抗高温钻井液聚合物降粘剂研究

第 4 3卷第 8期 2 0 1 4年8月 应用化工 Ap p l i e d C h e mi c a l I n d u s t r y Vo 1 43 No 8 Au g 2 0 1 4 抗 高温钻 井液聚合物降粘剂研究 张太亮 许诗雪 黄志宇 西南石油大学 化学化工学院 四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要 通过水溶液聚合 制得了降粘剂丙烯酰胺 2 一 丙烯酰胺基 2 一 甲基丙磺酸 衣康酸共聚物 A A I 研究了单体 配比 反应时间 反应温度 p H等的影响 结果表明 合成降粘剂的优化方案为 A M A MP S I A为 1 2 2 反应时间 4 h 反应温度 8 0 o C p H为 6 单体浓度为2 0 引发剂加量为单体总质量的0 3 在淡水钻井液中加入 0 3 共 聚物 降粘率可达 9 4 4 且在 2 2 0 o C老化 1 6 h后 降粘率仍达 5 3 4 在加入 F A 3 6 7的聚合物钻井液中加入 0 3 共聚物 降粘率可达9 0 4 在 2 2 0 老化 1 6 h后 降粘率仍达5 0 同时具有较好的抗盐性 关键词 抗高温 钻井液处理剂 聚合物降粘剂 表征 中图分类号 T Q 3 1 7 4 T E 2 5 4 4 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 1 3 2 0 6 2 0 1 4 0 8 1 4 7 3 0 4 Re s e a r c h o n d r i l l i ng flu i d p o l y me r v i s c o s i t y r e d u c e r wi t h h i g h t e mpe r a t u r e r e s i s t a n c e ZHANG T a i l i a n g XU S h i x u e HU ANG Zh i y u C h e m i s t r y a n d C h e m i c a l E n g i n e e r i n g S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 C h i n a A b s t r a c t A c o p o l y m e r A AI o f a c r y l a mi d e 2 a e r y l a mi d o 一 2 一 m e t h y l p r o p a n e s u l f o n i c a c i d a n d i t a c o n i c a c i d i s p r e p a r e d i n a q u e o u s s o l u t i o n T h e e f f e c t o f mo n o me r r a t i o a s p e c t o f r e a c t i o n t i me t e mp e r a t u r e p H e t c o n p o l y me r v i s c o s i t y r e d u c e r wa s i n v e s t i g a t e d R e s u l t s h o ws t h a t t h e s y n t h e s i s thi n n e r o p t i mi z a t i o n p r o g r a m a r e a s f o l l o w s AM AMP S I A i s 1 2 2 r e a c t i o n t i me 4 h t h e r e a c t i o n t e mp e r a t u r e i s 8 0 p H 6 the mo n o me r c o n c e n t r a t i o n o f 2 0 p l u s t h e a mo u n t o f i ni t i a t o r t h e t o t a l ma s s o f the mo n o me r o f 0 3 Ad d i n g 0 3 c o p o l y me r v i s c o s i t y i n t o f r e s h w a t e r b a s e mu d t h e r a t e o f r e d u c t i o n i s 9 4 4 a n d a f t e r a g i n g 1 6 h a t 2 2 0 t h e r e d u c t i o n r a t e s t i l l r e a c h e d 5 3 4 A d d i n g 0 3 c o p o l y me r v i s c o s i t y i n t o F A3 6 7 p o l y me r d r i l l i n g flui d t h e r e d u c t i o n r a t e i s 9 0 4 a nd a f t e r a g