一種新型水溶性兩性聚合物的合成與性能評價

王高杰 （中石油冀東油田分公司勘探開發建設項目部，河北 唐山 063200）

王春亮 （中石油大港油田分公司灘海公司開發公司工藝研究所，天津 300280）

陳正濤 （中石油大港油田分公司第一采油廠工藝研究所，天津 300280）

在鉆井過程中，由于壓差作用的存在，鉆井液中的水分不可避免地通過井壁濾失到地層中，造成鉆井液失水。隨著水分進入地層，鉆井液中的黏土顆粒便附著在井壁上形成 “濾餅”［1－3］。由于濾餅黏附于井壁上要比原來的井壁致密得多，所以它阻止了鉆井液的進一步濾失。但是濾失量［4－5］過大，易引起泥頁巖水化膨脹和坍塌，造成井壁失穩。此外，濾失量增大的同時濾餅增厚，使得井徑縮小，給旋轉鉆具造成較大的扭矩，起下鉆時引起抽汲和壓力波動，易造成壓差卡鉆。因此，適當控制濾失量是鉆井液的重要性能之一。水溶性兩性聚合物［6－10］具有溶解性好、抗高溫、耐高價金屬污染等特點，尤其是在改善鉆井液流變性、穩定井壁有著陰離子型降濾失劑無可比擬的優點。筆者合成了一種新型水溶性兩性聚合物，并對該聚合物在水基鉆井液中的降濾失性能、抗溫耐鹽性能和流變性能進行了評價研究。

1 試驗部分

1.1 原料和儀器

1）原料 甲基丙烯酸 （AR），丙烯酰胺 （AR），苯乙烯磺酸鈉 （AR），二甲基二烯丙基氯化銨（AR），過硫酸鈉 （AR），亞硫酸氫鈉 （AR）。

2）儀器 三口燒瓶，恒溫水浴鍋，攪拌器，鼓風干燥烘箱。

1.2 新型水溶性兩性聚合物的合成

在三口燒瓶中加入定量的水，按一定比例依次加入反應單體，并緩慢攪拌，使所有單體完全溶解以調節水溶液的pH值；將三口燒瓶放入恒溫水浴鍋中，在電動攪拌機攪拌下通入氮氣 （N2）30min，并將水浴鍋溫度緩慢加熱到指定溫度，再加入定量的過硫酸鈉和亞硫酸氫鈉溶液，密閉反應到指定時間；取出反應所得粗產品經提純后烘干，粉碎過篩得到白色粉末狀的產品。

2 反應條件的合理優化

根據所選擇的單體性質和反應產物性能需求，需要對反應條件進行合理優化。

2.1 反應溫度

根據所選單體性質，聚合反應采用自由基共聚反應。自由基共聚反應溫度低有利于得到較高相對分子質量的產物。隨著溫度的升高聚合反應的誘導期縮短相對分子質量趨于增加，但當反應溫度過高時產物的相對分子質量大幅度降低且易出現爆聚。因此，將聚合試驗反應溫度控制在60～70℃，該次反應溫度定在65℃。

2.2 反應時間

自由基共聚反應時間主要影響單體的轉化率。反應初期隨著反應時間的延長轉化率逐漸增加，之后轉化率的變化隨時間上升趨于穩定。因此，過長的反應時間對合成轉化率提高并不明顯。將該次聚合試驗反應時間控制在3～5h。

2.3 單體加量

單體加量的高低會影響聚合反應中單體連接方式，必須控制非功能性單體的加量，才能保證得到期望的合成產物。在該試驗條件下，甲基丙烯酸 （AR），丙烯酰胺 （AR），苯乙烯磺酸鈉 （AR），二甲基二烯丙基氯化銨 （AR），單體加量為1∶2.5∶1.5∶1。

