新型抗高温钻井液降滤失剂的合成与性能评价.pdf

第 2 5卷 第 2期 2 0 0 8年 3月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI I LI NG FLUI D COMPLE TI ON FLUI D Vo 1 ． 2 5 No ． 2 M a r ．2 0 08 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 8 0 2 0 0 1 4 0 3 新型抗 高温钻 井液降滤失剂的合成 与性能评价 郑锟 蒲晓林 西南 石油大学石油工程学院 ， 四川成都 摘要 抗高温降滤失剂是对深井、 超深井水基钻井 液抗 高温 问题 影响最大 的一类处理 剂。基于 此， 从分析 高 温钻 井液热稳定性对处理剂分子结构的要求入手， 精选 了耐 温型单体， 用丙烯 酰胺、 2 一 丙烯酰胺基一 2 一 甲基丙磺 酸、 二甲基二烯丙基氯化胺和顺 丁烯二酸进行共聚， 合成出 了两性 离子型共聚物降滤失剂 AA D M。研 究了该共聚物的 最佳聚合工艺条件 ， 对产物的抗 高温降滤失性能、 抑制性能和高温稳定性 能进行 了评价 ， 并分析 了其作 用机 理。结 果表 明， A AD M 加量为 0 ． 3 时即具有优 良的降滤失性能和抑制性能 ， 抗温可达 2 0 0℃ 。 关键词 降滤失剂 高 温钻 井液 钻井液添加剂 共聚物 合成 中图分类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 近年来， 深井、 超深井的数量越来越多 。钻井实 践表明， 当钻遇七八千米的深井、 超深井时 ， 正常温 度梯度就可以使井底温度达到 2 0 0 2 5 0℃， 因此温 度可能会更高。深井、 超深井水基钻井液的主要问 题是抗高温问题 ， 其核心就是抗高温处理剂 的研究 与 应用 。在 中国 ， 抗 2 0 0℃ 以上 高温 的水 基 钻 井 液 虽然已经获得室内多方面研 究， 但是其应用技术还 不 是很成 熟 。采 用 丙 烯 酰胺 AM 、 2 - 丙 烯酰 胺 基一 2 一 甲基 丙磺 酸 AMP S 、 二 甲基 二 烯丙 基 氯化 胺 DMD AAC 和顺丁烯二酸 MA 进行 了共聚 ， 并对 此共聚物用作钻井液处理剂进行了初步评价。 1 抗 高温单体 的选择 深井水基钻井液必须满足抗高温和热稳定性 的 要求口 。 ] ， 为此提出单体选择原则为 ①分子主链的连 接键 以及 主链 与亲水基 团的连接键 应为 C C、 C N 和 C _S等 ； ②为 了尽量减轻 高温去水化 作用 ， 处 理剂 分子中的主要水化基 团应选用亲水 性强 的离 子基 ， 如 磺酸基 、 磺 甲基和羧基等； ③分子量要适当， 太低处理 效率不高， 太高则对钻井液的流变性有不良影响。由 此采用丙烯酰胺、 2 一 丙烯酰胺基一 2 一 甲基丙磺酸、 二甲 基二烯丙基氯化胺和顺丁烯二酸进行合成实验 。 2室内合成实验 2 ． 1 实验药品及仪器 1 药 品 。丙 烯 酰 胺 A M ， 过硫 酸 铵 ， 亚硫 酸 氢 钠， 无水乙醇， 氢氧化钠， 均为分析纯， 成都科龙化工 试剂厂； 2 一 甲基一 2 一 丙烯酰胺基丙磺酸 A MP S ， 化学 纯， 美国分装进口产品； 顺丁烯二酸酐 MA ， 化学纯 ， 成都科龙化工试剂厂产品； 二甲基二烯丙基氯化铵 D MD A AC ， 工业级， 成都顺达利聚合物有限公司。 2 仪器 。电子天平 ， 上海 精密 仪器 厂 ； 各 种玻 璃 器皿若干个； 有机合成仪器， 成都科龙化工试剂厂。 2 ． 2 反应 步骤及产物 称取一定量单体和引发剂分别溶于蒸馏水中， 用 N a O H调整 AMP S水溶液的 p H值， 倒人四 口烧瓶 中， 依次加入 AM、 D MDA AC和 MA溶液。