抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ的合成與性能

何晨晨，羅春芝

(長江大學化學與環(huán)境工程學院,湖北 荊州 434023)

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抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ的合成與性能

何晨晨，羅春芝*

(長江大學化學與環(huán)境工程學院,湖北 荊州 434023)

選用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)4種單體，采用非常規(guī)的引發(fā)劑和pH值調(diào)節(jié)方法，以改進的水溶液自由基聚合法合成了抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ。確定了最佳合成條件為：n(AM)：n(R-AA):n(AMPS):n(NVP)=5∶1∶2∶2，反應溫度20 ℃，反應體系pH值10～11，反應時間4 h，引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的0.4%，用Na2CO3調(diào)節(jié)反應體系的pH值。YL-Ⅱ在淡水、飽和鹽水及復合鹽水鉆井液中均有良好的降濾失性能，表現(xiàn)出較好的抗鈣、抗鹽性能；抗溫溫度達到220 ℃，且在240 ℃時仍有一定的降濾失性能；在鉆井液體系中添加量較少，使用方便，能夠降低使用成本。

聚合物；降濾失劑；抗高溫；流變性

抗高溫降濾失劑是鉆井作業(yè)用量最大的材料之一，主要為磺化酚醛樹脂、磺化褐煤樹脂及聚合物降濾失劑。磺化酚醛樹脂類降濾失劑的抗溫性最高為180 ℃，且加量大；抗高溫聚合物降濾失劑的性能和價格因合成方法不同差異很大。國外同類產(chǎn)品價格達到10萬元·t-1以上，加量一般在1.5% 以下，抗溫240 ℃左右[1-3]；國內(nèi)產(chǎn)品價格為8萬元·t-1以上，加量在1.5%以下，抗溫210 ℃左右[4-6]。雖然國內(nèi)產(chǎn)品價格相對較低，但與國外產(chǎn)品在抗溫性上有不小的差距。通過分析聚合物分子量的控制與引發(fā)劑體系類型及反應體系酸堿度大小之間的關系，發(fā)現(xiàn)改變常規(guī)的引發(fā)劑體系及聚合反應體系pH值的控制方法，使反應變得溫和易于控制，爆聚幾率減少，產(chǎn)物性能穩(wěn)定[7]。為此，作者選用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)4種單體，選擇具有吸附特性的皂土類物質(zhì)與常規(guī)的氧化還原引發(fā)劑形成引發(fā)劑體系，用Na2CO3調(diào)節(jié)反應體系的pH值，在堿性條件下合成了抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ，并考察了降濾失劑的性能。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

碳酸鈉、氫氧化鈉、氯化鈉、過硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、乙二胺四乙酸二鈉，分析純；丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、膨潤土，工業(yè)級。

HH-1型數(shù)顯恒溫水浴鍋、JJ-1型定時電動攪拌器，江蘇金壇金城國盛實驗儀器廠；ZNN-D6型六速旋轉黏度計、BGRL-2型滾子加熱爐，青島奧斯特石油科技有限公司；GJS-B12K型變頻高速攪拌機、ZNS型濾失儀、DFC-0705型高溫高壓濾失儀，青島海通達專用儀器廠；TQ-300T型高速多功能粉碎機，永康天祺盛世工貿(mào)有限公司。

1.2 方法

1.2.1 合成方法

在室溫下將單體AM、AMPS、R-AA、NVP以一定比例溶解于去離子水中，用Na2CO3調(diào)節(jié)溶液pH值至10～11，加入一定量皂土類物質(zhì)攪勻。將溶液轉移至三口燒瓶中恒溫攪拌,通入氮氣30 min后間隔滴加過硫酸鈉和亞硫酸氫鈉溶液，待生成無色至淺黃色黏稠狀產(chǎn)物且黏度不再發(fā)生變化即停止反應。用丙酮洗滌產(chǎn)物，再用乙醇反復洗滌，在75 ℃下烘干產(chǎn)物并粉碎至100目以上，即得抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ。

1.2.2 結構表征

采用紅外光譜儀對樣品進行結構表征。

1.2.3 性能評價[8]

降濾失性能：評價樣品在4%膨潤土淡水漿、淡水鉆井液、飽和鹽水鉆井液和復合鹽水鉆井液中加量為1%時，150 ℃下高溫滾動16 h后的流變性及濾失量。濾失量越小，降濾失性能越好。

抗溫性能：評價樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%時，在160～240 ℃高溫滾動16 h后，在高溫高壓(相應的老化溫度，3.5 MPa)條件下的流變性和濾失量。流變性和濾失量變化越小，抗溫性能越好。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析(圖1)

2.2 合成條件的優(yōu)化[10]

2.2.1 單體比

設定反應溫度為25 ℃、反應體系pH值為10、引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的0.4%，采用不同單體比[n(AM)∶n(R-AA)∶n(AMPS)∶n(NVP)]合成樣品，評價其在4%膨潤土淡水漿中加量為1%時的降濾失性能，結果見表1。

表1 單體比對樣品降濾失性能的影響

Tab.1 Effect of monomer ratio on the filtration loss of samples

單體比AVmPa·sPVmPa·sYP Pa 濾失量mL-6.04.58.425.51∶1∶1∶117.314.525.06.83∶2∶3∶316.012.522.77.93∶3∶3∶130.020.540.914.53∶1∶4∶231.021.042.412.44∶1∶3∶219.316.528.17.84∶2∶3∶122.018.030.69.65∶1∶2∶223.321.039.65.84∶1∶3∶328.320.539.37.05∶1∶3∶326.319.536.86.45∶1∶3∶128.022.540.26.0

