天然材料接枝共聚物分散剂的合成及性能评价

谢建宇 李 彬 张 滨

（中原石油勘探局钻井工程技术研究院）

在深井、超深井钻井过程中，需使用加重钻井液平衡地层压力，特别是在钻遇异常高压地层时，必须使用超高密度钻井液（2.5g／cm3＜ρ≤3.0g／cm3）来满足工程及地质方面的要求，如新疆油田南缘山前构造带上的安4井、独深1井，塔里木盆地的英深1井以及赤水官渡地区的官深1井等［1－3］。由于超高密度钻井液固相含量高（重晶石体积分数可达50%以上），加重材料及部分钻屑长期在高温高压环境下受高剪切速率作用及钻头研磨，致使钻井液中细小粒子增多，流变性不易控制，从而导致机械钻速降低。为解决这些难题，国内科研人员往往通过在超高密度钻井液中加入降粘剂来改善钻井液流变性，由于普通降粘剂对重晶石分散作用有限，超高密度钻井液的流变性仍然难以满足现场需求［4－11］。本实验利用天然材料与丙烯酸、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸和阳离子单体进行接枝共聚，研制出一种适用于超高密度钻井液的两性离子型接枝共聚物分散剂JZ－1，并对分散剂进行了室内评价。

1 实验部分

1.1 实验药品

丙烯酸（AA），工业品；2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸（AMPS），工业品；二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），工业品；天然材料T，工业品；相对分子质量调节剂，分析纯；过硫酸铵，分析纯；NaOH，分析纯。

1.2 分散剂JZ－1的合成

将AA、AMPS和DMDAAC溶解于清水中备用，然后将天然材料T与一定量的相对分子质量调节剂溶解于清水中加入四口烧瓶，再将过硫酸铵溶解于清水中备用。待体系加热至60℃后，同时滴加反应单体和引发剂溶液，滴加结束后将体系加热至90℃反应1h，最后用NaOH中和并烘干产物，得到天然材料接枝共聚物分散剂JZ－1。

1.3 钻井液性能评价

1.3.1 基浆配制

淡水基浆：在1L水中加入1g Na2CO3和20g膨润土，高速搅拌2h，室温下放置养护24h，即得质量分数为2%的淡水基浆。

盐水基浆：在质量分数为2%的淡水基浆中加入质量分数为10%的NaCl，高速搅拌5min，于室温下放置养护24h，即得盐水基浆。

1.3.2 性能测试

将研制的分散剂加入配制的基浆中，高速搅拌5min，于室温下放置养护24h或在一定温度下滚动老化16h后，室温下高速搅拌5min，用旋转黏度计测定钻井液的流变性；然后按式（1）计算分散剂的分散率。

式中：（Ф100）0为不加分散剂时淡水基浆用六速旋转黏度计100r／min下的读数；（Ф100）1为加入分散剂后相同条件下的读数。

2 结果与讨论

2.1 合成条件对分散剂性能的影响

2.1.1 相对分子质量调节剂的影响

固定其他反应条件不变，改变相对分子质量调节剂用量，然后将合成的分散剂样品加入基浆中（质量分数为2%），经150℃老化16h后，考察不同相对分子质量调节剂用量下，分散剂在基浆中的分散性能。

表1 相对分子质量调节剂对分散剂性能影响Table 1 Effect of relative molecular mass regulator on dispersant performance

从表1可以看出，随着相对分子质量调节剂用量的增加，分散剂的分散性能呈上升趋势。当相对分子质量调节剂的质量分数达到1.25%时，继续增加用量对分散剂性能影响不大。因此，合适的相对分子质量调节剂的质量分数为单体质量的1.25%～1.5%。

2.1.2 单体AMPS加量的影响

固定其他反应条件不变，改变单体AMPS用量，然后将合成的分散剂样品加入基浆中（质量分数为2%），经150℃老化16h后，考察不同AMPS用量下，分散剂在基浆中的分散性能。

从表2可以看出，随着AMPS用量的增加，分散剂的分散性能大致呈上升趋势；当AMPS质量分数达到25%时，继续增加用量对分散剂分散性能影响不大。因此，合适的AMPS质量分数为单体质量的25%～30%。

表2 AMPS对分散剂性能影响Table 2 Effect of AMPS on dispersant performance

2.1.3 天然材料与乙烯基单体配比的影响

固定其他反应条件不变，改变天然材料与乙烯基单体配比，然后将合成的分散剂样品加入基浆中（质量分数为2%），经150℃老化16h后，考察不同天然材料与乙烯基单体配比条件下，分散剂在基浆中的分散性能。