i ng 1 6 h a t 2 2 0 o C the r e d u c t i o n r a t e i s s t i l l 5 0 a l s o h a s g o o d s a l t r e s i s t a n c e Ke y wo r d s h i g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n c e d r i l l i n g fl u i d a d d i t i v e p o l y me r v i s c o s i t y r e d u c e r c h a r a c t e r i z a t i o n 随着深层油气勘探开发强度的日益加大 钻遇 复杂地层越来越多 井下压力和井底温度也越来越 高 对钻井完井技术提出了更高的要求 对于深井 所使用的高固相含量钻井液 要求能够解决钻井液 流变性 抑制性 抗温性 等之 间的矛盾 十分 困难 尤 其是深井钻井液的热稳定性 问题一直是 国内外研究 的关键 钻井液处理剂是调节钻井液性能 保证钻 井液在钻井作业中稳定作用的关键 这促使新型钻 井液处理剂的不断开发 降粘剂是深井钻井作业中重要的处理剂之一 钻井液在复杂地层和高温高压的共同作用下 发生 粘度增加 流变性变差等状况 降粘剂可起到降低钻 井液粘度 调节钻井液流变性等作用 对于维护钻井 液性能 保护油气层不受伤害起着重要作用 4 所 以 研制不污染环境 不损害地层 健康安全 能够适 应深井作业需求的无毒无污染的钻井液降粘剂是现 今研究 的发展趋势 本文以带有磺酸基 酰胺基 团的聚合单体制备 出一种抗高温钻井液降粘剂 并对其在钻井液中的 降粘性能进行了室内评价 引 1 实验部分 1 1 试剂与仪器 2 一 丙烯酰胺基一 2 甲基丙磺酸 A M P S 丙烯酰 胺 A M 衣 康 酸 I A N a O H N a C I N a H S O 收稿 日期 2 0 1 4 0 2 1 3 修改稿 日期 2 0 1 4 0 3 03 作者简介 张太亮 1 9 7 1一 男 重庆人 西南石油大学教授 博 士 主要从事油气 田化学研究 与教学工作 电话 1 3 6 8 9 0 0 8 3 6 2 E ma i l x s x 0 6 2 4 1 6 3 c o m 应用化工 第4 3卷 N a C O N H S 0 等均为分析纯 F A 3 6 7 膨润土 均为工业级 G J D B 1 2 K单轴 变频高速搅拌机 H H 2 1 一 N i 电热恒温水浴锅 2 1 2恒速搅拌器 1 2聚合物降粘剂的制备 在装有冷凝管 温度计 搅拌器 的 2 5 0 m L三 口 烧瓶中 按一定 比例加入 A M A MP S I A 3种单体 再加人 一定量 的水 搅拌 使其 充分 溶解 用 3 0 N a O H溶液调节体系 p H值为 6 0 加入 3 0 引发 剂 过硫酸铵 亚硫酸氢钠为 1 1 搅拌下水浴加热 至 6 0 反应 4 h 得到黏稠液体共聚物 经剪切 提 纯 烘干 粉碎 即得聚合物降粘剂 1 3 基浆配制 1 3 1 淡水基浆在 4 0 0 mL水 中加入 1 6 g 膨润 土和 0 6 4 g无水碳 酸钠 高速搅拌 2 0 rai n 于室温 下放置养护 2 4 h 1 3 2 聚合物基浆在 4 0 0 mL水 中加入 1 6 g膨 润土和 0 6 4 g无水碳 酸钠 高速搅拌 2 0 rai n 于室 温下放置养护 2 4 h 加入 1 2 g F A 3 6 7 高速搅拌 2 0 ra i n 于室温下放置养护 2 4 h 1 3 3 盐水基浆将淡水基浆密闭养护 2 4 h 加人 4 0 氯化钠 高速搅拌2 0 m i n 密闭养护2 4 h 1 3 4 饱和盐水基浆将淡水基浆密闭养护 2 4 h 加入 3 0 氯化钠 高速搅拌2 0 m i n 密闭养护2 4 h 1 4 降粘性能评价 按 S Y T 5 2 4 3 l 水基钻井液用降粘剂评价 程序 对合成的目 标共聚物进行评价 在钻井液中 加入一定量的聚合物降粘剂 高速搅拌后 用六速旋 转粘度计在常温下测定钻井液 的表观粘度 与空 白 样对 比 将加入了降粘剂的钻井液放入老化养护罐 中 在滚子加热炉中高温翻滚 1 6 h 测定钻井液表观 粘度 与高温翻滚 的空 白样进行对 比 同时用 D I 值 即降粘率 评价降粘剂降粘效果的指标 一 墨 2 结果与讨论 2 1 A M A MP s 聚合物红外光谱分析 由图 l可 知 3 4 5 1 c m 为 伯 酰 胺 基 一 C O N H 伸缩振动吸收峰 3 2 0 7 c m 为仲酰胺基 一c O N H 一 伸缩振动吸收峰 这 2个峰较宽是由 于存在一定的缔合现象 1 7 2 2 1 6 6 0 c m 处的2个 峰为聚合物 中 I A的 2个羧基 由于振动耦合而分成 的2个特征峰 1 1 8 9 c m 和 l 0 3 7 c m 处峰为磺酸 基团 一s 0 伸缩振动吸收峰 波t c m 图 1 A M A MP S I A聚合物红外光谱图 F i g 1 I R s p e c t r u m