抗高溫鉆井液聚合物降粘劑研究

張?zhí)?，許詩(shī)雪，黃志宇

(西南石油大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500)

隨著深層油氣勘探開發(fā)強(qiáng)度的日益加大，鉆遇復(fù)雜地層越來(lái)越多，井下壓力和井底溫度也越來(lái)越高，對(duì)鉆井完井技術(shù)提出了更高的要求。對(duì)于深井所使用的高固相含量鉆井液，要求能夠解決鉆井液流變性、抑制性、抗溫性等之間的矛盾十分困難，尤其是深井鉆井液的熱穩(wěn)定性問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外研究的關(guān)鍵。鉆井液處理劑是調(diào)節(jié)鉆井液性能，保證鉆井液在鉆井作業(yè)中穩(wěn)定作用的關(guān)鍵，這促使新型鉆井液處理劑的不斷開發(fā)［1］。

降粘劑是深井鉆井作業(yè)中重要的處理劑之一，鉆井液在復(fù)雜地層和高溫高壓的共同作用下，發(fā)生粘度增加、流變性變差等狀況，降粘劑可起到降低鉆井液粘度，調(diào)節(jié)鉆井液流變性等作用，對(duì)于維護(hù)鉆井液性能，保護(hù)油氣層不受傷害起著重要作用［2-4］。所以，研制不污染環(huán)境、不損害地層、健康安全、能夠適應(yīng)深井作業(yè)需求的無(wú)毒無(wú)污染的鉆井液降粘劑是現(xiàn)今研究的發(fā)展趨勢(shì)。

本文以帶有磺酸基、酰胺基團(tuán)的聚合單體制備出一種抗高溫鉆井液降粘劑，并對(duì)其在鉆井液中的降粘性能進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)［5-8］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、衣康 酸(IA)、NaOH、NaCl、NaHSO3、Na2CO3、(NH4)2S2O8等均為分析純;FA367、膨潤(rùn)土均為工業(yè)級(jí)。

GJD-B12K 單軸變頻高速攪拌機(jī);HH·S21-Ni電熱恒溫水浴鍋;S212 恒速攪拌器。

1.2 聚合物降粘劑的制備

在裝有冷凝管、溫度計(jì)、攪拌器的250 mL 三口燒瓶中，按一定比例加入AM、AMPS、IA 3 種單體，再加入一定量的水，攪拌使其充分溶解，用30%NaOH 溶液調(diào)節(jié)體系pH 值為6.0，加入3.0%引發(fā)劑(過(guò)硫酸銨∶亞硫酸氫鈉為1∶1)，攪拌下水浴加熱至60 ℃，反應(yīng)4 h，得到黏稠液體共聚物，經(jīng)剪切、提純、烘干、粉碎，即得聚合物降粘劑。

1.3 基漿配制

1.3.1 淡水基漿在400 mL 水中加入16 g 膨潤(rùn)土和0.64 g 無(wú)水碳酸鈉，高速攪拌20 min，于室溫下放置養(yǎng)護(hù)24 h。

1.3.2 聚合物基漿在400 mL 水中加入16 g 膨潤(rùn)土和0.64 g 無(wú)水碳酸鈉，高速攪拌20 min，于室溫下放置養(yǎng)護(hù)24 h，加入1. 2 g FA367，高速攪拌20 min，于室溫下放置養(yǎng)護(hù)24 h。

1.3.3 鹽水基漿將淡水基漿密閉養(yǎng)護(hù)24 h，加入4.0%氯化鈉，高速攪拌20 min，密閉養(yǎng)護(hù)24 h。

1.3.4 飽和鹽水基漿將淡水基漿密閉養(yǎng)護(hù)24 h，加入30%氯化鈉，高速攪拌20 min，密閉養(yǎng)護(hù)24 h。

1.4 降粘性能評(píng)價(jià)

按SY/T 5243—91《水基鉆井液用降粘劑評(píng)價(jià)程序》對(duì)合成的目標(biāo)共聚物進(jìn)行評(píng)價(jià)。在鉆井液中加入一定量的聚合物降粘劑，高速攪拌后，用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)在常溫下測(cè)定鉆井液的表觀粘度，與空白樣對(duì)比。將加入了降粘劑的鉆井液放入老化養(yǎng)護(hù)罐中，在滾子加熱爐中高溫翻滾16 h，測(cè)定鉆井液表觀粘度，與高溫翻滾的空白樣進(jìn)行對(duì)比［9-10］。同時(shí)用DI 值，即降粘率，評(píng)價(jià)降粘劑降粘效果的指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 AM/AMPS/IA 聚合物紅外光譜分析

