AM、AMPS、NVP、APEG四元共聚物降濾失劑的合成

中國石化江漢石油工程公司鉆井一公司

AM、AMPS、NVP、APEG四元共聚物降濾失劑的合成

吳雪平中國石化江漢石油工程公司鉆井一公司

采用丙烯酰胺、2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸、烯丙基聚乙二醇、N—乙烯基吡咯烷酮為主要單體，合成出具有一定抗溫抗鹽鈣性能的四元共聚物降濾失劑。對合成的共聚物進行性能評價可知，經過180℃高溫老化后的API濾失量為8.2mL。該降濾失劑的加入對鉆井液的流變性影響不大，確定最優加量為0.8%。AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物降濾失劑具有良好的抗鹽鈣能力，當NaCl濃度為20%，CaCl2的濃度為1%時，未出現惡性漏失的情況，且濾失量控制在合適的范圍內。

降濾失劑；抗溫；抗鹽；流變性；濾矢量

國外學者和研究人員對共聚物降濾失劑開展了大量研究[1-2]，獲得了眾多抗高溫抗鹽鈣的聚合物，同時得到了廣泛的使用。本文采用丙烯酰胺、2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸、烯丙基聚乙二醇、N—乙烯基吡咯烷酮為主要單體，合成出具有一定抗溫抗鹽鈣性能的四元共聚物降濾失劑。利用聚氧乙烯基長側鍵和吡咯烷環的剛性結構增加了聚合物的抗溫能力，減緩其分子主鏈的熱氧降解。聚氧乙烯長側鍵還可以起到分散黏土顆粒的作用。

1 室內實驗

1.1 試劑與儀器

主要試劑：丙烯酰胺（AM）、2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸（AMPS）、烯丙基聚乙二醇（APEG—1000）、N—乙烯基吡咯烷酮（NVP）、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、氫氧化鈉、無水乙醇、Na-Cl、CaCl2，均為分析純。

主要儀器：三口燒瓶、集熱式恒溫加熱磁力攪拌器、精密增力電動攪拌器、電子天平、pH計、真空干燥箱。

1.2 合成

稱取一定量AMPS、AM分別溶解于去離子水中，用NaOH調整AMPS溶液的pH值至中性。將AMPS溶液、AM溶液加入帶回流裝置的三口燒瓶中，邊攪拌邊依次加入一定量APEG和NVP。溶解完全后通入氮氣以除去氧氣。開始加熱，等溫度達到預定值時加入一定量的引發劑并開始計時。反應一段時間后得到凝膠狀產物，利用無水乙醇多次洗滌，將白色絮狀產物剪切造粒，并真空烘干和粉碎，得到白粉末狀產物。

1.3 基漿配制

（1）淡水基漿。在1000mL溫水中加入4%的鈉膨潤土(符合石油天然氣行業標準SY/T5060—93的規定)，攪拌后加入24g純堿，高速攪拌2h，置于室溫下養護24h，即得淡水基漿。

（2）鹽水基漿。取配好的淡水基漿400mL，分別加入一定量的NaCl，低速攪拌1h，制得鹽水基漿。

（3）含鈣基漿。取配好的淡水基漿400mL，分別加入一定量的CaCl2，低速攪拌1h，制得含鈣基漿。

2 結果與討論

2.1 共聚物鉆井液的抗溫性能

將AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物降濾失劑加入4.0%的淡水基漿中，通過實驗測定鉆井液180℃高溫老化前后的流變性及其API濾失量[3]。

由降濾失劑的加量對鉆井液API濾失量的影響曲線可看出，AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物降濾失劑可以大幅度降低鉆井液的API濾失量。當濃度僅為0.4%時，老化前后的API濾失量分別為9.4和11mL；當濃度為0.8%時，老化前后的API濾失量6.2和8.2mL；當濃度高于0.8%時，API濾失量變化不大。這是因為四元共聚物上的酰胺基、醚鍵等吸附基團對黏土顆粒具有很強的吸附能力，磺酸基團能給黏土顆粒帶來吸附水化層，給黏土顆粒的聚結產生了機械阻力，使得黏土顆粒不易團聚。即便經過高溫老化，仍能對黏土顆粒起到良好的護膠作用，保持較低的API濾失量。