通氮气并 用搅 拌器将反应物混合均匀后滴加 引发剂 ， 恒 温反应 数小时后 ， 将所得黏稠物洗涤干燥 即得反 应产 物 。 3 合成反 应条件研究 采 用单 因素法对 聚合物 的反 应工艺 条件 进行 研 究 ， 即采取一种工 艺条件 变化 ， 而其 余工 艺条 件 固定 的方法来确定反应的最佳工艺条件。各种考察因素 的固定情况为 AM、 AMP S 、 D MD AA C和 MA的单体 配比为 1 0 2 ． 5 1 3 ， 单体总浓度为 2 0 9 ／ 6 ， 反应温度为 6 0℃， 引发剂浓度为 0 ． 3 9 ／ 6 ， p H值为 7 ． 0 ， 合成反应时 间为 5 h 。将反应 后 的产物进 行钻 井液性 能评 价 ， 由 滤失量来确定合成反应的最佳条件 。 3 ． 1 反应时间的确定 根据自由基聚合反应规律可知， 随着反应的进 行 ， 单 体浓度和引发剂浓度逐渐 降低 ， 体系黏度增大 ， 第一作者简介 郑锟， 1 9 7 7年生， 西南石油大学石油工程学院在读 博士， 主要从事钻 井工艺及 油气井工作 液的研 究。地址 四川 I 省成都市新都 区西南石油大学研 究生院博士三年级 ； 邮政编码 6 1 0 5 0 0 ； 电话 1 3 5 4 0 2 5 6 5 9 4 ； E - m a i l z k h c y 7 7 0 6 3 0 1 2 6 ． c o m。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 2 期 郑锟等 新型抗高温钻井液降滤失剂的合成与性能评价 1 5 自由基与单体接触的机会因此而减小 ， 从而影响了单 体的转化率。合成反应时间对产品降滤失性能 的影 响如表 1所示 。 表 1 合成反应时间与产品降滤失性能的关系 AA D M 反应不同时间合成产 品的降滤失性 g ／ mI 2 h 3 h 4 h 5 h 6 h 7 h 0 ．2 1 7． 0 1 2 ．5 1 0． 8 1 0 ． 0 9 ． 6 9． 6 0 ． 4 1 4． 4 1 1 ． 3 9 ．1 8 ． 3 8 ． 4 8． 5 注 基浆为 4 膨润土浆 ， 其 A P I 滤失量为 2 3 、 2 m L。 从表 1可以看出， 反应进行 5 h后， 单体转化率 的增加 不是 很 明 显 ； 滤 失 效 果 在反 应 5 、 6 h时 为 最 好。因此确定反应时间控制在 5 h左右为宜。 3 ． 2 反应温度的确定 合成反应温度对产品降滤失性 能的影响如表 2 所示 。 由表 2可 以看 出 ， 随着 反 应 温度 的增 加 ， 引 发 剂的分解速率增加， 反应体系中产生 的自由基数 目和 活性 增大 ， 聚合度变 大 ； 当温度 升到一 定值 时 ， 单体 的 转化率变化不大； 超过这一温度后， 大量的引发剂分 解而迅速产生大量的自由基， 使聚合体系的链终止速 率的增加幅度有可能远大于链增长速率的增加幅度 ， 致使聚合度减小 ， 产品分子量降低； 由实验可知， 当反 应温度为 6 0 oC时共聚物产品的性能最好。因此选择 6 0℃作为共聚反应的温度。 表 2 合成反应温 度与产品降滤 失性能的关 系 注 AADM 加 量 为 0 ． 2 。 3 ． 3 单体配比的确定 单体配比的不同对共聚物性能将产生很大 的影 响。A M在该体系中起到主链骨架的作用， 因此在单 体摩尔配 比中将其用量 限定 为 1 0 。D MDAA C的阳 离子性及较大的空间位阻效应将大大增强分子链的 刚性 ， 使聚合物的热稳定性增强， 还可大大提高降滤 失剂的抑制性能， 但它的相对反应活性为最低 ， 如果 其含量过高会增加合成反应 的难度 ， 使聚合度降低 ， 且若 阳离子量 过大 ， 憎水 基 团多 ， 产 品 降滤 失性 反 而 会降低 ， 因此在单体摩尔配 比中将其限定为 1 。