用水基钻井液在泥页岩地层钻进时, 由于泥页岩中粘土矿物具有较强的水化分散作用, 常会导致井眼膨胀、缩径及坍塌等井壁不稳定现象, 引起钻井复杂情况和事故。目前现场使用最多的是氯化钾聚合物、钾基聚合物等抑制性钻井液和油基钻井液, 较好地解决了泥页岩的不稳定问题, 但也存在一些不足之处。对于钾基聚合物钻井液, 要维持钾离子在钻井液中有足够的浓度以发挥其作用的难度很大; 在严重膨胀的地层常使用氯化钾聚合物钻井液, 但氯化钾加量大, 钻井液的矿化度高.这对处理剂的选择、钻井液的现场维护及测井解释带来一定的困难, 也加剧了井下钻具的电化学腐蚀[1, 2]。
而两性离子型的抑制剂由于其自身的特点具有以下的优点[3-7]:①由于粘土粒子表面带负电荷, 两性离子聚合物中的阳离子基团可与粘土产生比非离子极性吸附基团要强烈的吸附。吸附的结果, 不但中和了粘土表面的负电荷, 而且降低了ζ电位。②两性离子聚合物的特有分子结构, 使其分子间易发生缔合, 形成链束, 链束中网状结构通过吸附作用实现完整的包被作用。③两性离子聚合物中既含有具有吸附和水化双重作用的阳离子基团, 又含有大量的水化基团(如COO-), 可以在粘土颗粒周围形成致密的水化层, 阻止和延缓了水分子与粘土表面接触, 起到防止水化膨胀的目的。④由于在粘土表面形成溶剂化层, 粘土颗粒之间形成静电排斥作用, 从而减弱絮凝, 提高了钻井液体系的稳定性。⑤反聚电解质效应:普通聚合物在小分子盐作用下水溶性降低, 甚至沉淀, 而小分子盐对处于等电点的两性聚合物的影响恰好相反, 此时由于离子间的相互排斥分子链产生扩展, 溶解性增加, 粘度增大。基于此, 可以在聚合物功能单体中引入钾离子, 即丙烯酸钾, 利用钾离子自身抑制性能和磺酸基团的耐高温性能, 制备一种新型两性的多功能页岩抑制剂。
本试验以AM、AMPS、AA、DMDAAC为原料, 采用氧化还原体系来制备一种两性离子型的高效页岩抑制剂, 目前还未见相关报道。
丙烯酰胺(AM), 白色粉末, 工业品; 二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC), 50%的水溶液, 工业品; 2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸(AMPS), 固体粉末状, 工业品; 丙烯酸钾(AA)化学纯; 过硫酸铵、亚硫酸氢钠; 氢氧化钠; 乙醇, 化学纯。
电热恒温水浴锅; 电动搅拌器; 低速离心机; 真空烘箱; 多联失水量测定仪; 电子天平。
按投料比称取一定量的各单体, 先将溶解了的AMPS置于三颈烧瓶中, 在冷却条件下, 用氢氧化钠溶液调节pH值为8~9, 然后加入用少量水溶解了的丙烯酰胺和DMDAAC, 补充水分, 置于水浴锅中升温至所需的温度, 加入丙烯酸钾搅拌, 密闭通N2 20 min后, 加入引发剂, 继续反应4 h后, 停止反应。得粘稠浑浊状物, 即为所合成的聚合物产品。
将所合成的聚合物产品, 用无水乙醇沉淀, 得白色沉淀物, 反复用无水乙醇洗涤, 并将其浸泡于无水乙醇中过夜, 以充分除去未反应完全的单体, 然后取出沉淀物放在表面皿上, 置于真空、60℃烘箱中烘至恒量, 即可得纯净的聚合物产品。
按投料比称取一定量的各单体, 按实验步骤配制15%的单体浓度, 在pH值为8~9, 温度为45℃的条件下, 反应4 h, 得粘稠浑浊状物, 即为合成聚合物。然后将产物用离心机在2000 r/min的转速下离心15 min, 测定其防膨率。单体配比对防膨率的影响结果如表 1。
由表 1可知, 当单体配比为2:1:7:1时, 抑制剂聚合物的的防膨率最大。AMPS与DMDAAC的摩尔量等量或AMPS低于DMDAAC的摩尔量时, 合成物的抑制性能反而降低; AM有利于提高聚合产物的粘度, 从而具有更好的抑制能力。
按最佳单体配比为2:1:7:1, 配制不同单体浓度的反应物, 在pH值为8~9, 温度为45℃的条件下, 反应4 h, 得粘稠浑浊状物, 即为合成聚合物。然后用离心机在2000 r/min的转速下离心15 min, 测定其防膨率。单体浓度对防膨率的影响结果如表 2所示。
从表 2可看出:当单体浓度为15%时, 合成物的防膨率最大, 单体浓度太低或太高, 都会影响合成反应。单体浓度过高时, 单体自交联反应的程度增加; 单体浓度过低时, 反应不易进行, 都不易得到相对分子质量高的聚合物, 其抑制能力有所下降。
在最佳单体配比为2:1:7:1和单体浓度15%条件下, 加入不同的引发剂量, 在pH值为8~9, 温度为45℃的条件下, 反应4 h, 得粘稠浑浊状物, 即为合成聚合物。然后用离心机在2000 r/min的转速下离心15 min, 测定其防膨率。引发剂浓度对防膨率的影响如表 3。
