耐溫抗高鈣鹽降濾失劑的合成及其性能評價

蔣官澄，李 威，姚如鋼

（中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249）

隨著勘探技術(shù)的進(jìn)步，人們已可以逐步深入至膏鹽巖地層的高溫高壓深井進(jìn)行油氣開采。用于高溫高壓深井的鉆井液應(yīng)具有良好的抗高溫、高鹽和高鈣性能。鉆井液在高溫高鹽高鈣下的濾失量可衡量該鉆井液能否順利用于這類膏鹽巖地層［1-6］。由于常用的鉆井液不能完全滿足高溫高壓深井安全、快速和高效鉆井的需要，近年來，國內(nèi)外開發(fā)了許多抗高溫、高鹽和高鈣降濾失劑［7-9］，本課題組也曾合成過一些新型的降濾失劑［10-14］，但這些降濾失劑在高溫、高鹽及高鈣下的高溫高壓濾失性能仍有待提高。由于納米二氧化硅（nano-SiO2）可提高聚合物的熱穩(wěn)定性［15-16］，因此可考慮在降濾失劑中使用nano-SiO2以提高降濾失劑的熱穩(wěn)定性。

本工作以丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）及丙烯酸（AA）為單體，引入nano-SiO2合成了降濾失劑P（AM-AMPS-AA-DMDAAC）/nano-SiO2（簡稱LX-2）；利用FTIR和TG等方法分析了LX-2的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性，并考察了LX-2的降濾失性能、耐溫性能、抗鹽和抗鈣性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

AM：分析純，北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司；DMDAAC：化學(xué)純，山東魯岳化工司；AA：分析純，上海隆騰化工有限公司；nano-SiO2：工業(yè)品，南京海泰納米材料有限公司；AMPS：化學(xué)純，上海凱賽化工有限公司；過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、無水碳酸鈉、KOH、CaO、NaCl、CaCl2、KCl：分析純，西隴化工股份有限公司；抗高溫降濾失劑（SPNH和SMP-2）、磺化瀝青（FT-1）：工業(yè)品，中國石油鉆井工程技術(shù)研究院；兩性離子聚合物包被劑（FA-367）：工業(yè)品，濟南聚鑫化工公司；現(xiàn)場應(yīng)用抗高溫抗鹽防塌降濾失劑（KFT）、現(xiàn)場應(yīng)用抗高溫降濾失劑（GJL-2）：工業(yè)品，中國石油長城鉆探工程分公司。膨潤土：工業(yè)品，濰坊華濰膨潤土集團有限公司。

SD6A型多聯(lián)中壓濾失儀：膠南同春石油儀器有限公司；ZNN-D6A型六速旋轉(zhuǎn)黏度儀、XGRL-4型高溫滾子加熱爐、GJSS-B12K型變頻高速攪拌器和GGS71-A型高溫高壓失水儀：青島海通達(dá)專用儀器制造廠；Magna-IR 560型傅里葉變換紅外光譜儀：Nicolet公司；TGA/SDTA850型熱重分析儀：Mettler-Toledo公司。

1.2 LX-2的合成方法

用水依次溶解0.56 g CaO與2 mL AA，充分?jǐn)嚢韬蠹尤?0.00 g AMPS和0.50 g nano-SiO2，之后再加入20.00 g AM和8 mL DMDAAC 混合溶液，共同加入至250 mL 三口燒瓶中，攪拌下加入KOH調(diào)節(jié)溶液pH=6～7，升溫至30 ℃，加入引發(fā)劑（過硫酸銨和亞硫酸氫鈉各0.05 g），攪拌45 min，將所得凝膠狀產(chǎn)物在110 ℃下烘干、粉碎，即得到白色粉末狀降濾失劑LX-2。

1.3 鉆井液的配制方法

淡水基漿的配制：在4 L水中加入12 g無水碳酸鈉，攪拌至其全部溶解后加入80 g膨潤土，攪拌3 h，在室溫下放置24 h，得到膨潤土含量為2%（w）的淡水基漿。

鉆井液的配制：在淡水基漿中加入不同的降濾失劑及處理劑，高速攪拌20 min可得到不同的鉆井液。對于需老化的鉆井液，使用高溫滾子加熱爐將鉆井液在特定溫度下老化16 h，然后冷卻至室溫高速攪拌10 min。