MA 具有 吸附能力和 亲水 能力 均很 强 的一 C OO 基 团 ， 可 以将其在单体摩尔配 比中的值定得稍高点 ， 将其限定 为 3 。在 此基 础上 ， 主要 考察 了 A MP S的用量 变化 对 聚合产物性能的影响。AMP S在单体摩尔配比中的 值分别为 0 ． 5 、 1 、 1 ． 5 、 2 、 2 ． 5和 3时， 加入 0 ． 2 产品 的钻井液 滤失 量 分 别 为 1 4 ． 9 、 1 0 ． 1 、 8 ． 5 、 7 ． 6 、 7 ． 3和 7 ． 1 mL 。由此可见， 随着 AMP S在单体 中所 占比例 越来越大 ， 共聚物降滤失性能在提高。在含有相对较 大比例的 AMP S体系中， 引入 了更多的亲水能力、 吸 附能力和稳定性均很强 的一s O 官能团， 因此选择 A M 、 A MP S 、 D MD AA C和 MA 的配 比为 1 0 2 ． 5 1 3 。 3 ． 4 单体总浓度的确定 单体总浓度对共聚物性能的影响见表 3 。由表 3 可知， 随着单体总浓度 的增加 ， 聚合物降滤失性能呈 现先升高后下降的趋势。这可能是 因为单体总浓度 越大， 聚合速率越大， 产品分子量越高， 降滤失性能越 好； 而在高单体总浓度下 ， 体系黏度过大， 反应热不易 散发 ， 特别是 反应 后期 自由基 不 易扩 散 ， 导 致 引发 效 率下降、 链转移增加， 导致产物分子量较低 ， 降滤失性 能下降， 因此选择聚合反应的单体总浓度为 2 5 。 表 3单体 总浓度对合 成产物降滤失性能的影响 注 A A D M 加量为 0 ． 2 。 4 合成产物 A A D M 的表征 对产品进行充分提纯处理后进行红外光谱分析， 结果见 图 1 。从 图 1可 以看 出 ， 6 3 0 ． 0 9 c m 为一 C H c H一 顺式 取代 的振动 吸收峰 ； 1 1 8 8 ． 4 0 c m一 ， 1 0 4 2 ． 3 5 c m 为一S 3 伸 缩振 动 吸 收 峰 ； 1 3 0 6 ． 9 1 c m 为季胺盐 的一c N键伸缩振动吸收峰； 1 4 5 3 ． 7 0 c m 为一c H2 一的弯 曲振动吸收峰； 1 6 8 1 ． 9 7 c m _ 。 为一c O的伸缩振动吸收峰； 2 3 6 0 ． 8 7 c m 为五元 环伸缩振动吸收峰； 2 9 3 3 ． 5 0 c m 为一c H 。伸缩振 动吸收峰； 3 4 3 4 ． 1 0 c m 为非缔合一NH的伸缩振动 吸收峰。由此得 出， 合成产物确为丙烯酰胺／ 2 一 丙烯 酰胺基一 2 一 甲基 丙磺 酸／ - 甲基 二烯 丙基 氯化 胺／ 顺 丁 烯二酸 两性 离子型共 聚物 。 5 AADM 性 能 评 价 5 ． 1 抗高温降滤失性能 取 4 0 0 mL 4 钠膨润土浆 ， 加入 0 ． 3 ％降滤失剂 样品， 在 2 0 0。 C下老化 1 6 h， 在 5 0℃下测其性能， 结 果见表 4 。从表 4可 看 出 ， 加 入 0 ． 3 AA D M 的钻井 液相对于基浆而言老化前后滤失量均有大幅度下降， 且流变性 能 良好； 与 其他 3种降滤失剂对 比发 现， 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 钻 井 液与 完 井 液 2 0 0 8年 3月 AA D M 的降滤失效果 与 J A差不多， 比 J B和 GI T 好。由此可以看出， 合成聚合物 AA D M是一种效果 优 良的降滤失剂。 