反相乳液聚合法制備鉆井液抗溫增黏提切劑及其性能評價

肖灃峰，馮學榮，溫建泰，陳璐鑫，夏成宇

(1.中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司，四川 成都 610051；2.中國石油大學(北京)石油工程學院，北京 102249；3.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

隨著石油勘探開發(fā)向深層拓展，井底溫度越來越高，這對鉆井液增黏提切劑的抗溫性能提出了更高要求。但常用的鉆井液增黏提切劑如黃原膠、聚丙烯酰類等耐溫抗鹽能力較差，不能滿足高溫深井鉆井液的攜巖要求[1-4]。為進一步提高增黏提切劑的耐溫抗鹽能力，人們通過使用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸等耐溫單體，研制了多種抗溫增黏提切劑，取得了較好的抗溫增黏效果[5-8]。但這些增黏提切劑多為通過水溶液聚合法制備的粉狀產品，由于增黏提切劑相對分子質量較高，使用過程中粉狀產品的溶解速度較慢，難以直接加入到鉆井液中，而通過配置膠液使用則存在費時費力的問題[9-10]。與常用的水溶液聚合法相比，反相乳液聚合法產物具有固含高、溶解性好、后續(xù)處理方便等優(yōu)點[11-13]，具有良好的推廣前景，但在增黏提切劑方面還鮮見報道。

有鑒于此，筆者選用2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸(AMPS)、功能單體(SST)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)等單體，通過反相乳液聚合法制備抗溫增黏提切劑，采用紅外光譜、烏式黏度計等多種儀器對增黏劑進行了表征，并評價了其抗溫增黏性能和攜巖性能。

1 實 驗

1.1 主要材料及儀器

AMPS、DMAM，工業(yè)品；NVP、SST、2,2′-偶氮二異丁基脒二鹽酸鹽(AIBI)、氫氧化鈉，氯化鈉、無水乙醇，分析純。

TENSOR型傅里葉紅外光譜儀，非稀釋型烏氏黏度計，ZNN-D6型六速旋轉黏度計，高溫滾子爐。

1.2 增黏提切劑的制備

將一定量的Span-80加入到裝有200 mL白油的三口燒瓶中，攪拌均勻后得到油相物料；將9.5 g DMAM、2.5 g AMPS、5.5 g NVP、2.5 g功能單體SST和2 g 十二烷基硫酸鈉加入到50 mL蒸餾水中，用20%NaOH水溶液調節(jié)單體混合液的pH值至中性，得到水相物料；在600 r/min的攪拌速率下，將水相物料滴加到裝有油相物料的三口燒瓶中，持續(xù)攪拌30 min，得到反應乳液。通N2除氧30 min，升溫至60 ℃，加入40 mg偶氮二異丁基脒鹽酸鹽，反應5 h，向反應液中加入5.5 g轉向劑Tween 80，攪拌10 min，取下層透明混合液，用丙酮洗滌，沉淀，烘干，粉碎，得抗溫反相乳液聚合物增黏提切劑(VIS-F)。

1.3 鉆井液基漿的配制

1)淡水基漿。使用變頻高速攪拌機，在攪拌條件下將3 g純堿和40 g鈉土分散在1 000 mL水中，并在10 000 r/min下攪拌30 min,室溫放置養(yǎng)護48 h，即得淡水基漿。

2)鹽水基漿。將淡水基漿在室溫下密閉養(yǎng)護24 h后加入5%NaCl，在10 000 r/min下攪拌30 min后室溫密閉養(yǎng)護24 h，即得鹽水基漿。

3)飽和鹽水基漿。將淡水基漿在室溫下密閉養(yǎng)護24 h后加入36%NaCl，在變頻高速攪拌機上于10 000 r/min下攪拌30 min后室溫密閉養(yǎng)護24 h，即得飽和鹽水基漿。

4)復合鹽水基漿。將鹽水基漿在室溫下密閉養(yǎng)護24 h后加入0.5%CaCl2，在變頻高速攪拌機上于10 000 r/min下攪拌30 min后室溫密閉養(yǎng)護24 h，即得復合鹽水基漿。

