石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (5): 543-546
钻井液降滤失剂KJC的合成
刘大海 1, 张元 2, 段春兰 1, 李欢 3, 蒋建敏 4, 陈婷 4, 孔权 4     
1. 四川仁智油田技术服务股份有限公司;
2. 中国石油新疆油田分公司风城油田作业区;
3. 中国石油新疆油田分公司采油二厂;
4. 西南石油大学化学化工学院
收稿日期：2013-09-04
作者简介：刘大海(1980-), 男, 四川绵阳人, 工程师, 四川仁智油田技术服务股份有限公司工程师, 主要从事钻井液技术服务工作。E-mail:liudahai198012@126.com.
摘要：降滤失剂作为重要的钻井液处理剂，其耐温耐盐能力直接影响水基钻井液的性能。从聚合物结构和官能团出发，选用对苯乙烯磺酸钠（SSS）、丙烯酰胺（AM）、烯丙基聚乙二醇（APEG）进行共聚得到钻井液降滤失剂KJC。以失水量为评价指标，通过单因素实验得到最佳合成条件为：m（APEG）:m（AM）:m（SSS）=1:2:1，单体质量分数20%，反应温度60℃，引发剂质量分数0.7%，反应时间5 h。通过红外分析表明，合成产物结构与设计结构相符。性能评价表明，所合成的聚合物具有较好的抗温能力和抗钙能力。
关键词：钻井液    降滤失剂    合成    抗温    
Synthesis of drilling fluid loss agent KJC
Liu Dahai1 , Zhang Yuan2 , Duan Chunlan1 , Li Huan3 , Jiang Jianmin4 , Chen Ting4 , Kong Quan4     
1. Sichuan Renzhi Oilfield Technology Services Co., Ltd, Mianyang 621000, Sichuan, China;
2. Fengcheng Operation Area, PetroChina Xinjiang Oilfield Branch Company, Karamay 834000, Xinjiang, China;
3. PetroChina Xinjiang Oilfield Branch Company, Karamay, Xinjiang 834000;
4. College of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China
Abstract: As an important drilling fluid, the ability of heat resistance and salt tolerance of fluid loss additive directly affects the performance of water-based drilling fluid. Based on the polymer structure and functional groups, drilling fluid loss additive KJC was obtained by copolymerizing sodium styrene sulfonate (SSS), acrylamide (AM), and allyl polyethylene glycol (APEG). Taking the water loss as an evaluation index, the optimal synthesis conditions were gotten by single factor experiments, namely m(APEG):m(AM):m(SSS)=1:2:1, monomer mass concentration is 20%, reaction temperature is 60℃, initiator dosage is 0.7%, and reaction time is 5 h. The FT-IR spectrum analysis shows that the product structure is consistent with design structure synthesis. Performance evaluation shows that the synthetic polymer has good temperature resistance and the ability to resist calcium.
Key Words: drilling fluid    fluid loss additive    synthesis    temperature resistance    

目前，油气勘探开发所钻遇的地层越来越复杂，钻井完井所面临的困难越来越大。国内外学者围绕超高温水基钻井液在油田用处理剂方面开展了一系列工作。重点放在丙烯酰胺类共聚物的改性，引进新的单体与丙烯酰胺共聚，制备各种降滤失剂[1-5]。但合成的聚合物性能与超高温条件下对钻井液性能要求还存在差距。因此，需开发新的钻井液处理剂以适应钻井技术的发展。

本研究在聚合物分子中引入基团对苯乙烯磺酸钠(SSS)，提高聚合物的抗温抗盐性能；引入了含有聚氧乙烯醚大分子侧链的烯丙基聚乙二醇(APEG)，该大分子侧链分散性能较好，能提高聚合物降滤失剂的抗盐性能；引入丙烯酰胺(AM)，起到吸附和分子骨架的作用，采用以上3种单体合成出钻井液降滤失剂KJC。降滤失剂KJC适用于淡水基浆和盐水基浆，具有一定的抗温和抗盐能力。同时，烯丙基聚乙二醇的引入增强了聚合物的吸附能力和分散颗粒的能力，使聚合物在黏土上的吸附量增多，黏土颗粒不易聚集，滤失孔道的形成得到有效抑制。