从表 3可知:引发剂浓度为0.4%时, 合成聚合物的防膨率最大。当引发剂量过小时, 不足以引发单体聚合; 当引发剂浓度大于0.4%时, 防膨率呈下降趋势, 这是由于引发剂在溶液中产生过多自由基, 加速链的终止, 不易生成相对分子质量高的聚合物, 从而影响了其防膨抑制性能。
在单体配比为2:1:7:1, 单体浓度为15%, 引发剂浓度为0.4 %的条件下, 使反应物在不同的温度下进行反应, 测定温度对防膨率的影响。温度对防膨率的影响如表 4。
由表 4可知:反应温度为50℃时, 合成聚合物的防膨率最大。当温度低于50℃时, 不利于发生反应; 当温度高于50℃时, 防膨率呈下降趋势, 分子的运动速度加快, 不利于发生共聚反应, 因此影响了产物的防膨抑制性能。
通过单因素实验法确定的实验合成条件为:单体配比为2:1:7:1, 单体浓度为15%, 引发剂浓度为0.4 %, 反应温度为50℃。
(1) 以柴油和蒸馏水为标准液, 加入5%经高温烘焙的膨润土, 混合均匀, 量取10 mL溶液装入离心管, 以2000 r/min旋转15 min, 静置2 h, 测量其膨胀体积。
(2) 分别配制浓度为4%、8%、12%、16%和20%的页岩抑制剂溶液, 量取10 mL溶液加入离心管; 加入0.5 g经高温烘焙的膨润土, 混合均匀, 置于离心机中以2000 r/min旋转15 min, 静置2 h, 测量其膨胀体积, 根据式(1)计算其防膨率:
由图 1可知, 在测定的浓度范围内, 随着聚合物浓度的增加, 防膨率增大。主要原因是由于聚合物相对分子质量较大, 浓度越大, 溶液的粘度越大, 从而提高了其抑制膨胀的性能。
(1) 以柴油和蒸馏水为标准液, 量取10 mL溶液装入离心管, 然后加入5%经高温烘焙的膨润土, 混合均匀, 以2000 r/min旋转15 min, 静置2 h, 测量其膨胀量。
(2) 配制等浓度的页岩抑制剂溶液, 在不同温度下加热, 分别量取10 mL溶液加入离心管, 然后加入5 g经高温烘焙的膨润土, 混合均匀, 置于离心机中以2000 r/min旋转15 min。静置2 h, 用量筒测量溶液的体积。计算其防膨率, 结果见图 2。
由图 2可看出, AMPS/DMDAAC/AM/AA共聚物在温度为95℃以下, 随着温度的升高, 防膨率下降幅度较小, 说明该共聚物在高温下具有一定的抑制粘土水化分散的能力; 但当温度超过110℃时, 防膨率急剧下降。
(1) 分别配置1%、2%、3%、4%和5%的NaCl盐溶液, 量取10 mL溶液加入离心管, 然后加入5%经高温烘焙的膨润土, 混合均匀, 置于离心机中以2000 r/min旋转15 min, 静置2 h, 用量筒测量溶液的体积。
(2) 再分别量取10 mL溶液加入离心管, 加入等量聚合物配制成溶液, 然后加入5%经高温烘焙的膨润土, 混合均匀, 置于离心机中以2000 r/min旋转15 min, 静置2 h, 用量筒测量溶液的体积。计算其防膨率, 结果如图 3所示。
由图 3可知, AMPS/DMDAAC/AM/AA共聚物具有一定的抗盐能力。当盐浓度未超过3.0%时, 随着盐浓度的增加, 其抑制能力没有很大变化; 当盐浓度大于3.0%时, 其曲线上升的趋势较快; 未加有抑制剂的盐溶液, 其抑制能力很差, 随着浓度的升高, 抑制性能有所增加。通过对比, 说明聚合物有很好的抑制性能。
当钻井液注入地层后, 钻井液中的自由水在压差作用下会向地层渗透, 造成失水, 结果会引起井径缩小, 井壁坍塌等问题。良好性能的降滤失剂的加入有利于减小失水量, 达到稳定井壁的作用。其失水性能的好坏通常可用失水量来衡量。因此, 考察了抑制剂聚合物系列在淡水中的降失水性能。试验方法如下:
(1) 基浆:在1 L热水(80℃)中加入40 g膨润土及2.4 g无水Na2CO3, 取400 mL基浆高速搅拌20 min, 其间至少停两次, 以刮下粘附在容器壁上的粘土, 在密闭容器中养护24 h。
(2) 失水量的测定:取一定量基浆, 按相同加量加入不同浓度的聚合物, 在0.07 MPa压力下, 通过泥浆失水仪测定其在30 min的失水量(图 4)。
由图 4可知, 抑制剂聚合物在淡水钻井液中具有较强的降失水性。随聚合物加量的增大, 降失水性也有所提高。原因是抑制剂聚合物的相对分子质量相对较高, 一条分子链在钻井液中能吸附几个粘土颗粒, 使粘土颗粒不易聚集, 保证了其分散度, 且参与泥饼的形成, 从而使得泥饼更致密。
本试验所合成的产物具有较强的抑制能力和降失水能力, 此外, 还具有一定的耐温性和耐盐性, 是一种集抑制性和降失水性为一体的两性离子聚合物。
2010, Vol. 39 Issue (3): 250-253
2010, Vol. 39 Issue (3): 250-253