新型抗高溫降濾失劑的研制與應(yīng)用

（中國石油大港油田石油工程研究院，天津300280）

油氣開采中，隨著鉆井深度不斷加深，深井和超深井將越來越多，鉆遇地層越來越復(fù)雜，抗高溫鉆井液處理劑的研究愈加受到關(guān)注。為了滿足在復(fù)雜地層鉆井、優(yōu)化鉆井、保護(hù)油氣層和提高鉆井質(zhì)量的需要，鉆井作業(yè)對(duì)鉆井液處理劑的抗溫性要求越來越高。因此，進(jìn)一步研制出一種新型水基抗高溫降濾失劑提高鉆井速度和保障井下安全仍具有重要意義[1]。

1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

國外抗高溫添加劑有：J.P.Plank等研制的新型磺酸鹽聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量在20萬左右，適應(yīng)溫度在200℃，具有抗飽和鹽水、抗鈣能力，與淀粉、CMC、PAC等失水添加劑合用，具有良好的抗高溫抗鹽抗鈣性能；J.Son.Adelina等研制的一種乙烯基磺酸鹽/乙烯基酰胺共聚物的抗高溫抗電解質(zhì)降失水添加劑，相對(duì)分子質(zhì)量為750000～2000000，用它配置的水基鉆井液，在204℃時(shí)仍能保持其穩(wěn)定性，并能容忍高電解質(zhì)的存在，在非分散性水基鉆井液中有助于抗大量固相和水泥雜質(zhì)的存在；I.J.Hellwell等研制的丙烯酰胺甲基烷磺酸鹽共聚物的添加劑。

國內(nèi)抗高溫添加劑：針對(duì)鉆井液降濾失劑在使用過程中存在的高溫增粘和遇到金屬離子污染增粘的問題,從降濾失劑的分子結(jié)構(gòu)出發(fā),通過苯氧(基)乙酸與苯酚、甲醛等縮聚磺化,合成出SPX樹脂，SPX樹脂單獨(dú)使用就具有抗飽和鹽抗高溫非增粘降濾失量的作用,SPX樹脂與SMC有良好的復(fù)配效果，在180～200℃條件下性能穩(wěn)定；采用硝酸氧解褐煤提高腐殖酸含量、在磺甲基化并與丙烯腈接枝共聚的方法制備具有抗高溫抗鹽降濾失性能的鉆井液，具有較好的降濾失作用和抑制性能，適用于各種水基鉆井液體系，可耐200℃高溫、耐飽和鹽水，具有較好的降濾失作用和抑制性能，適用于各種水基鉆井液體系，且價(jià)格低廉，具有較大的市場(chǎng)競爭力；以AMPS、丙烯酸、丙烯酰胺接枝共聚物與磺化腐植酸衍生物復(fù)配而成的鉆井液抗高溫降濾失劑OCL-JA，抗高溫250℃，具有良好的降濾失效果，兼有調(diào)節(jié)流型的功效[1～6]。

國內(nèi)外在抗高溫處理劑方面進(jìn)行了廣泛研究，目前雖然已有了深井鉆井液體系處理劑，但仍然滿足不了施工要求，井下復(fù)雜頻繁出現(xiàn)，油層保護(hù)性能和鉆井液的抗溫穩(wěn)定性能需進(jìn)一步提高，進(jìn)一步研制出一種水基抗高溫降濾失劑降低鉆井液的濾矢量、提高抗高溫效果并能保障井下安全仍具有重要意義。

2 研究內(nèi)容

抗高溫降濾失劑采用兩種以上的聚合物單體，在一定的溫度下與天然聚合物接枝共聚，聚合而成抗高溫降濾失劑。

天然聚合物鹽的合成：將天然聚合物烘干粉碎至40目，和堿液反應(yīng)，離心分離、離心排渣，制得液體天然聚合物鹽。

抗高溫降濾失劑的合成：將各種單體按照一定的比例分別加入蒸餾水中，在攪拌的情況下加入堿液，然后加入天然聚合物，在加入一定量的引發(fā)劑，攪拌均勻后常溫反應(yīng)，得凝膠狀產(chǎn)物。取出剪切造粒，于80℃下烘干、粉碎得黑色粉末狀共聚物降濾失劑。

