抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ的合成與性能

何晨晨，羅春芝

(長江大學化學與環境工程學院,湖北 荊州 434023)

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抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ的合成與性能

何晨晨，羅春芝*

(長江大學化學與環境工程學院,湖北 荊州 434023)

選用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)4種單體，采用非常規的引發劑和pH值調節方法，以改進的水溶液自由基聚合法合成了抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ。確定了最佳合成條件為：n(AM)：n(R-AA):n(AMPS):n(NVP)=5∶1∶2∶2，反應溫度20 ℃，反應體系pH值10～11，反應時間4 h，引發劑用量為單體總質量的0.4%，用Na2CO3調節反應體系的pH值。YL-Ⅱ在淡水、飽和鹽水及復合鹽水鉆井液中均有良好的降濾失性能，表現出較好的抗鈣、抗鹽性能；抗溫溫度達到220 ℃，且在240 ℃時仍有一定的降濾失性能；在鉆井液體系中添加量較少，使用方便，能夠降低使用成本。

聚合物；降濾失劑；抗高溫；流變性

抗高溫降濾失劑是鉆井作業用量最大的材料之一，主要為磺化酚醛樹脂、磺化褐煤樹脂及聚合物降濾失劑。磺化酚醛樹脂類降濾失劑的抗溫性最高為180 ℃，且加量大；抗高溫聚合物降濾失劑的性能和價格因合成方法不同差異很大。國外同類產品價格達到10萬元·t-1以上，加量一般在1.5% 以下，抗溫240 ℃左右[1-3]；國內產品價格為8萬元·t-1以上，加量在1.5%以下，抗溫210 ℃左右[4-6]。雖然國內產品價格相對較低，但與國外產品在抗溫性上有不小的差距。通過分析聚合物分子量的控制與引發劑體系類型及反應體系酸堿度大小之間的關系，發現改變常規的引發劑體系及聚合反應體系pH值的控制方法，使反應變得溫和易于控制，爆聚幾率減少，產物性能穩定[7]。為此，作者選用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)4種單體，選擇具有吸附特性的皂土類物質與常規的氧化還原引發劑形成引發劑體系，用Na2CO3調節反應體系的pH值，在堿性條件下合成了抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ，并考察了降濾失劑的性能。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

碳酸鈉、氫氧化鈉、氯化鈉、過硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、乙二胺四乙酸二鈉，分析純；丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、膨潤土，工業級。

HH-1型數顯恒溫水浴鍋、JJ-1型定時電動攪拌器，江蘇金壇金城國盛實驗儀器廠；ZNN-D6型六速旋轉黏度計、BGRL-2型滾子加熱爐，青島奧斯特石油科技有限公司；GJS-B12K型變頻高速攪拌機、ZNS型濾失儀、DFC-0705型高溫高壓濾失儀，青島海通達專用儀器廠；TQ-300T型高速多功能粉碎機，永康天祺盛世工貿有限公司。

1.2 方法

1.2.1 合成方法

在室溫下將單體AM、AMPS、R-AA、NVP以一定比例溶解于去離子水中，用Na2CO3調節溶液pH值至10～11，加入一定量皂土類物質攪勻。將溶液轉移至三口燒瓶中恒溫攪拌,通入氮氣30 min后間隔滴加過硫酸鈉和亞硫酸氫鈉溶液，待生成無色至淺黃色黏稠狀產物且黏度不再發生變化即停止反應。用丙酮洗滌產物，再用乙醇反復洗滌，在75 ℃下烘干產物并粉碎至100目以上，即得抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ。

1.2.2 結構表征

采用紅外光譜儀對樣品進行結構表征。

1.2.3 性能評價[8]

降濾失性能：評價樣品在4%膨潤土淡水漿、淡水鉆井液、飽和鹽水鉆井液和復合鹽水鉆井液中加量為1%時，150 ℃下高溫滾動16 h后的流變性及濾失量。濾失量越小，降濾失性能越好。

抗溫性能：評價樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%時，在160～240 ℃高溫滾動16 h后，在高溫高壓(相應的老化溫度，3.5 MPa)條件下的流變性和濾失量。流變性和濾失量變化越小，抗溫性能越好。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析(圖1)

2.2 合成條件的優化[10]

2.2.1 單體比

設定反應溫度為25 ℃、反應體系pH值為10、引發劑用量為單體總質量的0.4%，采用不同單體比[n(AM)∶n(R-AA)∶n(AMPS)∶n(NVP)]合成樣品，評價其在4%膨潤土淡水漿中加量為1%時的降濾失性能，結果見表1。

表1 單體比對樣品降濾失性能的影響

Tab.1 Effect of monomer ratio on the filtration loss of samples

單體比AVmPa·sPVmPa·sYP Pa 濾失量mL-6.04.58.425.51∶1∶1∶117.314.525.06.83∶2∶3∶316.012.522.77.93∶3∶3∶130.020.540.914.53∶1∶4∶231.021.042.412.44∶1∶3∶219.316.528.17.84∶2∶3∶122.018.030.69.65∶1∶2∶223.321.039.65.84∶1∶3∶328.320.539.37.05∶1∶3∶326.319.536.86.45∶1∶3∶128.022.540.26.0

注：AV為表現黏度；PV為塑性黏度；YP為動切力。下表同。

從表1可以看出，單體比為5∶1∶2∶2時，樣品降濾失效果最好，其次是單體比為5∶1∶3∶1時。比較這兩個樣品組成，發現適當提高AM及AMPS在四元體系中的比例可提高樣品的降濾失性能。

