新型抗高溫降濾失劑的研制與應用

2015-01-01 02:43:30

天津化工 2015年2期

（中國石油大港油田石油工程研究院，天津300280）

油氣開采中，隨著鉆井深度不斷加深，深井和超深井將越來越多，鉆遇地層越來越復雜，抗高溫鉆井液處理劑的研究愈加受到關注。為了滿足在復雜地層鉆井、優化鉆井、保護油氣層和提高鉆井質量的需要，鉆井作業對鉆井液處理劑的抗溫性要求越來越高。因此，進一步研制出一種新型水基抗高溫降濾失劑提高鉆井速度和保障井下安全仍具有重要意義[1]。

1 國內外技術現狀

國外抗高溫添加劑有：J.P.Plank等研制的新型磺酸鹽聚合物，相對分子質量在20萬左右，適應溫度在200℃，具有抗飽和鹽水、抗鈣能力，與淀粉、CMC、PAC等失水添加劑合用，具有良好的抗高溫抗鹽抗鈣性能；J.Son.Adelina等研制的一種乙烯基磺酸鹽/乙烯基酰胺共聚物的抗高溫抗電解質降失水添加劑，相對分子質量為750000～2000000，用它配置的水基鉆井液，在204℃時仍能保持其穩定性，并能容忍高電解質的存在，在非分散性水基鉆井液中有助于抗大量固相和水泥雜質的存在；I.J.Hellwell等研制的丙烯酰胺甲基烷磺酸鹽共聚物的添加劑。

國內抗高溫添加劑：針對鉆井液降濾失劑在使用過程中存在的高溫增粘和遇到金屬離子污染增粘的問題,從降濾失劑的分子結構出發,通過苯氧(基)乙酸與苯酚、甲醛等縮聚磺化,合成出SPX樹脂，SPX樹脂單獨使用就具有抗飽和鹽抗高溫非增粘降濾失量的作用,SPX樹脂與SMC有良好的復配效果，在180～200℃條件下性能穩定；采用硝酸氧解褐煤提高腐殖酸含量、在磺甲基化并與丙烯腈接枝共聚的方法制備具有抗高溫抗鹽降濾失性能的鉆井液，具有較好的降濾失作用和抑制性能，適用于各種水基鉆井液體系，可耐200℃高溫、耐飽和鹽水，具有較好的降濾失作用和抑制性能，適用于各種水基鉆井液體系，且價格低廉，具有較大的市場競爭力；以AMPS、丙烯酸、丙烯酰胺接枝共聚物與磺化腐植酸衍生物復配而成的鉆井液抗高溫降濾失劑OCL-JA，抗高溫250℃，具有良好的降濾失效果，兼有調節流型的功效[1～6]。

國內外在抗高溫處理劑方面進行了廣泛研究，目前雖然已有了深井鉆井液體系處理劑，但仍然滿足不了施工要求，井下復雜頻繁出現，油層保護性能和鉆井液的抗溫穩定性能需進一步提高，進一步研制出一種水基抗高溫降濾失劑降低鉆井液的濾矢量、提高抗高溫效果并能保障井下安全仍具有重要意義。

2 研究內容

抗高溫降濾失劑采用兩種以上的聚合物單體，在一定的溫度下與天然聚合物接枝共聚，聚合而成抗高溫降濾失劑。

天然聚合物鹽的合成：將天然聚合物烘干粉碎至40目，和堿液反應，離心分離、離心排渣，制得液體天然聚合物鹽。

抗高溫降濾失劑的合成：將各種單體按照一定的比例分別加入蒸餾水中，在攪拌的情況下加入堿液，然后加入天然聚合物，在加入一定量的引發劑，攪拌均勻后常溫反應，得凝膠狀產物。取出剪切造粒，于80℃下烘干、粉碎得黑色粉末狀共聚物降濾失劑。