2.1 單體的確定

由于采用的單體的品種和加量不同，室內(nèi)分別引入A（AA）、B（IA）、C（酰胺類單體）、D（烯類單體）、E(磺酸基單體)、F（DMAM）、G（MA）七種單體與天然聚合物進(jìn)行合成，通過中壓濾失量對(duì)以上單體進(jìn)行優(yōu)選，優(yōu)選出較好的單體（見圖1）。

圖1 共聚單體在鹽水鉆井液中的濾失量

通過對(duì)7種單體進(jìn)行優(yōu)選，選擇了C和D單體與天然聚合物進(jìn)行共聚，可以使220℃老化后的中壓濾失量控制在30mL左右。

2.2 反應(yīng)工藝條件的確定

在實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程中采用單因素法對(duì)聚合物的反應(yīng)工藝進(jìn)行研究，即采取一種工藝條件固定，而其余工藝條件變化的方法來確定反應(yīng)的最佳工藝條件，考察因素包括單體組成、引發(fā)溫度、pH值、引發(fā)劑的用量等。

將反應(yīng)后的產(chǎn)物進(jìn)行鉆井液性能評(píng)價(jià)，主要是中壓和高溫高壓濾失量（220℃、3.5MPa）的測(cè)定。

2.2.1 原材料配比的確定

室內(nèi)通過系列實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了各單體配比對(duì)聚合工藝的影響，從而確定了最佳合成配方。

從圖2可以看出：淡水基漿加樣濾失量控制在了10mL左右，鹽水基漿加樣濾失量也能控制在10mL左右。

圖2 淡水鉆井液和鹽水鉆井液中的濾失量

通過對(duì)抗高溫降濾失劑的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，確定了最佳配方，（15-30）AMPS：（10-25）酰胺類單體：（5-25）烯類單體：（30-45）天然聚合物鹽。

2.2.2 引發(fā)溫度的確定

為了確定聚合反應(yīng)體系的溫度，本實(shí)驗(yàn)在確定pH值、引發(fā)劑用量一定、單體配比也一定時(shí)，在不同溫度下進(jìn)行聚合反應(yīng)。再把不同溫度下所制得的產(chǎn)物加入鉆井液中進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見下圖3、圖4。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)抗高溫降濾失劑API濾失量的影響

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)抗高溫降濾失劑HTHP濾失量的影響

通過以上兩圖可以看出：抗高溫降濾失劑在淡水鉆井液和鹽水鉆井液中，API濾失量和HTHP濾失量隨著反應(yīng)溫度的升高逐漸降低，但變化不大，在產(chǎn)品合成過程中可以通過提高反應(yīng)溫度達(dá)到降濾失的目的，但是溫度的升高可以提高反應(yīng)單體的活性，加快反應(yīng)速度，聚合反應(yīng)速率加快。溫度較高時(shí)會(huì)加速引發(fā)劑的分解，加快聚合反應(yīng)速率，但溫度太高時(shí)，會(huì)在加快反應(yīng)速率的同時(shí)促使副反應(yīng)的進(jìn)行，因此選擇合適的引發(fā)溫度為20℃。

2.2.3 pH值的確定

在溫度一定、引發(fā)劑用量一定、單體配比一定的條件下，根據(jù)反應(yīng)體系的pH值的不同進(jìn)行聚合反應(yīng)，將所得產(chǎn)品進(jìn)行鉆井液性能評(píng)價(jià)，結(jié)果如下(見圖5)。

圖5 pH值對(duì)抗高溫降濾失劑HTHP濾失量的影響

通過圖5可以看出：抗高溫降濾失劑在淡水鉆井液中HTHP濾失量隨著pH值的增大逐漸增加，但變化都不大，在鹽水鉆井液中HTHP濾失量隨著pH值的增大逐漸增加，通過圖5，確定pH值為8。

2.2.4 引發(fā)劑用量的確定

當(dāng)溫度一定、單體配比不變，pH值也一定時(shí)，在不同的引發(fā)劑用量下進(jìn)行聚合反應(yīng)，將所得的產(chǎn)品進(jìn)行鉆井液性能評(píng)價(jià)，結(jié)果如下（見圖6、7）。

