究［J］.山東化工，2011，40（3）：32-35.

［3］ 袁麗.鉆井液用潤滑降濾失劑SRHJ-1 的室內(nèi)研究［J］.鉆井液與完井液，2008，（6）：26-28.

［4］ 劉傳祿，唐仕忠.新型防卡降濾失劑PPL 的研究與應(yīng)用［J］.油田化學(xué)，1994，（4）：278-282.