改性淀粉降濾失劑的合成與性能評價

周芳芳，王金樹

（承德石油高等專科學(xué)校石油工程系，河北 承德 067000）

近年來，隨著油氣資源需求的不斷增加和淺層油氣的日漸枯竭，深井、超深井、非常規(guī)資源的勘探和開發(fā)已成為現(xiàn)今油氣資源保障的重要途徑[1]。具有良好抗污染性能、抗高溫和降濾失性能鉆井液體系是決定安全、快速鉆井的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

淀粉因其具有來源廣泛、價格便宜、工藝簡單、環(huán)境友好等優(yōu)點，已成為國內(nèi)外石油鉆井行業(yè)最重要的鉆井液處理劑之一[3-4]。但是天然淀粉具有冷水溶解困難、高溫易腐敗變臭等缺點，限制了淀粉類處理劑的應(yīng)用[5-7]。本文以玉米淀粉為主要原料，2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸和丙烯酰胺作為主反應(yīng)原料與淀粉接枝共聚合成改性淀粉。通過探究最佳物料比、最優(yōu)產(chǎn)品加量，利用抗溫實驗、抗鹽實驗和對比實驗對改性淀粉效果進行評價。結(jié)果表明其抗溫、抗鹽、降濾失性能均優(yōu)于對比抗復(fù)合鹽降濾失劑，滿足現(xiàn)場鉆井需求。

1 實驗試劑與儀器

實驗藥品：玉米淀粉（北京金龍順昌商貿(mào)有限公司第一分公司）；2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸（AMPS） （分析純，上海瀚思化工有限公司）；丙烯酰胺（AM） （分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠）；亞硫酸氫鈉（分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司）；過硫酸銨（分析純，天津博迪化工股份有限公司）；抗壞血酸（分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司）；無水乙醇（分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司）；氫氧化鈉（分析純，天津博迪化工股份有限公司）；去離子水（實驗室自制）。

實驗儀器：數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-S24S，山東鄄城華魯電熱儀器有限公司）；數(shù)顯電子恒速攪拌器（江蘇金壇山雨儀器廠）；分析天平（上海菁海儀器有限公司）；電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海樹立儀器儀表有限公司）；滾子加熱爐（青島膠南分析儀器廠）；變頻高速攪拌機（青島恒泰達機電設(shè)備有限公司）；六速旋轉(zhuǎn)黏度計（青島恒泰達機電設(shè)備有限公司）；API中壓濾失儀（青島膠南分析儀器廠）；泥餅黏附系數(shù)測定儀（青島膠南分析儀器廠）；玻璃器皿。

2 改性淀粉降濾失劑的合成與性能評價

2.1 合成方案設(shè)計

玉米淀粉作為原料提供主鏈結(jié)構(gòu)，2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸（AMPS） 和丙烯酰胺 (AM)作為主反應(yīng)原料與淀粉接枝共聚提供有效官能團；引發(fā)劑過硫酸鹽產(chǎn)生自由基，引發(fā)反應(yīng)發(fā)生；除氧劑抗壞血酸除去水溶液中的氧，防止反應(yīng)產(chǎn)生低聚物；氫氧化鈉調(diào)節(jié)溶液pH值；無水乙醇進行產(chǎn)品后處理，將產(chǎn)品與未反應(yīng)的試劑和去離子水分離。

保持淀粉的質(zhì)量12g不變，改變單體質(zhì)量（AM與AMPS總質(zhì)量）。設(shè)計物料比例（質(zhì)量比）分別為 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4 進行實驗，并對得到產(chǎn)品進行性能測試。

2.2 實驗步驟

稱取玉米淀粉于三口燒瓶中，加入適量去離子水（約為淀粉質(zhì)量10倍） 將其攪拌均勻，在70℃恒溫水浴鍋中攪拌糊化1.5h，之后取出冷卻至室溫。將適量的AMPS溶解在去離子水中，用20%NaOH調(diào)節(jié)pH值到6～7，在其中加入適量的AM攪拌均勻至完全溶解。加入除氧劑5min后加入引發(fā)劑攪拌均勻后放入65℃恒溫水浴鍋中靜置。在此過程中需要通入氮氣進行保護，恒溫靜置反應(yīng)3h，得到凝膠狀產(chǎn)物,干燥粉碎后得到產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 改性淀粉產(chǎn)品