由圖1 可知，3 451 cm－1為伯酰胺基(—CONH2)伸縮振動(dòng)吸收峰，3 207 cm－1為仲酰胺基(—CONH—)伸縮振動(dòng)吸收峰，這2 個(gè)峰較寬是由于存在一定的締合現(xiàn)象;1 722，1 660 cm－1處的2 個(gè)峰為聚合物中IA 的2 個(gè)羧基，由于振動(dòng)耦合而分成的2 個(gè)特征峰;1 189 cm－1和1 037 cm－1處峰為磺酸基團(tuán)(—SO3)伸縮振動(dòng)吸收峰［11］。

圖1 AM/AMPS/IA 聚合物紅外光譜圖Fig.1 IR spectrum of AM/AMPS/IA copolymer

2.2 AM/AMPS/IA 聚合物核磁共振

AM/AMPS/IA 聚合物核磁共振氫譜見(jiàn)圖2。

圖2 AM/AMPS/IA 聚合物核磁共振氫譜圖Fig.2 1H NMR spectrum of AM/AMPS/IA copolymer

譜圖分析見(jiàn)表1，其中4.71 為溶劑峰(D2O，重水)。s 表示單重峰，d 表示雙重峰，t 表示三重峰，m表示多重峰。

表1 AAI 的核磁共振分析Table 1 The 1H NMR spectrum of AAI

據(jù)核磁共振分析［11］，可以確定合成產(chǎn)物為AM/AMPS/IA 聚合物。

2.3 AM/AMPS/IA 聚合物降粘劑合成工藝研究

2.3.1 單體配比對(duì)合成聚合物降粘率影響引發(fā)劑加量為單體總質(zhì)量的0.3%，反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，單體濃度20%，調(diào)節(jié)pH 值6.0，考察AM∶AMPS∶IA 的配比對(duì)降粘率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單體配比對(duì)聚合物降粘率的影響Table 2 Effect of the molar ratio of monomer on viscosity-reduction rate

由表2 可知，該聚合物降粘劑的最佳配比為1∶2∶2。

2.3.2 引發(fā)劑加量對(duì)合成聚合物降粘率的影響單體配比AM∶AMPS∶IA 為1∶2∶2，反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)時(shí)間4 h，單體濃度20%，調(diào)節(jié)pH 值6.0，引發(fā)劑加量對(duì)降粘率的影響，見(jiàn)圖3。

圖3 引發(fā)劑加量對(duì)降粘率和轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 Effect of initiator amount on DI and conversion rate

由圖3 可知，在引發(fā)劑加量不斷增加時(shí)，在聚合物泥漿中，降粘率沒(méi)有發(fā)生很大的變化，但隨著引發(fā)劑加量的增加，合成的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率也隨之增加，在0.3%后趨于平緩，可能是由于引發(fā)劑加量的增多，導(dǎo)致自由基增多，單體轉(zhuǎn)化率增加，聚合物增多，水相中單體濃度下降，轉(zhuǎn)化率增幅逐漸降低。所以，選擇引發(fā)劑加量為單體的0.3%。

2.3.3 反應(yīng)溫度對(duì)合成聚合物降粘率的影響單體配比AM∶AMPS∶IA 為1∶2∶2，反應(yīng)時(shí)間4 h，單體濃度20%，調(diào)節(jié)pH 值6.0，引發(fā)劑加量0.3%，反應(yīng)溫度對(duì)降粘率的影響，見(jiàn)圖4。

由圖4 可知，當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，合成的速率慢，且反應(yīng)的程度較低，在40 ℃反應(yīng)生成的降粘劑降粘率只有72%左右，隨著溫度的升高，降粘效果逐漸變好，80 ℃時(shí)降粘效果最好;反應(yīng)溫度達(dá)到90 ℃后，合成產(chǎn)品降粘率下降，可能是由于反應(yīng)溫度使單體反應(yīng)速率加快，合成的聚合物粘度增大，分子量升高，反而不能達(dá)到很好的降粘效果。所以，選擇反應(yīng)溫度為80 ℃。

圖4 反應(yīng)溫度對(duì)降粘率的影響Fig.4 Effect of temperature on DI

2.3.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成聚合物降粘率的影響單體配比AM∶AMPS∶IA 為1∶2∶2，單體濃度20%，調(diào)節(jié)pH 值6.0，引發(fā)劑加量0.3%，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間對(duì)降粘率的影響，見(jiàn)圖5。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)降粘率的影響Fig.5 Effect of reaction time on DI