1.4 攜巖性能模擬評價

采用大斜度井井眼凈化模擬實驗裝置[14]對VIS-F的攜巖性能進行評價。試驗中模擬機械鉆速5 m/s，由于使用膨潤土配漿后，無法觀察巖屑運移現(xiàn)象，所以當實驗穩(wěn)定后，通過稱量環(huán)空中的巖屑質量計算實巖屑攜帶效率來評價鉆井液的攜巖能力。

2 結果與討論

2.1 正交實驗

以A(油水比)、B(乳化劑用量，%)、C(引發(fā)劑用量，%)、D[n(AMPS)∶n(NVP)∶n(DMAM)∶n(SST)]、E(反應溫度/℃)為考察因素，根據180 ℃高溫老化后，增黏提切劑在鉆井液基漿中的增黏效果為考察指標，采用L16(45)正交表進行實驗。因素水平見表1,正交實驗數(shù)據及處理結果見表2。其中，鉆井液配方為3%基漿+1%增黏提切劑+0.3%無水亞硫酸鈉。

表1 因素水平表

表2 L16(45)正交實驗數(shù)據及處理結果

從表2可見，影響處理劑抗溫增黏性能的因素排序為：單體摩爾比>油水比>反應溫度>引發(fā)劑用量>乳化劑用量。處理劑的最優(yōu)制備條件為A3B3C4D3E1,即：油水比1∶1，乳化劑用量6%、引發(fā)劑用量0.3%、n(AMPS)∶n(NVP)∶n(DMAM)∶n(SST)=6∶1∶3∶1、反應溫度50 ℃。3次驗證結果表明,180 ℃高溫老化后，增黏提切劑在鉆井液基漿中的黏度分別為25.375,22.875,23.375 mPa·s。

2.2 增黏提切劑的紅外光譜表征

VIS-F的紅外光譜如圖1所示。

圖1 增黏提切劑VIS-F的紅外光譜

由圖1可見，AMPS中磺酸基團的特征峰在1 035.97 cm-1和1 203.61 cm-1處；—CH和—CH2的彎曲振動峰在1 447.92 cm-1和1 539.84 cm-1處，2 928.05 cm-1處為長鏈疏水單元中—CH2的伸縮振動峰；1 656.89 cm-1處為吡咯烷酮環(huán)中CO的伸縮振動峰，1 309.77cm-1處為吡咯烷酮環(huán)的—C—N—伸縮振動峰；3 430.94 cm-1處為酰胺基團中N—H的伸縮振動峰。綜上，聚合物分子中含有磺酸基、吡咯烷酮環(huán)和長碳鏈疏水基等基團，為目標聚合物。

2.3 黏均相對分子質量的測定

2.4 增黏提切劑的性能

2.4.1 抗溫性能

表3為增黏提切劑在不同類型鉆井液基漿中的增黏提切性能。由表3可知:室溫下，VIS-F在不同類型的鉆井液基漿中均具有良好的增黏提切作用，其增黏提切效果明顯優(yōu)于80A51；180 ℃高溫老化后，VIS-F在淡水、鹽水鉆井液基漿中的粘切保持率達76%以上，160 ℃高溫老化后，VIS-F在飽和鹽水、復合鹽水鉆井液基漿中的粘切保持率達70%以上。測試結果表明，VIS-F具有良好的抗高溫、抗鹽增黏性能，其抗溫增黏提切性能優(yōu)于80A51。

表3 VIS-F在不同類型鉆井液中的增黏提切性能

通過分析VIS-F的分子結構可知，聚合物分子中含有大量的AMPS單元和DMAM單元，這兩種單元的引入可提高聚合物分子鏈剛性，提高聚合物的耐溫性。同時，AMPS鏈節(jié)中的磺酸基為具有優(yōu)良抗溫抗鹽性能的強水化基團，能提高聚合物的水溶性；DMAM鏈節(jié)中的酰胺基對黏土具有較強的吸附性，能提高聚合物對黏土的護膠能力。VIS-F的分子中NVP單元為五元環(huán)狀結構，能進一步增加聚合物鏈剛性和熱穩(wěn)定性。功能單體中的締合基團具有很強的締合增黏作用，有利于提高其增黏提切能力，保持鉆井液在高溫下的結構力。

