抗高溫抑制性有機硅降濾失劑的合成與評價

劉喜亮

（中海油田服務股份有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

淺部地層油氣資源的日益枯竭，促使勘探與開發工作重點向深部地層油氣資源轉移[1]。在深井、超深井（塔里木、四川、渤海灣等）鉆探過程中，由于地溫梯度大（超過2.5 ℃/100m），垂深越大，儲層溫度越高[2]，以及鉆井液在井筒內停留時間長，使鉆井液處理劑在高溫條件下易出現分子鏈斷裂、功能性基團變異或脫落[3]，導致處理劑無法保證鉆井液流變攜巖性能、抑制性以及護壁性能[4，5]。井壁失穩是深井鉆井作業中最為常見的難題之一，由于鉆井液體系在高溫下濾失量大，滲入孔喉中導致巖石孔隙壓力增大，弱化了鉆井液對井壁的有效支撐，且以水為主要成分的濾液未能有效地抑制井壁巖石水化膨脹，進而改變井壁應力分布，易造成井壁失穩，嚴重時可導致鉆井失敗[6]。基于此，筆者以AM、SSS、DMC、硅烷偶聯劑A171 為聚合單體制備了一種抗高溫抑制性兩性離子有機硅降濾失劑，以期滿足高溫、易水化地層的鉆井要求。

1 實驗部分

1.1 主要原料

丙烯酰胺（AM）、苯乙烯磺酸鈉（SSS）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）、乙烯基三甲氧基硅烷（A171）、Na2CO3、NaOH、無水乙醇、（NH4）2S2O8及NaHSO3（分析純國藥集團化學試劑公司）。

1.2 合成方法

量取200 mL 去離子水，加入裝有攪拌器、冷凝管的三口燒瓶中，依次加入25 g AM、8 g SSS 以及一定量的DMC，采用NaOH 固體調節溶液的pH 值至7，將裝有溶液的三口燒瓶置于恒溫水浴鍋中加熱至一定溫度，通氮氣30 min 后，加入（NH4）2S2O8-NaHSO3（質量比為1:1，下同）和一定量的A171，恒溫攪拌條件下反應5 h 后，得到粗產物，通過減壓蒸餾、無水乙醇洗滌后，烘干得到固體粉末，即得有機硅降濾失劑。

1.3 基漿配制及鉆井液性能測試

基漿配制：裝有400 mL 淡水的高攪杯中分別加入1.2 g Na2CO3、14 g 納基膨潤土、在高速攪拌器下攪拌30 min 左右，置于密閉容器中養護24 h 后即制得淡水基漿。將有機硅降濾失劑加入上述基漿中，高速攪拌30 min 后，即得鉆井液，將鉆井液熱滾溫度、時間定為180 ℃、16 h，并測其熱滾前后的流變性能以及熱滾后FLAPI、FLHTHP，具體參考GB/T 16783-2014。

2 結果與討論

2.1 合成條件對共聚物降濾失性能的影響

2.1.1 DMC 加量對共聚物降濾失性能的影響 反應條件為：AM、SSS、A171、引發劑加量分別為25 g、8 g、3 g、0.1 g，反應溫度為60 ℃，反應時間為5 h，改變DMC 加量，制備有機硅降濾失劑。在基漿中加入2%有機硅降濾失劑，考察其對共聚物降濾失性能的影響，結果（見圖1）。

圖1 DMC 加量對共聚物降濾失性能的影響

從圖1 可知，隨著共聚物中DMC 含量增加，提高了共聚物的季銨陽離子含量，可通過靜電吸引作用先于水分子吸附到黏土顆粒表面，提高了黏土顆粒的穩定性，使黏土顆粒富有彈性易于變形，堵塞能力增強，降低了熱滾后的鉆井液FLAPI，共聚物中DMC 含量進一步增加，陽離子對黏土顆粒的絮凝能力增強，致使鉆井液濾失量增大，當DMC 加量為7 g 時，其濾失量最小。

2.1.2 A171 加量對共聚物降濾失性能的影響 反應條件為：AM、SSS、DMC、引發劑加量分別為25 g、8 g、7 g、0.1 g，反應溫度為60 ℃，反應時間為5 h，改變A171加量，制備有機硅降濾失劑。在基漿中加入2%有機硅降濾失劑，考察其對共聚物降濾失性能的影響，結果（見圖2）。

圖2 A171 加量對共聚物降濾失性能的影響

從圖2 可知，隨著共聚物中A171 含量增加，提高了共聚物的Si-OH 含量，該基團與黏土表面的羥基發生縮聚反應形成Si-O-Si 鍵，屬于化學吸附，該化學吸附能大于物理吸附能（分子間作用力、氫鍵、靜電吸引作用力），該鍵能大于400 kJ/mol，在高溫下不易斷裂[7]，可有效地防止黏土聚集，形成穩定的網架結構，達到降濾失的目的。當A171 加量為4 g 時，其FLAPI僅為8.2 mL，當聚合物分子中有機硅的含量進一步增加，此時對高溫下鉆井液網架結構的熱穩定性影響較小。