表3 材料配比对分散剂性能影响Table 3 Effect of raw materials ratio on dispersant performance

从表3可以看出，随着乙烯基单体与天然材料用量比例的降低，分散剂的分散性能呈先上升再降低的趋势，当乙烯基单体与天然材料用量达到2∶8时，实验中继续增加天然材料用量，分散剂性能下降。因此，合适的乙烯基单体与天然材料用量比为（2∶8）～（3∶7）。

2.2 性能评价

2.2.1 在淡水基浆中

将分散剂JZ－1加入基浆后，测定基浆在室温及150℃高温老化16h后的流变性能，结果见表4。

表4 分散剂在淡水基浆中的分散性能Table 4 Performances of dispersant in fresh water based slurry

从表4可以看出，在淡水基浆中加入分散剂后，经室温养护24h或150℃高温老化16h后，分散剂的分散率随着分散剂用量的增加而升高；并且当分散剂质量分数达到3%，分散剂的分散率可达50%以上，表现出良好的分散性能。

2.2.2 在质量分数为10%的盐水基浆中

将分散剂JZ－1加入盐水基浆后，测定基浆在室温养护24h后的流变性能，结果见表5。

表5 分散剂在盐水基浆中的分散性能Table 5 Performances of dispersant in brine based slurry

基浆配方：质量分数为2%的淡水浆＋质量分数为10%的 NaCl＋重晶石，ρ＝2.6g／cm3，“－”表示在此转速下读数超出仪器量程。

从表5可以看出，在盐水基浆中加入分散剂，经室温养护24h后，分散率随着分散剂用量的增加而升高，当分散剂质量分数达到2%时，其在含钙基浆中的分散率可以达到56%以上，这说明分散剂在盐水基浆中具有较好的抗盐性能。

2.2.3 在超高密度钻井液中

将分散剂JZ－1加入超高密度钻井液中，经150℃老化16h后进行性能评价，结果见表6。

表6 分散剂加量对钻井液性能影响Table 6 Effect of dispersant dosage on drilling fluid performance

从表6可以看出，当分散剂JZ－1质量分数为2%时，就可以在超高密度钻井液中发挥出较好的分散作用，体系漏斗黏度由不加分散剂的282s降低至130s，有效改善了体系流变性。并且，体系在室温静置24h后，上下层密度差由不加分散剂的0.56 g／cm3降低至0.03g／cm3，显著提高了体系的悬浮稳定性能。

2.3 分散剂对重晶石表面Zeta电位及粒径影响

2.3.1 重晶石表面Zeta电位分析

将一定量的重晶石放入烘箱中，在105℃下干燥2h，然后取10g重晶石加入含100mL蒸馏水的锥形瓶中，再将一定量分散剂JZ－1加入锥形瓶中，室温下在水浴振荡器中恒温振荡2h，然后取部分悬浮液，利用JS94H型微电泳仪测定重晶石颗粒表面Zeta电位，结果见图1。

从图1可以看出，随着分散剂JZ－1浓度增加，重晶石表面Zeta电位呈下降趋势，当JZ－1质量浓度为0.5g／L时，重晶石表面Zeta电位由未加分散剂时的－5.7mV 下降为－51.6mV（荷负电），显著提高了重晶石的表面带电量，增加重晶石之间的静电斥力，防止重晶石之间的团聚，有效改善了重晶石的分散效果。

2.3.2 重晶石粒径分析

将重晶石样品和经质量浓度为0.5g／L分散剂分散后的重晶石样品分别用Winner2000ZD激光粒度分析仪测定重晶石粒径，结果见图2。

从图2可以看出，加入分散剂后，重晶石的粒度分布有了明显降低，平均粒径由15.16μm下降为13.25μm。这是由于重晶石在水中存在团聚现象，而加入分散剂后，分散剂可以将团聚的重晶石有效分散，从而使得测定的重晶石粒径变小。

2.4 红外光谱分析

将合成的分散剂样品经纯化后，用红外光谱仪进行检测，图中3 408cm－1是羟基（－OH）伸缩振动吸收峰，1 722cm－1和1 615cm－1是羰基（－C＝O）伸缩振动吸收峰，1 184cm－1和1 040cm－1为磺酸基（－SO3）伸缩振动吸收峰。

2.5 热分析

将合成的分散剂样品经纯化后，用热分析仪进行热分析。从图4可以看出，分散剂在280℃开始分解，说明分散剂具有较好的热稳定性。

3 结论

利用天然材料T与乙烯基单体进行接枝共聚合成了超高密度钻井液用分散剂JZ－1，其可以提高重晶石表面的Zeta电位，防止重晶石之间的聚集，显著提高钻井液的流变性和沉降稳定性，满足现场施工需求。

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