1 实验部分
1.1 实验仪器与药品

实验器材：JB50-D型恒速搅拌机；ZNN-D6型六速旋转黏度计；ZNS-2型泥浆失水量测定仪；BRGL-7型滚子加热炉；WQF-520红外光谱分析仪。

实验药品：对苯乙烯磺酸钠(SSS)、丙烯酰胺(AM)、烯丙基聚乙二醇(APEG)，均为工业级；过硫酸铵、氯化钠、氯化钙、氢氧化钠，均为分析纯，成都市科龙化工试剂厂。

1.2 降滤失剂的合成

称取一定量的APEG于三颈瓶中，加入适量的去离子水，搅拌溶解后，称取并加入一定量的SSS和AM，调节pH值至弱碱性；加入一定量的引发剂，搅拌均匀置入一定温度下的水浴锅中反应，得到凝胶状产物，再用无水乙醇洗涤3~5次，直至出现沉淀。分离后，将沉淀在温度为50 ℃烘箱中烘24 h，即制得钻井液降滤失剂KJC。

1.3 产品性能评价
1.3.1 基浆的配制

淡水基浆的配制：将40 g钙膨润土和2 g无水Na2CO3加入1 000 mL水中，高速搅拌20 min，于室温下密闭养护24 h，即得淡水基浆。

1.3.2 性能测试

将一定量的降滤失剂KJC加入到配制好的基浆中，高速搅拌5 min，或在一定温度下滚动老化16 h，取出后高速搅拌5 min。参照SY/T 5241-1991《水基钻井液用降滤失剂评价程序》用ZNN-D6型六速旋转黏度计测定钻井液的API失水量和流变参数。

2 结果与讨论
2.1 合成条件的确定
2.1.1 单体配比的影响

固定单体质量分数20%，引发剂质量分数0.5%，反应温度60 ℃，反应时间5 h，合成聚合物降滤失剂。向淡水基浆中加入质量分数为1.0%的该聚合物降滤失剂，测其API滤失量，结果见表 1。

表 1    单体配比对滤失量的影响 Table 1    Effect of monomer ratio on fluid loss

由表 1可知，当单体配比m(APEG):m(AM):m(SSS)=1.8:4:3和m(APEG):m(AM):m(SSS)=1.6:4:2时，失水量最低，但是在这两单体配比下钻井液流变性能较差。因此，综合考虑选择单体配比为m(APEG):m(AM):m(SSS)=1:2:1，其失水量为10.4 mL。

2.1.2 单体浓度的影响

固定单体配比为m(APEG):m(AM):m(SSS)=1:2:1，引发剂质量分数0.5%，反应温度为60 ℃，反应时间为5 h，合成聚合物降滤失剂。向淡水基浆中加入质量分数为1.0%的该聚合物降滤失剂，考察单体浓度对KJC降滤失剂的影响(图 1)。

图 1     单体质星分数对滤失星的影响 Figure 1     Effect of monomer mass fraction on fluid loss

由图 1可知，滤失量随单体浓度的增加先降低后增加。当单体质量分数为20%时，滤失量最低。由此，确定此聚合反应的单体质量分数为20%。

2.1.3 反应温度的影响

固定单体配比为m(APEG):m(AM):m(SSS)=1:2:1，单体质量分数为20%，引发剂质量分数为0.5%，反应时间为5 h，合成聚合物降滤失剂。向淡水基浆中加入质量分数为1.0%的该聚合物降滤失剂，考察反应温度对KJC降滤失剂的影响(图 2)。

图 2     反应温度对滤失量的影响 Figure 2     Effect of reaction temperature on fluid loss

由图 2可知，随着聚合反应温度的上升，滤失量先下降后上升。当反应温度为60 ℃时，降滤失效果最佳。

2.1.4 引发剂加量的影响

固定单体配比m(APEG):m(AM):m(SSS)=1:2:1，单体质量分数20%，反应温度60 ℃，反应时间为5 h，合成聚合物降滤失剂。向淡水基浆中加入质量分数为1.0%的该聚合物降滤失剂，考察引发剂加量对KJC降滤失剂的影响(图 3)。

