抗高温聚合物降滤失剂YL-Ⅱ的合成与性能

何晨晨，罗春芝

(长江大学化学与环境工程学院,湖北 荆州 434023)



抗高温聚合物降滤失剂YL-Ⅱ的合成与性能

何晨晨，罗春芝*

(长江大学化学与环境工程学院,湖北 荆州 434023)

选用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)4种单体，采用非常规的引发剂和pH值调节方法，以改进的水溶液自由基聚合法合成了抗高温聚合物降滤失剂YL-Ⅱ。确定了最佳合成条件为：n(AM)：n(R-AA):n(AMPS):n(NVP)=5∶1∶2∶2，反应温度20 ℃，反应体系pH值10～11，反应时间4 h，引发剂用量为单体总质量的0.4%，用Na2CO3调节反应体系的pH值。YL-Ⅱ在淡水、饱和盐水及复合盐水钻井液中均有良好的降滤失性能，表现出较好的抗钙、抗盐性能；抗温温度达到220 ℃，且在240 ℃时仍有一定的降滤失性能；在钻井液体系中添加量较少，使用方便，能够降低使用成本。

聚合物；降滤失剂；抗高温；流变性

抗高温降滤失剂是钻井作业用量最大的材料之一，主要为磺化酚醛树脂、磺化褐煤树脂及聚合物降滤失剂。磺化酚醛树脂类降滤失剂的抗温性最高为180 ℃，且加量大；抗高温聚合物降滤失剂的性能和价格因合成方法不同差异很大。国外同类产品价格达到10万元·t-1以上，加量一般在1.5% 以下，抗温240 ℃左右[1-3]；国内产品价格为8万元·t-1以上，加量在1.5%以下，抗温210 ℃左右[4-6]。虽然国内产品价格相对较低，但与国外产品在抗温性上有不小的差距。通过分析聚合物分子量的控制与引发剂体系类型及反应体系酸碱度大小之间的关系，发现改变常规的引发剂体系及聚合反应体系pH值的控制方法，使反应变得温和易于控制，爆聚几率减少，产物性能稳定[7]。为此，作者选用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)4种单体，选择具有吸附特性的皂土类物质与常规的氧化还原引发剂形成引发剂体系，用Na2CO3调节反应体系的pH值，在碱性条件下合成了抗高温聚合物降滤失剂YL-Ⅱ，并考察了降滤失剂的性能。

1 实验

1.1 试剂与仪器

碳酸钠、氢氧化钠、氯化钠、过硫酸钠、亚硫酸氢钠、乙二胺四乙酸二钠，分析纯；丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、膨润土，工业级。

HH-1型数显恒温水浴锅、JJ-1型定时电动搅拌器，江苏金坛金城国盛实验仪器厂；ZNN-D6型六速旋转黏度计、BGRL-2型滚子加热炉，青岛奥斯特石油科技有限公司；GJS-B12K型变频高速搅拌机、ZNS型滤失仪、DFC-0705型高温高压滤失仪，青岛海通达专用仪器厂；TQ-300T型高速多功能粉碎机，永康天祺盛世工贸有限公司。

1.2 方法

1.2.1 合成方法

在室温下将单体AM、AMPS、R-AA、NVP以一定比例溶解于去离子水中，用Na2CO3调节溶液pH值至10～11，加入一定量皂土类物质搅匀。将溶液转移至三口烧瓶中恒温搅拌,通入氮气30 min后间隔滴加过硫酸钠和亚硫酸氢钠溶液，待生成无色至浅黄色黏稠状产物且黏度不再发生变化即停止反应。用丙酮洗涤产物，再用乙醇反复洗涤，在75 ℃下烘干产物并粉碎至100目以上，即得抗高温聚合物降滤失剂YL-Ⅱ。

1.2.2 结构表征

采用红外光谱仪对样品进行结构表征。

1.2.3 性能评价[8]

降滤失性能：评价样品在4%膨润土淡水浆、淡水钻井液、饱和盐水钻井液和复合盐水钻井液中加量为1%时，150 ℃下高温滚动16 h后的流变性及滤失量。滤失量越小，降滤失性能越好。

抗温性能：评价样品在4%膨润土淡水浆中加量为1%时，在160～240 ℃高温滚动16 h后，在高温高压(相应的老化温度，3.5 MPa)条件下的流变性和滤失量。流变性和滤失量变化越小，抗温性能越好。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析(图1)

