一种新型抗温抗盐聚合物降滤失剂的室内研究

杨 磊，侯珊珊，高 阳，舒 曼，邓亚慧

（1.中海油服油田化学事业部上海作业公司，上海 200335；2.荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州 434000）

近年来随着油气开采逐渐深入深井、超深井钻井领域，井底温度越来越高，多大于180 ℃，且井下复杂情况多发，油气开发的难度越来越大，因此对所应用的钻井液处理剂也提出了更为严苛的标准和要求。降滤失剂作为其关键处理剂，对钻井液的性能起着尤为关键的作用。目前市场上常用的降滤失剂多为天然材料及其改性产物和合成聚合物类[1-3]。近年来，为了满足各类深井超深井等地层条件的需要，研究学者对于降滤失剂抗温、抗盐能力的研究越来越多。而合成聚合物类由于具有很好的抗盐、抗高温能力和精良的降滤失效果，且单体种类繁多、价廉，正逐渐受到广泛的关注[4-8]。

本文采用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）等单体为原料，通过水溶液聚合，合成了一种新型的四元共聚物PAA-330，该共聚物含有大量的酰胺基团，显著增强了产品的吸附能力；同时引入吡咯烷酮五元环和磺化基团等刚性基团，使产品的抗温和抗盐能力得到明显提高。经实验其抗温达200 ℃，在饱和盐水浆中性能稳定，具有较好的应用前景。

1 实验部分

1.1 主要原料和仪器

主要原料：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、引发剂、NaOH、NaCl、MgCl2、CaCl2和Na2CO3，均为市售分析纯。

实验仪器：变频高速搅拌器、水浴锅、六速旋转黏度计、GRL 高温老化滚子炉、ZNS 型中压失水仪、GGS-71 型高温高压滤失仪、红外光谱仪、热重分析仪（TGA）、分析天平、合成装置及相关玻璃器皿等。

1.2 聚合物降滤失剂的合成

使用天平称取适量的丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）和蒸馏水进行搅拌混合溶解，加入少量NaOH 调节溶液的pH 值，继续加入一定量的二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC），N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）进行搅拌混合，充分溶解完全后将单体混合物加入到四口烧瓶中，安装好合成装置后通氮气除氧0.5 h，向烧瓶中滴加引发剂，然后升温至一定温度在无氧条件下反应5 h，得到凝胶状溶液，使用无水乙醇洗涤、并在80 ℃下烘干至恒重后粉碎，最终得到粉末状产品即为所需产物。

聚合物降滤失剂产物的综合性能受到单体配比、单体浓度、合成反应时间、温度及引发剂的不同等多方面影响。室内根据上述五种因素在各不同条件下合成了多个样品，并对产物进行了多方面性能评价，以API滤失量、HTHP 滤失量为考核标准，同时兼顾流变性的影响，最终优选出当AM、AMPS、DMDAAC、NVP 的单体配比为50:25:15:10 时，样品的综合性能最佳，标号为PAA-330。

1.3 钻井液样品配制

（1）淡水基浆。在350 mL 淡水中依次加入1.05 g无水碳酸钠和14 g 钠膨润土，在8 000 r/min 下搅拌20 min，并刮下泥浆杯壁内的附着物，搅拌均匀后于室温25±1 ℃静置养护24 h 备用。

（2）盐水基浆。在上述（1）的基浆中加入4%NaCl，在8 000 r/min 下搅拌20 min，并刮下泥浆杯壁内的附着物，后于室温25±1 ℃静置养护24 h。

（3）饱和盐水基浆。在上述（1）的基浆中加入36%NaCl，在8 000 r/min 下搅拌20 min，并刮下泥浆杯壁内的附着物，后于室温25±1 ℃静置养护24 h。

（4）复合盐水浆。量取350 mL 去离子水倒入高搅杯中，置于高速搅拌器上边搅拌边向其中加入14.00 g氯化钠，3.74 g 六水氯化镁，1.75 g 无水氯化钙和2.10 g碳酸钠，高速搅拌5 min 后，再向其中加入35.00 g 膨润土，继续搅拌20 min 后，于室温静置养护24 h，得复合盐水基浆。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱表征

