深水用低分子量包被剂PF-UCAP的合成及性能评价

李怀科，罗健生，李自立，耿 铁，荆 鹏，黄孝权

（1.中海油服油田化学研究院，河北燕郊 065201；2.天津中海油服化学有限公司，天津塘沽 300301；3.中海油服油田化学事业部塘沽基地，天津塘沽 300301）

包被剂是水基钻井液中一种应用广泛且非常重要的有机处理剂，该处理剂主要是靠化学键吸附在钻屑的表面，将其缠绕包裹起来，防止钻屑与水分子接触发生水化分散[1,2]。同时，钻井液用包被抑制剂还具有降低失水，改善流型和增强体系的润滑性能等特点。目前常用的包被剂为聚丙烯酰胺类聚合物，如FA367，PLUS，PLH，HP600等，这些包被剂在泥页岩，砂岩地层都具有很好的应用效果。但这类物质一个共同特点就是相对分子质量较大，一般在300万以上，甚至更大。

深水作业由于低温特点，限制了高相对分子质量包被剂的使用。原因是低温下这类物质会使体系的粘度增大，给现场体系流变性的控制带来一定的困难，也给泥浆泵泵送增加了负担[3,5]。同时，深水低温条件下这类物质的溶解速率降低，大大降低其对钻屑的包被能力。因此，在深水作业中，对包被剂的要求不仅要有较低的相对分子质量，同时，还要有很强的包被能力。本文以丙烯酰胺，阳离子单体二甲基氯化铵类为主要原料，利用反相悬浮聚合的工艺合成了一种深水用低相对分子质量包被抑制剂PF-UCAP，并对其性能进行了评价。

1 实验材料及方法

1.1 实验原料

合成的主要试剂有：环己烷（分析纯，天津富宇精细化工有限公司）；单体Ⅰ（丙烯酰胺类，分析纯，天津科密欧化学试剂有限公司）；单体Ⅱ（二甲基氯化铵类，Aladdin Chemistry Co.Ltd）；过硫酸铵（分析纯，上海埃彼化学试剂有限公司）；失水山梨醇单硬脂酸酯（化学纯，成都科龙化工试剂厂）；相对分子质量调节剂（硫醇类，分析纯，成都科龙化工试剂厂）。

1.2 实验仪器

电子天平（FA2204B，上海菁海仪器有限公司）；四口烧瓶（联华玻璃仪器厂）；集热式磁力加热搅拌器（DF-101S，金坛市医疗器械厂）；循环水真空泵（SHZ-Ⅲ，上海亚荣生化仪器厂）；真空干燥箱（DZF-6020，上海一恒仪器有限公司）；扫描电子显微镜（S-4800，日本Hitachi 公司)；OFI900 旋转黏度计（OFI）；滚子炉。

1.3 PF-UCAP的合成

（1）在1000 mL 四口烧瓶中加入600 mL 环己烷和2.8 g 失水山梨醇单硬脂酸酯，边搅拌边加热使其充分溶解；（2）分别将60 g 单体Ⅰ、18 g 单体Ⅱ以及40 mg相对分子质量调节剂加入烧杯中，并用50 mL 蒸馏水完全溶解，即得单体溶液；（3）将配置好的单体溶液慢速滴加到四口烧瓶中，通入氮气约30 min，并开始加热升温。温度上升到55℃左右时停止加热，再加入840 mg的过硫酸铵溶液；（4）继续搅拌，反应为放热反应，控制温度在65～70℃；（5）待反应完成后，共沸除水，冷却后将反应产物进行抽滤，烘干即得最终产品。

1.4 基浆的配置

按水：无水碳酸钠：膨润土=100：0.2：3（质量分数），在搅拌情况下先后往水中加入无水碳酸钠和膨润土，继续搅拌4 h以上，然后封闭静置16 h，备用。

2 PF-UCAP 性能评价

2.1 相对分子质量测定

室内用凝胶色谱法和特性粘数法两种方法测定了低相对分子质量包被抑制剂PF-UCAP的相对分子质量[6,7]，实验结果。实验结果表明，合成的PF-UCAP的相对分子质量较小，仅有90 多万，远远小于目前国内常用包被剂的相对分子质量。同时，两种相对分子质量测定方法测得的粘均相对分子质量相近，误差较小。