4 0 0 0 3 0 0 0 20 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 4 0 0 c m ‘ 1 图 1 聚合产物 A A D M 的红外光谱图 表 4 A A D M的抗高温降滤 失性能对 比实验 注 老 化条 件 为 2 0 0。 C、 1 6 h。 5 ． 2 抑制性 定量称取 5 0 g粒径为 2 ． 0 ～3 ． 2 mm 的风干页岩 样品， 与一定浓度的AA D M溶液装入 3 5 0 mL的高温 罐中 ， 在 8 0℃热滚 1 6 h ， 过孔径 为 0 ． 4 5 m m 的筛 ， 然 后在 1 0 5。 C的干燥箱烘 干 4 h ， 冷却 后称 其重 量 。结 果 见表 5 。从表 5可 以看 出 ， 产品较 好地抑 制 了泥页 岩的分散性 ， 大大降低泥页岩 的水化分散性 ， 在加量 仅为 0 ． 3 时 ， 页岩 回收率就能达 到 9 0 以上 。 表 5页岩 回收率实验数据表 5 ． 3 抗温性 A A D M 的抗温性 评价 结果 见表 6 。实验 用钻 井 液配方如下 。 4 膨润 土2 S MP _ Ⅱ 2 S P NH1 S MC 2 ． 5 HI ， Ⅱ 0 ． 5 A A D M重 晶石 2 9 ／ 5 S F 2 6 0 表 6 抗高温稳定性实验数据 注 黏 度均 在 5 0 c时 测定 ， FLH T H P 的 压力 为 3 ． 5 MP a 。 从表 6 可 以看 出 ， 加有该处理 剂的钻井液在 不同 高温下老化后， 都没有出现高温固化、 高温增稠或者 高 温 稀释 的现 象 ， 具有 良好 的流 变性 能 和降滤 失性 能， 说明加入 AA D M 的钻井液体系具有 良好的热稳 定性 。 6 结论 1 ．根据抗高温降滤失剂的作用机理， 合成了两 性离子共聚物 AA D M。以降滤失性能为主要评价指 标得 到了 A A D M 的最佳 聚合 工 艺 条件 p H 值 为 7 ， 单体 总浓度 为 2 5 质量分 数 ， A M、 AMP S 、 D M D A AC和 MA 的单 体摩 尔配 比为 1 0 2 ． 5 1 3 ， 反 应 温度 为 6 0℃ ， 反应 时间为 5 h 。 2 ． 在钻井液中加入 0 ． 3 AA D M 后， 体 系高温 老化前后的滤失量均有大幅度下降， 与同类产品相比 AA D M 是一种 效果优 良的降滤失剂 。 3 ．以 A AD M作抗高温降滤失剂的聚磺钻井液 具有 良好的高温稳定性和流变性， 能满足高温深井对 钻井液性能 的要求 。 参 考 文 献 [ 1 ] K a r l H e i n z He i e r ．S y n t h e t i c p o l y m e r e x t e n d s f l u i d l o s s c o n t r o l t o HP ／ HT e n v i r o n me n t s ， Wo r l d Oi Z ， 2 0 0 5 7 7 5 76 E e l P e r r i c o n e A C ．Vi n y l S u l fon a t e C o p o l y me r f o r H i g h - T e m p e r a t u r e Fi l t r a t i o n Co nt r o l o f W a t e r - Ba s e M u d s 4t h e d ． Hou s t o n Te x a s US A SPE， 1 9 86， 35 8 3 6 4 [ 3 ] 黄文红． 两性离子聚合物 P A D A M 的合成及 性能研究． 西南石油学院 硕士学位论文， 2 0 0 2 收稿 日期 2 0 0 7 1 2 1 7； HGF0 8 0 2 W1 ； 编 辑 汪 桂 娟 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m