将合成的样品使用红外光谱仪进行表征，结果（见图1）。3 641 cm-1处为羟基的伸缩振动吸收峰，2 926 cm-1为亚甲基-CH2-的不对称伸缩振动吸收峰，1 679 cm-1、1 533 cm-1是酰胺基-CONH2的特征吸收峰，1 187 cm-1、1 063 cm-1是AMPS 中磺酸基-SO 的不对称和对称伸缩吸收峰，629 cm-1是AMPS 上C-S 键的特征吸收峰，1 440 cm-1是刚性五元环的特征吸收峰。上述波峰数据表明，在合成的样品中含有各单体官能团（酰胺基、磺酸基、吡咯烷酮环）的特征吸收峰，证明合成样品即为目标产物。且这些基团有效提高了共聚物的耐温耐盐和水解稳定性。

图1 PAA-330 红外光谱图

2.2 热稳定性分析

随着温度逐渐升高，聚合物降滤失剂会发生高温降解，其分子结构发生破坏，将直接影响钻井液的流变性和降滤失效果。室内对聚合物降滤失剂样品以相同的升温速率（10 ℃/min）测定了其热稳定性，结果（见图2）。温度小于200 ℃时样品发生了少量失重，分析原因主要是样品中含有未反应完全的单体和少量的水分挥发分解引起的，失重率为4.9%；而当温度升高至304 ℃以后，样品出现明显的失重情况，显示产物的热分解温度为304 ℃，结果表明该降滤失剂具有良好的热稳定性，能够满足井下较高的井底温度。

图2 PAA-330 的热失重曲线图

2.3 对钻井液性能影响

将不同加量的样品分别加入到1.3 方法配制的淡水浆、盐水浆及饱和盐水浆中，充分搅拌均匀，150 ℃下老化16 h，测试钻井液的API 滤失量和HTHP 滤失量以及流变性，以考察聚合物降滤失剂加量对钻井液各项性能的影响（见表1）。由表1 数据可知，无论是淡水浆还是盐水浆中，加入聚合物降滤失剂的钻井液的滤失量均显著降低。随着样品加量逐渐增加，钻井液滤失量逐渐下降，当加量为2%时，各基浆API 滤失量均降至4.5 mL 以下，失水量降低率达87%以上，且老化后的HTHP 失水量降低率高达80%以上。这表明PAA-330 具有优异的降滤失性能，抗盐能力强，且低加量下就具有很好的效果。

2.4 抗温能力评价

按1.3 中复合盐水浆制备法配制4 杯复合盐水基浆，每杯中都加入2%（质量体积分数）的PAA-330，经8 000 r/min 搅拌20 min 后，再在120～200 ℃下老化16 h后测试钻井液的流变性、常温中压和高温高压滤失量（API 和HTHP 滤失量），结果（见表2）。由表中数据可知：随着温度的升高，复合盐水浆的API 滤失量和HTHP 滤失量均逐渐缓慢上升，但当老化温度为200 ℃时，API滤失量仅为2 mL，高温高压滤失量为15.8 mL，仍保持优良的降滤失效果，同时钻井液的黏切等流变性变化较小。这说明PAA-330 分子链中含有较多的亲水基团，能够在黏土颗粒表面形成多面吸附，阻止了钻井液滤液侵入地层。同时引入了磺化基团和吡咯烷酮环等刚性基团，使降滤失剂的抗温能力得到显著提升，助力了其在200 ℃下仍能发挥较好的降滤失效果。

2.5 盐析实验

在不同浓度的氯化钠和氯化钙水溶液中，分别加入1%加量的样品，观察盐溶液是否出现浑浊情况，实验结果（见表3），PAA-330 在饱和NaCl 水溶液和5%CaCl2水溶液中均未析出，说明产品具有良好的抗盐、抗钙性能。

表1 PAA-330 在钻井液中的性能评价

表2 不同温度下PAA-330 在钻井液中的降滤失性能

表3 PAA-330 的盐析实验

3 结论

（1）通过分子结构设计，以AM、AMPS、DMDAAC、NVP 单体为原料，按照一定浓度、配比，通过水溶液聚合制备了新型四元共聚物PAA-330，通过红外表征，产物含有所需的抗温、抗盐基团，满足设计要求。

（2）该降滤失剂吸附能力强，在淡水浆、盐水浆和饱和盐水浆中性能稳定，失水量降低率高达87%以上，降滤失效果明显。且在饱和NaCl 水溶液和5%CaCl2水溶液均未出现盐析现象，抗盐抗钙能力强。

（3）该降滤失剂起始分解温度为304 ℃，热稳定性良好，能够满足井下较高的井底温度。其抗温高达200 ℃，在复合盐水浆中经200 ℃老化后，滤失量在15.8 mL，且对钻井液流变性无明显影响，表明其耐温性优异，与钻井液配伍性良好，具有较好的应用前景。