钻井液用抗温抗盐聚合物降滤失剂的研发与应用

田茂明(中石化华北石油工程有限公司河南钻井分公司，河南 南阳473132)

1 抗温抗盐聚合物降滤失剂的合成及性能评价

1.1 抗温抗盐梳型聚合物降滤失剂的合成

①称取12.9gAMPS 于小烧杯中，加入约20.00g 蒸馏水溶解；

②再称取2.20-2.30g 氢氧化钠于另一个小烧杯中，加入约5g 蒸馏水溶解；

③用氢氧化钠调节AMPS 溶液pH 值到5-6 时，将剩余氢氧化钠溶液中再加入5g 蒸馏水，稀释为氢氧化钠稀溶液，继续调节AMPS 溶液pH 值到7 左右；

④再加入约0.01g 氧化钙粉末，使AMPS 溶液pH 值为7-9；

⑤将调整好的AMPS 溶液称重，补加水量达到要求单体浓度；将调整好的AMPS 溶液在38℃水浴升温，边搅拌边加入13.36gAM，溶解后，再加入1.54g 改性土，搅拌使其分散均匀；

⑥待温度达到38℃后，边搅拌边滴加引发剂（先滴加5d 亚硫酸氢钠溶液，再滴加10d过硫酸铵溶液）；

⑦滴加完引发剂后很快温度即明显上升，继续用玻璃棒搅拌10min 后，密封在水浴中继续静置50min 后，在90℃干燥，粉碎样品取名WL-1。

1.2 抗温抗盐聚合物降滤失剂结构表征与性能测试

1.2.1 红外光谱分析

将提纯后的样品WL2016，用KBr 压片，低温干燥后，进行红外光谱分析，3423cm-1处为仲酰胺特征吸收峰，2933cm-1处为-CH2-的伸缩振动吸收峰；1186cm-1、1116cm-1、1042cm-1为磺酸基团的特征吸收峰；628cm-1是C-S 的伸缩振动吸收峰；4.1654cm-1处是C=O的特征吸收峰。羧基和磺酸基具有较强的水化能力，酰胺基对黏土具有较强的吸附能力，磺酸基抗钙抗温性能十分优异，聚合物本身的C-C 结构热稳定性好，所合成的聚合物具有较好的抗温、抗盐、降滤失效果。

1.2.2 热稳定性分析

采用NETZSCH TG 209 F1 型热重分析仪，测试聚合物降滤失剂在氮气气氛中的热稳定性能，升温速率10 K/min，气体流速50 mL/min，温度范围25 ℃至800 ℃。热重分析结果如图1所示。

图1 WL-1热重分析测试情况图

随着温度的上升，WL-1 聚合物降滤失剂的质量出现缓慢损失，当温度超过250 ℃后重量开始迅速损失，但是在0-200 ℃范围内聚合物降滤失剂的质量损失比较缓慢，温度到达200 ℃左右时的重量损失率仅为5.25%，说明合成的聚合物降滤失剂能够耐受200 ℃高温。

1.2.3 特征粘度测定

采用乌氏粘度计法测的聚合物稀溶液的粘度，依据半经验的MarK-Houwink 方程，通过聚合物的特性粘度与降粘效果的关系，来反应分子量的大小对聚合物降粘性能的影响。半经验的MarK-Houwink 方程如下：[η]=KMα。

经测定WL-1 的粘均分子量分别约为M=74.45 万。对WL-1 测试，1%水溶液表观粘度低仅有14mPa·s，属于非增粘型降失水剂。当降滤失剂分子量太小时，不能形成多点吸附，不能形成稳定的溶剂化层；当降滤失剂分子量太大时，会导致钻井液粘度增加。样品WL-1的分子量属于中分子量的。而且这个样品的分子结构中含有较大的亲水基团，故能很容易地溶于水中，起到较好的降滤失作用。

1.3 聚合物降滤失剂抗盐、抗钙性能评价

用蒸馏水配制浓度为200000mg/l 的NaCl 和20000mg/L的CaCl2溶液，分别各取取3 份，每份100mL，分别加入降滤失剂产品各5mL，即体积浓度为5%。待降滤失剂溶解后隔一段时间用肉眼观察是否有沉淀析出，24h 后再用Thermo Orion AQ2010 浊度计，按照《ISO7027 浊度测量标准方法》测定降滤失剂氯化钙溶液、氯化钠溶液及空白对照组的浊44度，测定结果如表5-4 所示。

表1 WL-1 降滤失剂抗盐、抗钙性能

备注：“无沉淀”表示溶液澄清透明，肉眼观察不到水中和瓶底有任何的沉物产生，且与空白样NaCl 、CaCl2溶液对比也观察不到明显沉淀。

由表1可知NaCl、CaCl2 水溶液的浊度值很低。而合成降滤失剂在NaCl、CaCl2溶液的浊度值相对比较高。当降滤失剂溶解到NaCl 、CaCl2 水溶液中后，聚合物分子链完全分散在水中，导致整个溶液的浓度和粘度增加，浊度值变大，为十几个NTU 左右，但是肉眼几乎观察不到沉淀存在。因此，可以初步判断合成的降滤失剂WL2016 的抗钙性基本可以达到在20000mg/L 的CaCl2 溶液中不会发生反应而产生沉淀，抗盐在200000mg/L 的NaCl溶液中不会发生反应而产生沉淀。

1.4 抗复合盐水性能测试

配置基浆，复合盐水基浆：400ml 蒸馏水+4.57%NaCl+0.74%CaCl2+1.97%MgCl2+52.5 g钻井液试验用钙膨润土和3.15 g无水碳酸钠，在（24±3）℃下密闭养护24 h作为基浆，其滤失量应在80 mL-110 mL范围内。

表2 WL-1 降滤失剂抗复合盐水性能测试

该处理剂在加量0.7%的情况可以将中压滤失量从基浆80ml降低8.8，降低率达89%，180℃高温热滚后，在1.5%加量下降低到7.2ml，降低率达91%，该产品在复合盐中具有较好的降失效果。

2 现场应用效果

针对该处理剂抗温抗盐抗钙特点，优选河南油田含石膏层、芒硝层、碱层等复杂地层的泌阳区块泌432、泌431、泌73-4井进行现场应用试验，在钻穿污染地层，钻井液滤失量增加，加入大量常规降滤失剂效果较差，加入WL-1进行实验。

表3 WL-1 降滤失剂现场应用情况

通过WL-1在三口井的聚合物防塌钻井液、抗温抗盐钻井液、聚磺防塌钻井液体系中的使用可以看出，WL-1对三种体系都有着很好配伍性，加入0.3-0.5%后滤失量都得到有效降低，能够有效应对多种盐污染下降滤失剂。

3 结语

（1）确定了WL-1 合成的工艺技术。单体比AM:AMPS:改性土=3.8:2.8:1，单体浓度为25%，反应温度为38℃，引发剂加量约0.5%时，得到的样品达到项目要求。

（2）该产品抗温达到200℃；抗盐（以NaCl 计）达到20%，抗钙（以CaCl2 计）达到2%；在复合盐水泥浆中加7g/L 的降滤失剂，常温API滤失量9.0ml；在复合盐水泥浆中加15g/L的降滤失剂，热滚150℃/16h,API滤失量7.5ml。

（3）从现场3口井使用情况来看，在高温高浓度离子污染下添加研制的0.3-0.5%降滤失剂WL-1 后滤失量都在5ml 以内，达到了规定的性能指标，满足现场钻井施工要求。