2.1.3 反應溫度對共聚物降濾失性能的影響 反應條件為：AM、SSS、DMC、A171、引發劑加量分別為25 g、8 g、7 g、4 g、0.1 g，反應時間為5 h，改變反應溫度，制備有機硅降濾失劑。在基漿中加入2%有機硅降濾失劑，考察其對共聚物降濾失性能的影響，結果（見圖3）。

從圖3 可知，隨著反應溫度的提高，使鉆井液濾失量先降低后增大，其原因為溫度升高促使引發劑釋放自由基的含量增大，有利于聚合反應的進行，當反應溫度超過60 ℃，引發劑釋放自由基過高，增大了自由基相互終止的概率[8]，降低了共聚物相對分子質量，造成鉆井液濾失量增大。因此，將反應溫度定為60 ℃。

圖3 反應溫度對共聚物降濾失性能的影響

2.1.4 引發劑加量對共聚物降濾失性能的影響 反應條件為：AM、SSS、DMC、A171 加量分別為25 g、8 g、7 g、4 g，反應溫度為60 ℃，反應時間為5 h，改變引發劑加量，制備有機硅降濾失劑。在基漿中加入2%有機硅降濾失劑，考察其對共聚物降濾失性能的影響，結果（見圖4）。

從圖4 可知，隨著引發劑增加，使鉆井液濾失量先降低后增大，其原因為引發劑含量過高或過低，均使降濾失劑相對分子質量降低，不利于其降濾失效果。當引發劑加量為0.12 g 時，其濾失量僅為7.6 mL。

圖4 引發劑加量對共聚物降濾失性能的影響

考察聚合物合成中的單體、引發劑加量變化以及反應溫度變化，最佳合成條件為：AM、SSS、DMC、A171、引發劑加量分別為25 g、8 g、7 g、4 g、0.12 g，溶液pH 值為7，反應時間為5 h，反應溫度為60 ℃，制備有機硅降濾失劑。

2.2 降濾失劑對鉆井液性能的影響

在基漿中加入不同濃度的有機硅降濾失劑，熱滾前后的鉆井液性能（見表1）。

表1 降濾失劑加量對鉆井液性能的影響

從表1 可知，隨著降濾失劑含量增加，使濾失量降低。從鉆井液熱滾前后黏度、切力變化來看，降濾失劑通過化學、物理作用吸附在黏土顆粒表面，形成穩定的網架結構，在高溫下性能穩定，可有效地分散黏土顆粒，降濾失劑分子中含有剛性基團（苯環），提高分子熱運動阻力[9]，使其具有抗高溫性能，降濾失劑中的功能基團使黏土顆粒富有彈性易于變形，堵塞泥餅孔隙，降低泥餅滲透率。對比基漿，不同加量的降濾失劑使鉆井液濾失量降低率均超過85%，說明該降濾失劑具有良好的抗高溫性能以及降濾失性能。

2.3 降濾失劑的抑制性能評價

通過頁巖滾動回收率實驗評價有機硅降濾失劑的抑制性能。在加入不同濃度梯度（0%、1%、2%、3%）有機硅降濾失劑的基漿中，分別加入50 g 6～10 目的頁巖，裝入老化罐中，溫度為100 ℃下熱滾16 h，用40 目的篩回收頁巖，并干燥至恒重，稱其質量，計算其熱滾回收率[10]，結果（見表2）。

表2 抑制性能評價

從表2 可知，隨著有機硅降濾失劑含量增加，頁巖在鉆井液中的滾動回收率逐漸增大。當鉆井液中的有機硅降濾失劑含量為1%時，頁巖的滾動回收率超過90%，表現出良好的抑制性能，其原因為：有機硅降濾失劑含有陽離子以及硅羥基，通過靜電作用以及化學縮合作用使降濾失劑分子吸附在頁巖表面，且形成疏水層，阻止水分子進入頁巖內部，季銨根離子直徑與頁巖硅氧四面體片中的六方網格結構內切圓直徑接近，季銨根離子進入晶層后，使晶層聯結更加緊密[11]，有效地抑制了頁巖的水化分散。

3 結論

（1）以AM、SSS、DMC、A171 為聚合單體，采用自由基水溶液聚合方式合成了抗高溫抑制性兩性離子有機硅降濾失劑，最佳合成條件為：AM、SSS、DMC、A171、引發劑加量分別為25 g、8 g、7 g、4 g、0.12 g，溶液pH 值為7，反應時間為5 h，反應溫度為60 ℃。

（2）降濾失劑通過化學、物理作用吸附在黏土顆粒表面，形成穩定的網架結構，在高溫下性能穩定，降濾失劑中的功能基團使黏土顆粒富有彈性易于變形，堵塞泥餅孔隙，降低泥餅滲透率，另外，季銨根離子進入晶層后，使晶層之間聯結更加緊密，有效地抑制了頁巖的水化分散。