2.3 性能評價

2.3.1 探究最佳比例

對得到的產(chǎn)品進行濾失量、潤滑性和流變性測定，取四種改性淀粉降濾失劑各9 g，分別加入到300 mL淡水基漿中，用高速攪拌機攪拌20 min使其混合均勻，測定數(shù)據(jù)見表1。

表1 四種改性產(chǎn)品鉆井液測試數(shù)據(jù)對比

通過表1實驗數(shù)據(jù)可知，四種改性淀粉降濾失劑均具有良好的降濾失效果，當(dāng)物料比為1∶3時，降濾失效果最好，此產(chǎn)品加入到鉆井液中對鉆井液流變性影響較小，形成的泥餅黏附系數(shù)較低，因此確定產(chǎn)品最佳物料比為1∶3.

2.3.2 探究最佳加入量

為確定改性產(chǎn)品的最優(yōu)加量，為產(chǎn)品實際應(yīng)用提供實驗依據(jù)。選用1∶3比例合成的改性淀粉降濾失劑分別按0、2%、2.5%、3%、3.5%、4%加入300mL淡水基漿中，測定鉆井液濾失量和流變性。得到實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同加量改性淀粉鉆井液參數(shù)測試結(jié)果

通過表2實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)改性淀粉降濾失劑加量為3%和4%時，濾失量較小；加量在3%時泥餅黏附系數(shù)最小，說明形成泥餅的潤滑性最好，同時鉆井液流變參數(shù)變化最小。綜合降濾失性能、潤滑性能和流變性能，確定改性淀粉最優(yōu)加量為3%。

2.3.3 抗溫性能測試

在相同的400ml淡水基漿中分別加入3%改性淀粉降濾失劑和3%抗復(fù)合鹽型降濾失劑（KFH），高速攪拌20 min。將鉆井液放在滾子加熱爐中分別以110℃、120℃熱滾16h，測定鉆井液的API濾失量及流變性能，其數(shù)據(jù)見表3。

表3 改性淀粉抗溫性能測試數(shù)據(jù)

通過測試數(shù)據(jù)可知改性淀粉比抗復(fù)合鹽降濾失劑有更好的降濾失效果，與常溫狀態(tài)相比，改性淀粉在110、120℃高溫?zé)釢L后鉆井液濾失量有所增加，但濾失量小于10mL，說明該降濾失劑仍具有良好的降濾失效果。同時泥餅厚度、潤滑性、流變參數(shù)等數(shù)據(jù)也在合理范圍之內(nèi)，說明改性淀粉具有較好的抗溫性。

2.3.4 抗鹽性能測試

取2份淡水基漿和飽和鹽水基漿，分別加入3%的改性淀粉降濾失劑和3%抗復(fù)合鹽型降濾失劑（KFH），高速攪拌20min，測定鉆井液濾失量與流變性，其數(shù)據(jù)見表4所示。

表4 改性淀粉抗鹽性能測試數(shù)據(jù)

通過測試數(shù)據(jù)可知改性淀粉和抗復(fù)合鹽降濾失劑在淡水基漿和飽和鹽水中均具有良好的抗鹽效果，但加入改性淀粉的基漿濾失量更小，說明改性淀粉的抗鹽性更好。

3 結(jié)論

以接枝共聚的方式合成改性淀粉降濾失劑，對主要原料的配比、最優(yōu)加量進行探究，并通過與現(xiàn)場降濾失劑產(chǎn)品效果對比評價改性淀粉降濾失劑效果，得出以下結(jié)論：

1） 確定改性淀粉降濾失劑最優(yōu)配方為1∶3（淀粉：2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸與丙烯酰胺總質(zhì)量）。2）通過配方鉆井液性能測試，當(dāng)改性淀粉加量為3%時，降濾失效果最佳。3）通過與抗復(fù)合鹽型降濾失劑進行對比實驗評價，實驗合成改性淀粉降濾失劑在飽和鹽水基漿、120℃高溫條件下降濾失效果均好于抗復(fù)合鹽降濾失劑（KFH），可以適用于泥頁巖、鹽膏層等復(fù)雜地層鉆井，具有實際推廣價值。4）經(jīng)過重復(fù)性試驗可知，改性淀粉降濾失劑改性實驗具有很好的可重復(fù)性。