图 3     引发剂加量对滤失量的影响 Figure 3     Effect of initiator dosage on fluid loss

由图 3可知，随着引发剂加量的增加，产物的降滤失能力先增加后减弱，当引发剂质量分数为0.7%时，产物的降滤失效果最好，失水量为10.1 mL。

2.1.5 反应时间的影响

固定单体配比为m(APEG):m(AM):m(SSS)=1:2:1，单体质量分数20%，反应温度60 ℃，引发剂质量分数0.7%，在不同的反应时间下合成聚合物降滤失剂。向淡水基浆中加入质量分数为1.0%的该聚合物降滤失剂，测其FL滤失量，结果见图 4。由图 4可知，随着聚合反应时间的增加，滤失量先下降后上升，当反应时间为5 h时，滤失效果最佳。因此，确定最佳反应时间为5 h。

图 4     反应时间对滤失屋的影响 Figure 4     Effect of reaction time on fluid loss

2.1.6 最佳合成条件

通过以上实验，得出降滤失剂AM/APEG/SSS的最佳合成条件为：单体质量分数20%，单体配比m(APEG):m(AM):m(SSS)=1:2:1，反应温度为60 ℃，引发剂质量分数(占单体质量分数)为0.7%，反应时间为5 h。

2.2 聚合物降滤失剂红外分析

在最佳合成条件下合成出聚合物降滤失剂，将得到的凝胶状产物用无水乙醇洗涤3~5次，直至出现沉淀，分离后将沉淀在温度为50 ℃的烘箱中烘24 h，即制得该钻井液降滤失剂。采用红外分析对提纯后的聚合物进行表征。

由图 5可知，3 467.60 cm-1为N-H键收缩振动吸收峰；3 197.39 cm-1为-OH收缩振动吸收峰；2 929.34 cm-1为=CH2伸缩振动吸收峰；1 666.19 cm-1为酰胺基的C=O伸缩振动峰；1 448.28 cm-1为苯环骨架振动吸收峰；1 186.00 cm-1为醚键伸缩振动峰；1 122.37 cm-1为-SO3-伸缩振动峰。分析可知，共聚物分子链上都带有初始设计的分子基团。由此推断，目标产物结构与设计相符。

图 5     聚合产物的红外光谱图 Figure 5     IR spectra of polymerization product

3 降滤失剂KJC的性能评价
3.1 高温下KJC加量对滤失量的影响

钻井液在高温下的性能时常会有减弱或失效的情况发生，这就需要考察在高温的实验条件下，降滤失剂KJC的加量与滤失量的关系。在4%(w)淡水基浆中加入不同量的聚合物降滤失剂KJC，高速搅拌5~10 min，在不同的老化温度下热滚16 h，分别测定钻井液体系的API滤失量和流变性(见表 2)。

表 2    钻井液滤失量随老化温度和聚合物加量的变化 Table 2    Change of drilling fluid loss with aging temperature and polymer dosage

从表 2可以看出，钻井液的滤失量随实验温度的升高而逐渐增大，随着聚合物KJC加量的增大，钻井液在高温下的滤失量逐渐降低。因此，通过增大KJC的加量可以降低高温下钻井液的滤失量。当聚合物降滤失剂KJC的质量分数为1.2%时，在老化温度为180 ℃的条件下，滤失量为12.0 mL，这说明降滤失剂KJC具有良好的抗高温能力。

3.2 抗钙性能评价

在淡水钻井液中加入质量分数为1.6%的聚合物降滤失剂，搅拌均匀后，再分别加入不同量的CaCl2，高速搅拌15 min，测试钻井液的滤失量与流变性，评价其抗盐性能，实验结果见表 3。

表 3    钻井液抗钙性能评价 Table 3    Performance evaluation of drilling fluid calcium resistance

由表 3可知，当CaCl2质量分数为5%时，滤失量为15.7 mL，说明该降滤失剂的抗钙能力较好。

3 结论

(1) 通过实验研究，得出聚合物降滤失剂的最佳制备条件为：单体质量分数20%，单体配比m(APEG):m(AM):m(SSS)=1:2:1，反应温度为60 ℃，引发剂质量分数为0.7%(占单体质量分数)，反应时间为5 h。

(2) 通过对聚合物的红外光谱分析和核磁共振分析可知，本实验所合成的聚合物与设计相符。

(3) 聚合物降滤失剂KJC具有较好的抗温能力，当KJC的质量分数为1.2%时，在老化温度为180 ℃的条件下，滤失量为12.0 mL。

(4) 在CaCl2质量分数为5%的钻井液体系中，加入KJC的质量分数为1.6%时，测试的滤失量为15.7 mL，表明降滤失剂KJC的抗钙能力较好。

参考文献
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