注：AV為表現(xiàn)黏度；PV為塑性黏度；YP為動切力。下表同。

從表1可以看出，單體比為5∶1∶2∶2時，樣品降濾失效果最好，其次是單體比為5∶1∶3∶1時。比較這兩個樣品組成，發(fā)現(xiàn)適當提高AM及AMPS在四元體系中的比例可提高樣品的降濾失性能。

2.2.2 反應體系pH值

設定單體比為5∶1∶2∶2、反應溫度為20 ℃、引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的0.4%、樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%，考察反應體系pH值對樣品降濾失性能的影響，結果見表2。

從表2可以看出，當反應體系pH值為10～11時，濾失量最低，所以確定反應體系最佳pH值為10～11。

2.2.3 反應溫度

設定單體比為5∶1∶2∶2、反應體系pH值為10、引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的0.4%、樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%，考察反應溫度對樣品降濾失性能的影響，結果見表3。

表2 pH值對樣品降濾失性能的影響

Tab.2 Effect of pH value on the filtration loss of samples

pH值AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/Pa濾失量/mL623.818.033.56.0728.511.540.16.5813.510.519.27.5912.510.017.99.51028.321.029.65.81125.019.525.55.91223.420.034.16.0

表3 反應溫度對樣品降濾失性能的影響

Tab.3 Effect of reaction temperature on the filtration loss of samples

由表3可以看出，當反應溫度為20 ℃時，濾失量最低，所以確定最佳反應溫度為20 ℃。

2.3 樣品在不同鉆井液中的降濾失性能

在選擇單體物質(zhì)的過程中，選擇了NVP，其所含的五元環(huán)的內(nèi)脂酰胺基對鈣、鹽侵入有良好的抵抗力，在多種含有NaCl及CaCl2的鉆井液體系中具有良好的性能。

樣品在淡水鉆井液、飽和鹽水鉆井液及復合鹽水鉆井液中的降濾失性能見表4。

由表4可以看出，樣品在淡水、飽和鹽水及復合鹽水鉆井液中均有良好的降濾失性能。表明該樣品表現(xiàn)出良好的抗鈣、抗鹽性能，能夠適應多種鉆井液體系。

2.4 抗溫性能

樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%時的抗溫性能見表5。

從表5可以看出，樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%時，在220 ℃時有較強的降濾失性能；在240 ℃時依然有一定的降濾失性能。

表4 樣品在不同鉆井液中的降濾失性能

Tab.4 The filtration loss of sample in different drilling fluids

鉆井液類型樣品加量%AVmPa·sPVmPa·s YP Pa濾失量mL淡水06.04.58.425.50.314.811.020.77.20.518.814.526.66.70.721.816.530.76.21.028.321.029.65.81.538.028.053.15.7飽和鹽水05.04.07.2119.00.38.07.011.852.00.511.07.015.332.50.716.015.522.714.81.018.315.026.39.21.518.515.026.18.6復合鹽水02.52.53.8100.50.33.02.54.315.60.54.03.55.910.20.74.84.57.29.81.06.06.09.26.41.58.58.513.06.0

表5 樣品的抗溫性能

Tab.5 Temperature resistance of sample

3 結論

選用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)4種單體，采用非常規(guī)的引發(fā)劑和pH值調(diào)節(jié)方法，以改進的水溶液自由基聚合法合成了抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ。確定了最佳合成條件為：n(AM)：n(R-AA):n(AMPS):n(NVP)=5∶1∶2∶2，反應溫度20 ℃，反應體系pH值10～11，反應時間4 h，引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的0.4%，用Na2CO3調(diào)節(jié)反應體系的pH值。YL-Ⅱ在淡水、飽和鹽水及復合鹽水鉆井液中均有良好的降濾失性能，表現(xiàn)出較好的抗鈣、抗鹽性能；抗溫溫度達到220 ℃，且在240 ℃時仍有一定的降濾失性能；在鉆井液體系中添加量較少，使用方便，能夠降低使用成本。

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Synthesis and Property of Anti-High Temperature Polymer Filtrate Reducer YL-Ⅱ

HE Chen-chen,LUO Chun-zhi*

(CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China)

Using four kinds of monomers:acrylamide(AM),2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid(AMPS),acrylic acid alkyl(R-AA),andN-vinyl pyrrole alkyl ketone(NVP),we synthesized anti-high temperature polymer filtrate reducer YL-Ⅱ by the aqueous solution radical polymerization with unconventional initiator and pH value adjustment method.The optimum synthesis conditions were as follows:n(AM)∶n(R-AA)∶n(AMPS)∶n(NVP) of 5∶1∶2∶2,reaction temperature of 20 ℃,pH value of reactiom system of 10～11,reaction time of 4 h,initiator amount of 0.4% of total monomers mass,pH value adjustment by Na2CO3.YL-Ⅱpossessed good filtrate reduction property in freshwater drilling fluids,saturated brine drilling fluids,and compound brine drilling fluids,which showed better calcium resistance and salt resistance.The anti temperature of YL-Ⅱreached 220 ℃,even YL-Ⅱhad certain filtrate reduction property at 240 ℃.YL-Ⅱhad a little addition quantity in drilling fluid system,which had advantages of convenient operation and low cost.

polymer;filtrate reducer;anti-high temperature;rheology

2017-03-08

何晨晨(1990-)，女，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向：油田化學品，E-mail:1165573462@qq.com；通訊作者：羅春芝，副教授，E-mail:87638702@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.07.009

TE254.4

A

1672-5425(2017)07-0043-04

何晨晨，羅春芝.抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ的合成與性能[J].化學與生物工程，2017，34(7)：43-46.