2.4.2 攜巖性能

由于受到現(xiàn)場泥漿泵功率限制，鉆井液的環(huán)空返速較低，所以在攜巖模擬實驗中采用了較低的鉆井液排量。表4為含有增黏提切劑實驗漿的攜巖性能、圖2～圖4為增黏提切劑在不同條件下的攜巖性能。試驗中基本條件如下：偏心度0，巖屑粒徑2 mm，環(huán)空返速0.25 m/s，井斜角55°，鉆桿轉速80 r/min。通過單因素實驗考察了井斜角、鉆桿轉速及環(huán)空返速等條件對井眼凈化能力的影響?？疾炷骋灰蛩赜绊憰r，保持其他條件不變。

由表4可知，含有VIS-F的1#實驗漿的粘切參數(shù)明顯高于2#實驗漿，因此理論上具有更好的攜巖性能。由圖2～圖4可見，在相同鉆桿轉速、鉆井液排量、井斜角等條件下，1#實驗漿對模擬環(huán)空中的巖屑攜帶效率均比2#更高，因此，1#實驗漿比2#鉆井液的攜巖能力更強。

表4 攜巖模擬試驗用鉆井液配方和性能

圖2 鉆桿轉速與巖屑攜帶效率的關系

圖3 井斜角與巖屑攜帶效率的關系

圖4 鉆井液環(huán)空返速與巖屑攜帶效率的關系

另外，由圖2可見，隨著鉆桿轉速的增加，實驗漿對巖屑的攜帶效率明顯升高，鉆井液的攜巖能力顯著增強。這是因為鉆桿轉動會增加環(huán)空的擾動作用，使得環(huán)空流體產生了切向速度，給巖屑顆粒提供一個旋轉舉升力，使環(huán)空巖屑更容易達到懸浮流動。

從圖3可見，隨井斜角的增加，鉆井液對環(huán)空巖屑的攜巖效率呈降低趨勢。當井斜角高于75°時，實驗漿對巖屑的攜帶效率明顯降低。以1#實驗漿為例，當井斜角為75°時，環(huán)空巖屑床質量最大為3.83 kg；當井斜角升高至90°時，環(huán)空巖屑床質量為5.63 kg。該井斜角升高過程對鉆井液巖屑攜帶效率的降低率達8%，非常不利于鉆井液的攜巖作用。

由圖4可知，實驗漿對巖屑的攜帶效率隨著環(huán)空返速的增大而增加，且存在一個臨界流速。當環(huán)空返速高于 0.3 m/s時，環(huán)空巖屑床質量明顯降低，實驗漿對巖屑的攜帶效率明顯提高，因此提高鉆井液環(huán)空返速更加有利于巖屑運移。

3 結 論

a.采用反相乳液聚合法制備了鉆井液抗溫增黏提切劑VIS-F，最優(yōu)制備條件為：n(AMPS)∶n(NVP)∶n(DMAM)∶n(SST)=6∶1∶3∶1，油水比1∶1，反應溫度50 ℃，引發(fā)劑用量0.3%，乳化劑用量6%。

b.鉆井液抗溫增黏提切劑VIS-F在各類鉆井液基漿中的抗溫效果優(yōu)良，其中：VIS-F在淡水、鹽水鉆井液基漿中可抗180 ℃高溫；VIS-F在飽和鹽水、復合鹽水鉆井液基漿中可抗160 ℃高溫，其抗溫增黏提切性能優(yōu)于國內同類代表性處理劑80A51。VIS-F在鉆井液基漿中的攜巖效果優(yōu)良，在低環(huán)空排量條件下，含有增黏提切劑VIS-F的鉆井液對環(huán)空巖屑的攜帶效率最高可達85%以上。