表1 不同方法测得的相对分子质量对比

2.2 粒径

取100 mg 样品放入盛有2 mL 无水乙醇的塑料管中，然后将样品管在超声仪中分散5 min，取下层的分散液一滴放置在载玻片上，保持15 min 让乙醇完全挥发，然后用扫描电镜测其粒径分布。得到PF-UCAP 样品的微观外貌，扫描电镜图像（见图1）。从图1可以看出，低相对分子质量包被剂PF-UCAP的颗粒呈球状分布，且粒径非常均匀，基本在50 μm 左右。

图1 PF-UCAP 水溶液的电镜扫描图

2.3 粘度测定

在基浆中加入0.5%PF-UCAP，测定滚后体系的粘度，并与PLUS 进行了对比，实验结果。从结果可以看出，加入包被抑制剂后，基浆的粘度都有所增加，但增幅不同。其中加入PLUS 后体系的粘度增幅最大，PF-UCAP 最小，这说明合成的低相对分子质量包被剂PF-UCAP 对基浆的粘度影响不大。产生这种现象的原因主要是和三种包被抑制剂的相对分子质量大小有关，即相对分子质量越大，体系的粘度越大。

表2 包被剂在基浆中的粘度

图2 不同包被剂在基浆中的粘度对比

为进一步考察温度对包被抑制剂的影响，特别是低温条件下粘度的变化情况。室内用蒸馏水配置两种包被抑制剂溶液，与100℃下热滚16 h，测定不同温度（4℃、15℃、25℃、50℃）下的流变参数，实验结果（见图3）。实验结果表明，PF-UCAP 在水溶液中的粘度较小，4℃的表观粘度只有1.8 mPa·s，塑性粘度只有1.6 mPa·s，当温度升高至50℃时，体系的表观粘度降至0.8 mPa·s，塑性粘度降至0.7 mPa·s。这说明低相对分子质量包被剂PF-UCAP 对体系的粘度贡献小，可以作为深水水基钻井液的包被剂使用。

图3 不同温度下PF-UCAP 水溶液的粘度变化

2.4 包被性能评价

粘土分散实验和低温流变实验表明，低相对分子质量包被抑制剂PF-UCAP 由于其相对分子质量较小，对体系的粘度贡献小，但不能说明它对钻屑的包被能力就强。为了评价不同相对分子质量包被抑制剂对钻屑的包被能力，分别在相同浓度（0.5%）包被抑制剂溶液中加入易水化分散的缅甸钻屑和BZ 钻屑，用滚动回收率评价其抗钻屑分散的能力，实验结果（见图4）。结果表明，低相对分子质量包被剂PF-UCAP 对钻屑具有很好的包被作用，能够有效抑制钻屑在水中发生水化分散，钻屑滚动回收率高达85%以上，其包被效果可以与PLUS 相当。

图4 不同包被剂溶液滚动回收率对比

3 结论

（1）合成的低相对分子质量包被剂PF-UCAP的相对分子质量较小，平均相对分子质量小于100万。凝胶色谱法和特性粘数法测得结果相近，吻合度较高。

（2）合成的低相对分子质量包被剂PF-UCAP的颗粒呈球状分布，且粒径非常均匀，基本在50 μm 左右。

（3）合成的低相对分子质量包被剂PF-UCAP 对基浆的粘度贡献小，这说明对该物质对体系的粘度影响较小。

（4）合成的低相对分子质量包被剂PF-UCAP 对钻屑具有很好的包被效果，钻屑滚动回收率高达85%以上。

［1］鄢捷年，编.钻井液工艺学［M］.北京：中国石油大学出版社，2006：57-77.

［2］杨小华.国内近5年钻井液处理荆研究与应用进展［J］.油田化学，2009，26（2）:210-216.

［3］赵胜英，鄢捷年，丁彤伟，等.抗高温高密度水基钻井液流变性研究［J］.天然气工业，2007，（5）：78-80，

［4］赵怀珍，薛玉志，李公让，等.抗高温水基钻井液超高温高压流变性研究［J］.石油钻探技术，2009，37（1）:5-9.

［5］李怀科，王楠，田荣剑，等.气制油合成基钻井液低温高压条件下流变模式研究［J］.石油钻探，2011，39（1）:44-47.

［6］聚丙烯酰胺特性粘数测定方法［G］.GB12005.1-1989.

［7］聚丙烯酰胺分子量测定［G］.GB12005.10-1992.