由降濾失劑的加量對鉆井液流變性的影響實驗可知，隨著共聚物濃度的增加，鉆井液的表觀黏度和塑性黏度逐漸增加，但是增幅并不大。說明共聚物降濾失劑的黏度效應較小，加入后對鉆井液的流變性影響不大。綜上可知，共聚物降濾失劑的最優加量為0.8%。

同時測定了共聚物降濾失劑的加量在0.8%時，鉆井液在不同老化溫度下的API濾失量。結果表明，隨著老化溫度的增加，API濾失量逐漸增加，這是因為AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物為線性分子結構，在高溫下會發生降解，同時由于分子的熱運動，黏土顆粒團聚的趨勢加強。溫度的增加會使降濾失劑對黏土顆粒的護膠作用減弱，因此濾失量增加。

2.2 共聚物鉆井液的抗鹽性能

在4%的基漿里加入0.8%的共聚物降濾失劑，攪拌均勻后加入一定量的NaCl，測定其180℃/16h老化前后的流變性和濾失性能。實驗結果見表1。由實驗結果可以看出，NaCl的加入使聚合物鉆井液老化前后的黏度降低，且隨著濃度的增加，降低的幅度越來越大，這主要是因為NaCl的加入可壓縮雙電層，使得黏土顆粒發生聚結，鉆井液的分散度降低，從而加劇了共聚物和黏土顆粒的高溫聚結作用，宏觀上導致AV、PV和YP逐漸降低。鉆井液的API濾失量也有逐漸增大的趨勢，但未出現惡性濾失，說明AM/AMPS/NVP/APEG具有較強的抗鹽能力。

表1 四元共聚物鹽水鉆井液的流變性與濾失性能

2.3 共聚物鉆井液的抗鈣性能

鈣侵問題也是在鉆井過程中常遇到的問題。在4%的基漿里加入1.6%的AM/AMPS/NVP/APEG共聚物降濾失劑，攪拌均勻后加入一定量的CaCl2，測定其180℃/16h老化前后的流變性和濾失性能，以考查聚合物鉆井液的抗鈣侵能力。

從實驗結果可以看出，隨著CaCl2濃度的增加，鉆井液的表觀黏度和塑性黏度逐漸降低，濾失量逐漸增加，當濃度為1%時，濾失量仍控制在一定范圍內。說明CaCl2的加入使得鉆井液的分散度降低，加劇了共聚物和黏土顆粒的高溫聚結作用。但未出現惡性濾失，說明聚合物鉆井液具有良好的抗鈣性能。

3 結論

（1）首次采用AM、AMPS、APEG、NVP四種單體進行共聚合，合成了一種新型的水基鉆井液用抗高溫降濾失劑。

（2）對合成的共聚物進行性能評價可知，經過180℃高溫老化后的API濾失量為8.2mL。該降濾失劑的加入對鉆井液的流變性影響不大，確定最優加量為0.8%。

（3）AM/AMPS/NVP/APEG四元共聚物降濾失劑具有良好的抗鹽、抗鈣能力，當NaCl濃度為20%，CaCl2的濃度為1%時，未出現惡性漏失的情況，且濾失量控制在合適的范圍內。

[1]PlankJP，etal．FieldExperienceWithaNovelCalcium-Tolerant Fluid-LossadditiveforDrillingMuds[C]．SPE18372.

[2]楊小華．AOIAS/AM/AA共聚物鉆井液降濾失劑的合成[J]．精細與專用化學品，2007，15（19）：22-24.

[3]王中華，王旭．超高溫鉆井液體系研究(Ⅲ)——抗鹽高溫高壓降濾失劑研制[J]．石油鉆探技術，2009，37（5）：5-9．

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.11.021