2.2.2 反應體系pH值

設定單體比為5∶1∶2∶2、反應溫度為20 ℃、引發劑用量為單體總質量的0.4%、樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%，考察反應體系pH值對樣品降濾失性能的影響，結果見表2。

從表2可以看出，當反應體系pH值為10～11時，濾失量最低，所以確定反應體系最佳pH值為10～11。

2.2.3 反應溫度

設定單體比為5∶1∶2∶2、反應體系pH值為10、引發劑用量為單體總質量的0.4%、樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%，考察反應溫度對樣品降濾失性能的影響，結果見表3。

表2 pH值對樣品降濾失性能的影響

Tab.2 Effect of pH value on the filtration loss of samples

pH值AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/Pa濾失量/mL623.818.033.56.0728.511.540.16.5813.510.519.27.5912.510.017.99.51028.321.029.65.81125.019.525.55.91223.420.034.16.0

表3 反應溫度對樣品降濾失性能的影響

Tab.3 Effect of reaction temperature on the filtration loss of samples

由表3可以看出，當反應溫度為20 ℃時，濾失量最低，所以確定最佳反應溫度為20 ℃。

2.3 樣品在不同鉆井液中的降濾失性能

在選擇單體物質的過程中，選擇了NVP，其所含的五元環的內脂酰胺基對鈣、鹽侵入有良好的抵抗力，在多種含有NaCl及CaCl2的鉆井液體系中具有良好的性能。

樣品在淡水鉆井液、飽和鹽水鉆井液及復合鹽水鉆井液中的降濾失性能見表4。

由表4可以看出，樣品在淡水、飽和鹽水及復合鹽水鉆井液中均有良好的降濾失性能。表明該樣品表現出良好的抗鈣、抗鹽性能，能夠適應多種鉆井液體系。

2.4 抗溫性能

樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%時的抗溫性能見表5。

從表5可以看出，樣品在4%膨潤土淡水漿中加量為1%時，在220 ℃時有較強的降濾失性能；在240 ℃時依然有一定的降濾失性能。

表4 樣品在不同鉆井液中的降濾失性能

Tab.4 The filtration loss of sample in different drilling fluids

鉆井液類型樣品加量%AVmPa·sPVmPa·s YP Pa濾失量mL淡水06.04.58.425.50.314.811.020.77.20.518.814.526.66.70.721.816.530.76.21.028.321.029.65.81.538.028.053.15.7飽和鹽水05.04.07.2119.00.38.07.011.852.00.511.07.015.332.50.716.015.522.714.81.018.315.026.39.21.518.515.026.18.6復合鹽水02.52.53.8100.50.33.02.54.315.60.54.03.55.910.20.74.84.57.29.81.06.06.09.26.41.58.58.513.06.0

表5 樣品的抗溫性能

Tab.5 Temperature resistance of sample

3 結論

選用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)4種單體，采用非常規的引發劑和pH值調節方法，以改進的水溶液自由基聚合法合成了抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ。確定了最佳合成條件為：n(AM)：n(R-AA):n(AMPS):n(NVP)=5∶1∶2∶2，反應溫度20 ℃，反應體系pH值10～11，反應時間4 h，引發劑用量為單體總質量的0.4%，用Na2CO3調節反應體系的pH值。YL-Ⅱ在淡水、飽和鹽水及復合鹽水鉆井液中均有良好的降濾失性能，表現出較好的抗鈣、抗鹽性能；抗溫溫度達到220 ℃，且在240 ℃時仍有一定的降濾失性能；在鉆井液體系中添加量較少，使用方便，能夠降低使用成本。

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Synthesis and Property of Anti-High Temperature Polymer Filtrate Reducer YL-Ⅱ

HE Chen-chen,LUO Chun-zhi*

(CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China)

Using four kinds of monomers:acrylamide(AM),2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid(AMPS),acrylic acid alkyl(R-AA),andN-vinyl pyrrole alkyl ketone(NVP),we synthesized anti-high temperature polymer filtrate reducer YL-Ⅱ by the aqueous solution radical polymerization with unconventional initiator and pH value adjustment method.The optimum synthesis conditions were as follows:n(AM)∶n(R-AA)∶n(AMPS)∶n(NVP) of 5∶1∶2∶2,reaction temperature of 20 ℃,pH value of reactiom system of 10～11,reaction time of 4 h,initiator amount of 0.4% of total monomers mass,pH value adjustment by Na2CO3.YL-Ⅱpossessed good filtrate reduction property in freshwater drilling fluids,saturated brine drilling fluids,and compound brine drilling fluids,which showed better calcium resistance and salt resistance.The anti temperature of YL-Ⅱreached 220 ℃,even YL-Ⅱhad certain filtrate reduction property at 240 ℃.YL-Ⅱhad a little addition quantity in drilling fluid system,which had advantages of convenient operation and low cost.

polymer;filtrate reducer;anti-high temperature;rheology

2017-03-08

何晨晨(1990-)，女，湖北襄陽人，碩士研究生，研究方向：油田化學品，E-mail:1165573462@qq.com；通訊作者：羅春芝，副教授，E-mail:87638702@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.07.009

TE254.4

A

1672-5425(2017)07-0043-04

何晨晨，羅春芝.抗高溫聚合物降濾失劑YL-Ⅱ的合成與性能[J].化學與生物工程，2017，34(7)：43-46.