1.4 分析方法

LX-2的結(jié)構(gòu)用傅里葉變換紅外光譜儀測定；LX-2的熱性能用熱重分析儀測定，升溫速率10℃/min。

用六速旋轉(zhuǎn)黏度儀測定鉆井液的流變性能；用多聯(lián)中壓濾失儀和高溫高壓失水儀分別測定鉆井液的美國石油協(xié)會（API）濾失量和高溫高壓濾失量。

抑制性測定方法：將膨潤土在壓片機上制作成人造巖心，然后將巖心浸泡在不同的溶液里，記錄巖心在膨脹儀中的膨脹高度，從而判定溶液的抑制性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR的表征結(jié)果

LX-2的FTIR譜圖見圖1。

圖1 LX-2的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectrum of P(AM-AMPS-AA-DMDAAC)/nano-SiO2(LX-2).

從圖1可看出，1 655，3 423 cm-1處出現(xiàn)了歸屬于酰胺基的特征吸收峰；2 850，2 920 cm-1處出現(xiàn)了歸屬于—CH3鍵的伸縮振動吸收峰；1 184 cm-1處出現(xiàn)了歸屬于羧基的振動吸收峰；1 039 cm-1處出現(xiàn)了歸屬于磺酸基的振動吸收峰；1 450 cm-1處出現(xiàn)了亞甲基的變形振動吸收峰；1 560 cm-1處出現(xiàn)了—NH2基中N—H鍵的振動吸收峰；623 cm-1處出現(xiàn)了C—S鍵的振動吸收峰。FTIR表征結(jié)果顯示，LX-2中存在酰氨基、羧基、甲基和磺酸基等抗溫、抗鹽、抗鈣及親水基團。此外，在1 115 cm-1處出現(xiàn)了歸屬于Si—O鍵的特征吸收峰，表明nano-SiO2與共聚物分子產(chǎn)生了有效連接，形成了穩(wěn)定的有機/無機復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2.2 熱重分析結(jié)果

LX-2的TG曲線見圖2。由圖2可看出，LX-2在氬氣中的熱分解可分成以下幾個階段：低于300 ℃時的熱失重是LX-2中自由水和結(jié)合水的脫除，即吸附水的脫除；當(dāng)溫度為300～400 ℃時，LX-2的支鏈開始熱分解，其中，300～350 ℃主要為酰胺基團的分解，350～400 ℃主要為磺酸基團的分解；當(dāng)溫度高于400 ℃時，LX-2的主鏈開始發(fā)生熱分解。TG表征結(jié)果顯示，當(dāng)溫度超過390 ℃時，LX-2仍有50%（w）未分解，說明LX-2具有較好的熱穩(wěn)定性。

圖2 LX-2的TG曲線Fig.2 TG curves of LX-2.

2.3 LX-2的性能

2.3.1 LX-2的降濾失性能

在淡水基漿中加入不同量的LX-2可制得LX-2含量不同的鉆井液。LX-2含量不同的鉆井液性能見表1。

表1 LX-2含量不同的鉆井液性能Table 1 Properties of drilling fl uids with different LX-2 content

從表1可見，隨LX-2含量的增大，鉆井液的黏切力逐漸增大，API濾失量逐漸降低；當(dāng)LX-2含量為0.75%（w）時，API濾失量僅為12.4 mL。因此，單獨采用LX-2為降濾失劑時，LX-2含量為0.75%（w）較適宜。

2.3.2 LX-2的耐溫性能

LX-2與SPNH降濾失性能的對比見表2。由表2可見， LX-2老化前的降濾失效果優(yōu)于SPNH；220 ℃下老化16 h時，LX-2的降濾失效果也優(yōu)于SPNH。說明LX-2的降濾失效果好于SPNH。從表2還可看出，采用LX-2為降濾失劑時，隨老化溫度的升高，鉆井液的黏度逐漸降低，API濾失量和高溫高壓濾失量雖逐漸增大，但仍屬于較低的范圍。因此，LX-2具有良好的耐溫性能。

表2 LX-2與SPNH降濾失性能的對比Table 2 Fluid loss performances of LX-2 and SPNH

2.3.3 LX-2的抗鹽性能

在含LX-2的鉆井液中加入NaCl，考察了LX-2的抗鹽性能（見表3）。從表3可看出，隨NaCl含量的增大，鉆井液的黏度呈先降低后略有增大的趨勢，但API濾失量一直呈下降的趨勢。實驗結(jié)果表明，LX-2具有很好的抗鹽性能。