2.4 引發劑加量

引發劑加量過多會引起端基封鎖，降低合成產物分子量。該次試驗引發劑質量分數控制在0.2%～0.4%。

3 性能評價

3.1 抗高溫試驗

按照4%膨潤土＋0.3%碳酸鈉配制基漿，分成6份，分別加入不同含量的合成聚合物，用高速攪拌機攪拌20min。然后在200℃下老化16h，測定其流變、降濾失性能。測試結果如表1所示。

表1 不同加量的合成聚合物老化前后性能對比

從表1可以看出，該聚合物具有較好的降濾失性能，在200℃滾動老化后仍能較好的控制鉆井液的濾失量。隨著聚合物加量的增加，鉆井液的黏度有所上升，濾失量降低，當聚合物加量超過1.5%時，鉆井液的濾失量降低不大，因此，合成聚合物的加量定為1.5%左右。

3.2 抗鹽試驗

1）4%鹽水試驗 用去離子水配制4%的膨潤土基漿，加入4%的NaCl，高速攪拌20min，然后分成6份，分別加入不同量的合成聚合物，高速攪拌20min，測定其流變、降濾失性能。測試結果如表2所示。從表2可以看出，在4%的鹽水基漿中，隨著合成聚合物加量的增加，體系的黏度逐漸上升，濾失量逐漸下降。與淡水體系相比，加入4%的NaCl的鹽水體系的基漿的黏度下降，濾失量升高。但是，隨著合成聚合物的增加，濾失量急劇下降，當合成聚合物加量達到1.5%時，鹽水體系的濾失量小于淡水體系，說明該合成聚合物具有較好的抗鹽能力。

2）飽和鹽水試驗 用去離子水配制4%的膨潤土基漿，加入NaCl直至飽和，高速攪拌20min，然后分成6份，分別加入不同量的合成聚合物，高速攪拌20min，測定其流變、降濾失性能。測試結果如表3所示。從表3可以看出，飽和鹽水體系的整體趨勢和4%的鹽水體系類似，當合成聚合物加量達到1%時，飽和鹽水條件下的濾失量和淡水體系下的基本一樣，當合成聚合物加量繼續增加時，濾失量繼續下降，這說明該合成聚合物在鹽水體系中的降濾失效果更好，更適應于鹽水或者飽和鹽水鉆井液體系。

表2 加4%鹽水條件下合成聚合物的性能

表3 飽和鹽水條件下合成聚合物的性能

3.3 抗鈣試驗

用去離子水配制4%的膨潤土基漿，向基漿中加入1.5%的合成聚合物，高速攪拌20min，然后分成4份，分別加入不同量的氯化鈣，高速攪拌20min，測定其老化前后的流變、降濾失性能。測試結果如表4所示。

表4 聚合物處理后基漿抗鈣污染結果

從表4可以看出，CaCl2的加入使得體系的黏度和濾失量都增加，且當CaCl2的加量達到1500mg／L時，體系的濾失量急劇增加，說明該合成聚合物在CaCl2濃度小于1500mg／L時效果較好，具有一定的抗鈣能力。

3.4 防膨試驗

制備100目的泥巖粉末10g，分成2份，分別在清水和1.5%的合成聚合物溶液下進行防膨試驗。測試結果如圖1所示。從圖1可以看出，清水的最大膨脹量為0.9mm，而1.5%的合成聚合物溶液的最大膨脹量為0.37mm，遠遠小于清水的最大膨脹量。因此，該合成聚合物具有較好的防膨效果。

圖1 合成聚合物的防膨效果

4 結論與建議

1）通過試驗確定了該兩性聚合物的最佳合成條件為：單體加量按1∶2.5∶1.5∶1，反應溫度控制在65℃左右，反應時間4h。

2）該合成聚合物具有很好的抗溫、抗鹽、防膨以及一定的抗鈣能力，且其更適應于飽和鹽水鉆井液體系。

3）當CaCl2濃度大于1500mg／L時，體系的濾失量較大，因此，可繼續優化該合成聚合物的配比及反應條件，增強其抗鈣能力。

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