2.2 合成条件的优化[10]

2.2.1 单体比

设定反应温度为25 ℃、反应体系pH值为10、引发剂用量为单体总质量的0.4%，采用不同单体比[n(AM)∶n(R-AA)∶n(AMPS)∶n(NVP)]合成样品，评价其在4%膨润土淡水浆中加量为1%时的降滤失性能，结果见表1。

表1 单体比对样品降滤失性能的影响

Tab.1 Effect of monomer ratio on the filtration loss of samples

单体比AVmPa·sPVmPa·sYP Pa 滤失量mL-6.04.58.425.51∶1∶1∶117.314.525.06.83∶2∶3∶316.012.522.77.93∶3∶3∶130.020.540.914.53∶1∶4∶231.021.042.412.44∶1∶3∶219.316.528.17.84∶2∶3∶122.018.030.69.65∶1∶2∶223.321.039.65.84∶1∶3∶328.320.539.37.05∶1∶3∶326.319.536.86.45∶1∶3∶128.022.540.26.0

注：AV为表现黏度；PV为塑性黏度；YP为动切力。下表同。

从表1可以看出，单体比为5∶1∶2∶2时，样品降滤失效果最好，其次是单体比为5∶1∶3∶1时。比较这两个样品组成，发现适当提高AM及AMPS在四元体系中的比例可提高样品的降滤失性能。

2.2.2 反应体系pH值

设定单体比为5∶1∶2∶2、反应温度为20 ℃、引发剂用量为单体总质量的0.4%、样品在4%膨润土淡水浆中加量为1%，考察反应体系pH值对样品降滤失性能的影响，结果见表2。

从表2可以看出，当反应体系pH值为10～11时，滤失量最低，所以确定反应体系最佳pH值为10～11。

2.2.3 反应温度

设定单体比为5∶1∶2∶2、反应体系pH值为10、引发剂用量为单体总质量的0.4%、样品在4%膨润土淡水浆中加量为1%，考察反应温度对样品降滤失性能的影响，结果见表3。

表2 pH值对样品降滤失性能的影响

Tab.2 Effect of pH value on the filtration loss of samples

pH值AV/(mPa·s)PV/(mPa·s)YP/Pa滤失量/mL623.818.033.56.0728.511.540.16.5813.510.519.27.5912.510.017.99.51028.321.029.65.81125.019.525.55.91223.420.034.16.0

表3 反应温度对样品降滤失性能的影响

Tab.3 Effect of reaction temperature on the filtration loss of samples

由表3可以看出，当反应温度为20 ℃时，滤失量最低，所以确定最佳反应温度为20 ℃。

2.3 样品在不同钻井液中的降滤失性能

在选择单体物质的过程中，选择了NVP，其所含的五元环的内脂酰胺基对钙、盐侵入有良好的抵抗力，在多种含有NaCl及CaCl2的钻井液体系中具有良好的性能。

样品在淡水钻井液、饱和盐水钻井液及复合盐水钻井液中的降滤失性能见表4。

由表4可以看出，样品在淡水、饱和盐水及复合盐水钻井液中均有良好的降滤失性能。表明该样品表现出良好的抗钙、抗盐性能，能够适应多种钻井液体系。

2.4 抗温性能

样品在4%膨润土淡水浆中加量为1%时的抗温性能见表5。

从表5可以看出，样品在4%膨润土淡水浆中加量为1%时，在220 ℃时有较强的降滤失性能；在240 ℃时依然有一定的降滤失性能。

表4 样品在不同钻井液中的降滤失性能

Tab.4 The filtration loss of sample in different drilling fluids

钻井液类型样品加量%AVmPa·sPVmPa·s YP Pa滤失量mL淡水06.04.58.425.50.314.811.020.77.20.518.814.526.66.70.721.816.530.76.21.028.321.029.65.81.538.028.053.15.7饱和盐水05.04.07.2119.00.38.07.011.852.00.511.07.015.332.50.716.015.522.714.81.018.315.026.39.21.518.515.026.18.6复合盐水02.52.53.8100.50.33.02.54.315.60.54.03.55.910.20.74.84.57.29.81.06.06.09.26.41.58.58.513.06.0