表3 LX-2的抗鹽性能Table 3 Salt resistance of LX-2

在淡水基漿中加入20%（w）NaCl后再分別加入不同的降濾失劑得到鉆井液，并于150 ℃下老化16 h后測試鉆井液的抗鹽性能，實驗結(jié)果見表4。從表4可知，含LX-2的鉆井液的API濾失量僅為5.2 mL，遠(yuǎn)低于含其他降濾失劑的鉆井液的API濾失量，說明LX-2的抗鹽降濾失能力明顯優(yōu)于其他降濾失劑。因此，LX-2具有優(yōu)良的高溫抗鹽性能。

表4 不同降濾失劑的抗鹽性能Table 4 Salt resistance of different fi ltrate reducers

2.3.4 LX-2的抗鈣性能

在含LX-2的鉆井液中加入CaCl2，考察了LX-2的抗鈣性能（見表5）。從表5可知，隨CaCl2含量增大，鉆井液的黏度和API濾失量均逐漸增大；當(dāng)CaCl2含量為5.0%（w）時，API濾失量仍屬于較低的范圍，說明LX-2具有良好的抗鈣性能。

表5 LX-2的抗鈣性能Table 5 Calcium resistance of LX-2

在淡水基漿中加入3.0%（w）CaCl2和不同的降濾失劑得到鉆井液，并于150 ℃下老化16 h后測試鉆井液的抗鈣性能，實驗結(jié)果見表6。從表6可知，含LX-2的鉆井液的API濾失量僅為4.0 mL，遠(yuǎn)低于含其他降濾失劑的鉆井液。說明LX-2具有良好的高溫抗鈣性能。

表6 不同降濾失劑的抗鈣性能Table 6 Calcium resistance of different fi ltrate reducers

2.3.5 LX-2的抑制性能的評價

測試了人造巖心在不同溶液中的抑制性能，實驗結(jié)果見圖3。從圖3可看出，人造巖心在含LX-2的鉆井液中的膨脹量小于在蒸餾水、KCl溶液和含SPNH的鉆井液中的膨脹量。實驗結(jié)果表明，LX-2對人造巖心具有良好的抑制性能。

2.4 LX-2的復(fù)配性能

將LX-2與不同的處理劑進(jìn)行復(fù)合使用，配方見表7，復(fù)配性能見表8。從表8可知，與單獨含LX-2或SPNH的鉆井液相比，含LX-2和SPNH兩種降濾失劑的鉆井液的濾失量明顯降低，說明LX-2與SPNH的復(fù)配性能良好，且能協(xié)同增效。

圖3 人造巖心在不同溶液中的抑制性能Fig.3 Expansion of a man-made core in different solutions.

表7 含不同處理劑的鉆井液配方Table 7 Drilling fl uid formulae with different treating agents

表8 LX-2的復(fù)配性能Table 8 Compatibility of LX-2

對比1#配方和2#配方的鉆井液可知，加入處理劑后，還可進(jìn)一步降低鉆井液的濾失量。當(dāng)在2#配方鉆井液中加入20%（w）NaCl時（見3#配方），鉆井液的濾失量并未增加，說明LX-2具有良好的抗鹽性。對比4#和5#配方的鉆井液可看出，180 ℃老化時，含LX-2的鉆井液的高溫高壓濾失量為8.2 mL，而不含LX-2的鉆井液的高溫高壓濾失量為40.0 mL，說明LX-2的降濾失效果非常明顯。5#配方鉆井液在200 ℃下老化時的高溫高壓濾失量也僅為14.2 mL，也說明LX-2具有良好的耐溫性能。實驗結(jié)果表明，LX-2與處理劑的復(fù)配性能良好。將LX-2與其他處理劑復(fù)配可有效提高鉆井液的降濾失性能、抗鹽性能和耐溫性能。

3 結(jié)論

1）LX-2中引入nano-SiO2，可有效提高LX-2的熱穩(wěn)定性。

2）LX-2具有良好的降濾失能力，單獨以LX-2為降濾失劑時，鉆井液中LX-2的含量為0.75%（w）較適宜。LX-2的降濾失性能優(yōu)于SPNH，耐溫性能良好。LX-2的高溫抗鹽和高溫抗鈣性能也明顯優(yōu)于其他降濾失劑。LX-2具有良好的抑制性能。

3）LX-2與SPNH及其他處理劑的復(fù)配性能良好，復(fù)配降濾失劑可有效提高鉆井液的降濾失性能、抗鹽性能和耐溫性能。

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