由圖5 可知，降粘率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加而增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到4 h 時(shí)，降粘率最大，再增加反應(yīng)時(shí)間，降粘率有所下降?？赡苁欠磻?yīng)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致單體交聯(lián)程度增加。故確定合成反應(yīng)時(shí)間為4 h。2.3.5 單體濃度對(duì)合成聚合物降粘率的影響單體配比AM∶AMPS∶IA 為1∶2∶2，調(diào)節(jié)pH 值6.0，引發(fā)劑加量0.3%，反應(yīng)溫度80 ℃，單體總濃度對(duì)降粘率的影響，見(jiàn)圖6。

圖6 單體濃度對(duì)降粘率的影響Fig.6 Effect of monomer concentration on DI

由圖6 可知，降粘率隨著單體濃度的增加而增加，在單體濃度達(dá)到20%時(shí)，降粘效果最好。再增加濃度降粘率反而降低，可能是由于單體反應(yīng)濃度過(guò)大，導(dǎo)致合成的聚合物交聯(lián)增加。故而選擇20%作為單體反應(yīng)濃度。

2.3.6 pH 值對(duì)產(chǎn)品降粘率的影響單體配比AM∶AMPS∶IA 為1∶2∶2，pH 值6.0，引發(fā)劑加量0.3%，反應(yīng)溫度80 ℃，單體總濃度20%，pH 值對(duì)降粘率的影響，見(jiàn)圖7。

圖7 pH 值對(duì)降粘率的影響Fig.7 Effect of pH on DI

由圖7 可知，在pH 值為6 時(shí)，降粘率最大，反應(yīng)為酸性條件時(shí)，合成產(chǎn)品降粘率較好;反應(yīng)為堿性時(shí)，降粘率大幅下降。所以選擇反應(yīng)pH 值為6。

綜上所述，合成降粘劑AAI 最佳合成反應(yīng)條件為:丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和衣康酸的摩爾比為1∶2∶2，引發(fā)劑亞硫酸氫鈉/過(guò)硫酸銨的比例為1∶1，加量為0.3%，共聚反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)單體濃度為20%，反應(yīng)時(shí)間4 h，pH 值為6。

2.4 降粘劑AAI 性能評(píng)價(jià)

2.4.1 高溫降粘性能用最佳條件合成的聚合物加入淡水基漿和聚合物鉆井液中，在室溫及220 ℃高溫環(huán)境下熱滾后，降粘率隨聚合物加量的變化，見(jiàn)圖8。

圖8 AAI 加量對(duì)淡水鉆井液和聚合物鉆井液降粘率的影響Fig.8 Effect of AAI dosage on DI of fresh water drilling fluid and polymer drilling fluid

由圖8 可知，常溫下，在淡水基漿中AAI 加量超過(guò)0. 3% 時(shí)，降粘效果較好，降粘率可超90%;220 ℃高溫老化16 h 后，降粘率仍可達(dá)50%;在聚合物鉆井液中AAI 加量為0.3%時(shí)，常溫下降粘效果良好，有90%的降粘率;在220 ℃高溫老化16 h后，仍然具有較好的降粘作用，降粘率可達(dá)50%?？蓾M足高溫深井對(duì)鉆井液降粘的要求。

2.4.2 抗鹽性能將合成的聚合物加入4%鹽水基漿和飽和鹽水基漿中，產(chǎn)品對(duì)泥漿的性能改變見(jiàn)表3。

表3 AAI 抗鹽性能評(píng)價(jià)Table 3 AAI anti-salt performance evaluation

由表3 可知，合成的聚合物降粘劑AAI 在4%鹽水基漿和飽和鹽水基漿中都能保持較好的鉆井液流變性，同時(shí)也有一定的降濾失作用。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)紅外光譜和核磁共振分析確定，所合成的聚合物為丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/衣康酸共聚物。

(2)制備鉆井液降粘劑丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸/衣康酸共聚物(AAI)的反應(yīng)條件是:丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和衣康酸的摩爾比為1∶2∶2，引發(fā)劑亞硫酸氫鈉/過(guò)硫酸銨的比例為1 ∶1 且加量選擇為0. 3%，共聚反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)單體濃度為20%，反應(yīng)時(shí)間4 h，調(diào)節(jié)pH 值為6。

(3)作為一種水基鉆井液降粘劑，在淡水鉆井液和聚合物鉆井液中均可抗220 ℃的高溫，能滿足高溫鉆井液處理劑的需要，同時(shí)具有較好的抗鹽性和降濾失作用。

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