表5 样品的抗温性能

Tab.5 Temperature resistance of sample

3 结论

选用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烷基丙烯酸(R-AA)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)4种单体，采用非常规的引发剂和pH值调节方法，以改进的水溶液自由基聚合法合成了抗高温聚合物降滤失剂YL-Ⅱ。确定了最佳合成条件为：n(AM)：n(R-AA):n(AMPS):n(NVP)=5∶1∶2∶2，反应温度20 ℃，反应体系pH值10～11，反应时间4 h，引发剂用量为单体总质量的0.4%，用Na2CO3调节反应体系的pH值。YL-Ⅱ在淡水、饱和盐水及复合盐水钻井液中均有良好的降滤失性能，表现出较好的抗钙、抗盐性能；抗温温度达到220 ℃，且在240 ℃时仍有一定的降滤失性能；在钻井液体系中添加量较少，使用方便，能够降低使用成本。

[1] JARRETT M，CLAPPER D.High temperature filtration control using water based drilling fluid systems comprising water soluble polymers：US 7651980[P].2010-01-26.

[2] DICKERT J J，HEIWEIL I J.Vinyl sulfonate amide copolymer and terpolymer combinations for control of filtration in water-based drilling fluids at high temperature：US 4608182[P].1986-08-26.

[3] PATEL A D.Water-based drilling fluids with high temperature fluid loss control additive:US 5789349[P].1998-08-04.

[4] 张宝庆,武玉民.耐高温降滤失剂AMPS/AM/IA共聚物的合成及表征[J].油田化学,2001,18(2):105-107.

[5] 刘明华.AMPS/DMDAAC/AM/MAA共聚物降滤失剂的合成及性能[J].精细石油化工进展,2002,10(3):41-43.

[6] 王中华.AM/AA/淀粉接枝共聚物降滤失剂的合成及性能[J].精细石油化工进展,2003,4(2):23-25.

[7] 张竞.AM/AMPS共聚物的合成与降滤失性能的研究[D].南京:南京工业大学,2006.

[8] 李占国,蔡素君,潘宏涛,等.钻井液用抗盐降滤失剂MPA-99的研究与应用[J].钻井液与完井液,2003,20(3):22-24.

[9] 罗霄,蒲晓林,李之军,等.两性离子聚合物降滤失剂PADMS的制备与室内性能评价[J].油田化学,2014,31(2):178-181.

[10] 吴雪平.AM、AMPS、NVP、APEG四元共聚物降滤失剂的合成[J].油气田地面工程,2014,33(11):43-44.

Synthesis and Property of Anti-High Temperature Polymer Filtrate Reducer YL-Ⅱ

HE Chen-chen,LUO Chun-zhi*

(CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,YangtzeUniversity,Jingzhou434023,China)

Using four kinds of monomers:acrylamide(AM),2-acrylamide-2-methyl propane sulfonic acid(AMPS),acrylic acid alkyl(R-AA),andN-vinyl pyrrole alkyl ketone(NVP),we synthesized anti-high temperature polymer filtrate reducer YL-Ⅱ by the aqueous solution radical polymerization with unconventional initiator and pH value adjustment method.The optimum synthesis conditions were as follows:n(AM)∶n(R-AA)∶n(AMPS)∶n(NVP) of 5∶1∶2∶2,reaction temperature of 20 ℃,pH value of reactiom system of 10～11,reaction time of 4 h,initiator amount of 0.4% of total monomers mass,pH value adjustment by Na2CO3.YL-Ⅱpossessed good filtrate reduction property in freshwater drilling fluids,saturated brine drilling fluids,and compound brine drilling fluids,which showed better calcium resistance and salt resistance.The anti temperature of YL-Ⅱreached 220 ℃,even YL-Ⅱhad certain filtrate reduction property at 240 ℃.YL-Ⅱhad a little addition quantity in drilling fluid system,which had advantages of convenient operation and low cost.

polymer;filtrate reducer;anti-high temperature;rheology

2017-03-08

何晨晨(1990-)，女，湖北襄阳人，硕士研究生，研究方向：油田化学品，E-mail:1165573462@qq.com；通讯作者：罗春芝，副教授，E-mail:87638702@qq.com。

10.3969/j.issn.1672-5425.2017.07.009

TE254.4

A

1672-5425(2017)07-0043-04

何晨晨，罗春芝.抗高温聚合物降滤失剂YL-Ⅱ的合成与性能[J].化学与生物工程，2017，34(7)：43-46.