圖6 引發(fā)劑加量對(duì)抗高溫降濾失劑API濾失量

通過以上6、7兩圖可以看出：引發(fā)劑加量對(duì)抗高溫降濾失劑的性能影響不大，在淡水鉆井液中API濾失量和HTHP濾失量隨著引發(fā)劑加量的增加基本保持不變，在鹽水鉆井液中API濾失量隨著引發(fā)劑加量的增大，濾失量先保持不變，后隨著加量的增加逐漸增大，HTHP濾失量隨著引發(fā)劑加量的增加逐漸增大。通過以上實(shí)驗(yàn)分析，確定引發(fā)劑的量為單體總量的0.3%。

圖7 引發(fā)劑加量對(duì)抗高溫降濾失劑HTHP濾失量的影響

綜上所述，考察了不同條件下的情況，確定了反應(yīng)工藝條件為：

反應(yīng)配比：（15～30）AMPS：（10～25）酰胺類單體：（5～25）烯類單體：（30～45）天然聚合物鹽；溫度20℃；pH值為8；引發(fā)劑用量為0.3%下反應(yīng)；反應(yīng)時(shí)間為2～3h。

2.3 產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)

產(chǎn)品性能達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)參數(shù)要求，見表1。

表1 抗高溫降濾失劑降濾失性能

圖8 抗高溫降濾失劑與GJL-1和OCL-JA產(chǎn)品性能對(duì)比

將抗高溫降濾失劑與抗高溫降濾失劑GJL-1和抗高溫抗鹽降濾失劑OCL-JA進(jìn)行對(duì)比(圖8)，抗高溫降濾失劑能有效降低鉆井液高溫高壓濾失量與API濾失量，其效果優(yōu)于以上兩種產(chǎn)品。

3 產(chǎn)品對(duì)鉆井液性能的影響

抗高溫降濾失劑加入抗高溫鉆井液和聚磺鉆井液中，結(jié)果見表2和表3。

表2 抗高溫降濾失劑對(duì)抗高溫鉆井液性能的影響

表3 抗高溫降濾失劑對(duì)聚磺鉆井液性能的影響

聚磺鉆井液：4%膨潤土+0.2%～0.3%NaOH+0.1%～0.2%KPAM+0.5%～0.7%PAC-LV+6.0%-8.0%SMP-2+6.0-8.0%SMC+2%-3%的磺化瀝青。

綜上所述，從室內(nèi)評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，老化前后鉆井液性能變化不大，說明所研制的抗高溫降濾失劑與鉆井液具有良好的配伍性。

4 研究結(jié)論

①抗高溫降濾失劑以天然聚合物、AMPS、酰胺類單體、烯類單體為主要原材料，并按照（15～30）AMPS∶（10～25）酰胺類單體∶（5～25）烯類單體∶（30～45）天然聚合物鹽配方進(jìn)行合成。

②抗高溫降濾失劑與鉆井液有很好的配伍性。

③該產(chǎn)品具有較好的抗溫抗鹽性，在220℃條件下，能夠很好的降低中壓濾失量和高溫高壓濾失量。

[1]許娟，黃進(jìn)軍，李春霞，彭修軍.抗高溫降濾失劑PAX的合成及性能[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào).2004，26（2）：57-59.

[2]喬英杰，王慎敏，甄捷，張曉紅.抗高溫抗鹽降濾失劑SHK-AN的合成及性能研究[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào).2001，17（5）：86-90.

[3]王松.抗高溫鉆井液降濾失劑JHW的評(píng)價(jià)與應(yīng)用[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展.2001，2（8）：10-12.

[4]李建強(qiáng)，郭宗誠，秦大偉，于躍芹.鉆井液降濾失劑AMPS-AM-IA共聚物的合成[J].山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).2002，16（2）：43-46.

[5]劉盈，劉雨晴.新型陽離子抗高溫降濾失劑CAP的研制與室內(nèi)評(píng)價(jià)[J].油田化學(xué).1996，13（4）:294-298.

[6]王小石，唐仕忠，劉傳祿.新型高溫抗鹽降濾失劑RSTF的研究[J].鉆井液與完井液.1997，l4（2）：26-28.