2.1 單體的確定

由于采用的單體的品種和加量不同，室內分別引入A（AA）、B（IA）、C（酰胺類單體）、D（烯類單體）、E(磺酸基單體)、F（DMAM）、G（MA）七種單體與天然聚合物進行合成，通過中壓濾失量對以上單體進行優選，優選出較好的單體（見圖1）。

圖1 共聚單體在鹽水鉆井液中的濾失量

通過對7種單體進行優選，選擇了C和D單體與天然聚合物進行共聚，可以使220℃老化后的中壓濾失量控制在30mL左右。

2.2 反應工藝條件的確定

在實驗反應過程中采用單因素法對聚合物的反應工藝進行研究，即采取一種工藝條件固定，而其余工藝條件變化的方法來確定反應的最佳工藝條件，考察因素包括單體組成、引發溫度、pH值、引發劑的用量等。

將反應后的產物進行鉆井液性能評價，主要是中壓和高溫高壓濾失量（220℃、3.5MPa）的測定。

2.2.1 原材料配比的確定

室內通過系列實驗，驗證了各單體配比對聚合工藝的影響，從而確定了最佳合成配方。

從圖2可以看出：淡水基漿加樣濾失量控制在了10mL左右，鹽水基漿加樣濾失量也能控制在10mL左右。

圖2 淡水鉆井液和鹽水鉆井液中的濾失量

通過對抗高溫降濾失劑的實驗進行分析，確定了最佳配方，（15-30）AMPS：（10-25）酰胺類單體：（5-25）烯類單體：（30-45）天然聚合物鹽。

2.2.2 引發溫度的確定

為了確定聚合反應體系的溫度，本實驗在確定pH值、引發劑用量一定、單體配比也一定時，在不同溫度下進行聚合反應。再把不同溫度下所制得的產物加入鉆井液中進行性能評價，結果見下圖3、圖4。

圖3 反應溫度對抗高溫降濾失劑API濾失量的影響

圖4 反應溫度對抗高溫降濾失劑HTHP濾失量的影響

通過以上兩圖可以看出：抗高溫降濾失劑在淡水鉆井液和鹽水鉆井液中，API濾失量和HTHP濾失量隨著反應溫度的升高逐漸降低，但變化不大，在產品合成過程中可以通過提高反應溫度達到降濾失的目的，但是溫度的升高可以提高反應單體的活性，加快反應速度，聚合反應速率加快。溫度較高時會加速引發劑的分解，加快聚合反應速率，但溫度太高時，會在加快反應速率的同時促使副反應的進行，因此選擇合適的引發溫度為20℃。

2.2.3 pH值的確定

在溫度一定、引發劑用量一定、單體配比一定的條件下，根據反應體系的pH值的不同進行聚合反應，將所得產品進行鉆井液性能評價，結果如下(見圖5)。

圖5 pH值對抗高溫降濾失劑HTHP濾失量的影響

通過圖5可以看出：抗高溫降濾失劑在淡水鉆井液中HTHP濾失量隨著pH值的增大逐漸增加，但變化都不大，在鹽水鉆井液中HTHP濾失量隨著pH值的增大逐漸增加，通過圖5，確定pH值為8。

2.2.4 引發劑用量的確定

當溫度一定、單體配比不變，pH值也一定時，在不同的引發劑用量下進行聚合反應，將所得的產品進行鉆井液性能評價，結果如下（見圖6、7）。

圖6 引發劑加量對抗高溫降濾失劑API濾失量

通過以上6、7兩圖可以看出：引發劑加量對抗高溫降濾失劑的性能影響不大，在淡水鉆井液中API濾失量和HTHP濾失量隨著引發劑加量的增加基本保持不變，在鹽水鉆井液中API濾失量隨著引發劑加量的增大，濾失量先保持不變，后隨著加量的增加逐漸增大，HTHP濾失量隨著引發劑加量的增加逐漸增大。通過以上實驗分析，確定引發劑的量為單體總量的0.3%。