o f AM AMP S I A c o p o l y me r 2 2 A M AMP S 聚合物核磁共振 A M A M P S I A聚合物核磁共振氢谱见图2 图2 A M A M P S I A聚合物核磁共振氢谱图 F i g 2 H NMR s p e c t r u m o f AM AMP S I A c o p o l y me r 谱图分析见表 1 其中4 7 1为溶剂峰 D 0 重 水 S 表示单重峰 d 表示双重峰 t 表示三重峰 1T I 表示多重峰 表 1 A A I的核磁 共振 分析 T a b l e 1 Th e H NM R s p e c t r u m o f AAI 据核磁共振分析 1 可以确定合成产物为A M A M P S I A聚合物 2 3 A M AMP s 聚合物降粘剂合成工艺研究 2 3 1 单体配比对合成聚合物降粘率影响 引发 剂加量为单体总质量的0 3 反应温度6 O q C 反 应时间4 h 单体浓度 2 0 调节 p H值 6 0 考察 A M A M P S I A的配比对降粘率的影响 结果见表2 第 8期 张太亮等 抗高温钻井液聚合物降粘剂研究 表 2 单体 配比对聚合物降粘率 的影 响 Ta b l e 2 Efie c t o f t h e mo l a r r a ti o o f m o n o m e r o n v i s c o s i t y r e duc tion r a t e 由表 2可知 该聚合物降粘剂的最佳配比为 1 2 2 2 3 2 引发剂加量对合成聚合物降粘率的影响 单体配 比A M A M P S I A为 1 2 2 反应温度 6 0 反应时间 4 h 单体浓度 2 0 调节 p H值 6 0 引发 谆 释 引发 剂加 量 图3 引发剂加量对降粘率和转化率的影响 F i g 3 E ff e c t o f i n i t i a t o r a mo u n t o n DI a n d c o n v e r s i o n r a t e 由图 3可知 在引发剂加量不断增加时 在聚合 物泥浆中 降粘率没有发生很大的变化 但随着引发 剂加量的增 加 合成 的产物转化率 也随之增 加 在 0 3 后趋于平缓 可能是 由于引发剂加量 的增多 导致自由基增多 单体转化率增加 聚合物增多 水 相中单体浓度下降 转化率增幅逐渐降低 所以 选 择引发剂加量为单体 的0 3 2 3 3 反应温度对合成聚合物降粘率的影响 单 体配比 A M A MP S I A为 1 2 2 反应 时间 4 h 单体 浓度 2 0 调节 p H值 6 0 引发剂加量 0 3 反应 温度对降粘率的影响 见图4 由图4可知 当反应温度较低时 合成的速率 慢 且反应的程度较低 在 4 0 反应生成的降粘剂 降粘率只有 7 2 左右 随着温度的升高 降粘效果 逐渐变好 8 O 时降粘效果最好 反应温度达到 9 O 后 合成产品降粘率下 降 可能是 由于反应 温 度使单体反应速率加快 合成的聚合物粘度增大 分 子量升高 反而不能达到很好 的降粘效果 所以 选 择反应温度为 8 O 反应 温 度 图4 反应温度对降粘率的影响 F i g 4 E ff e c t o f t e mp e r a t u r e o n DI 2 3 4 反应时间对合成聚合物降粘率的影响 单 体配比A M A M P S I A为 l 2 2 单体浓度 2 0 调 节 p H值 6 0 引发剂加量 0 3 反应温度 8 0 反 应时间对降粘率的影响 见 图 5 反应 时I 闭 l l 图5 反应时间对降粘率的影响 F i g 5 E ff e c t o f r e a c t i o n t i me o n D I 由图 5可知 降粘率随着反应时间的增加而增 加 当反应时间达到 4 h时 降粘率最大 再增加反 应时间 降粘率有所下降 可能是反应时间长 导致 单体交联程度增加 故确定合成反应时间为 4 h 2 3 5 单体浓度 对合 成聚合物 降粘率的影响 单 体配比A M A M P S I A为 1 2 2 调节 p H值 6 0 引 发剂加量 0 3 反应温度 8 O c 单体总浓度对降 粘率的影响 见 图 6 单体浓度 图6 单体浓度对降粘率的影响 F i g 6 E ff e c t o f mo n o me r c o n c e n t r a t i o n o n D I 洳 o 应用化工 第4 3卷 由图 6可知 降粘率随着单体浓度 的增加而增 加 在单体浓度达到 2 0 时 降粘效 果最好 再增 加浓度降粘率反而降低 可能是 由于单体反应浓度 过大 导致合成的聚合物交联增加 故而选择 2 0 作为单体反应浓度 2 3 6 p H值对产品降粘率的影响 单体配 比 A M A M P S I A为 1 2 2 p H值 6 0 引发剂加量 0 3 反应温度 8 0 c C 单体总浓 度 2 0 p H值对降粘率 的影响 见图7 p H值 图7 p H值对降粘率的影响 F i g 7 E ff e c t o f p H O 13 D I 由图7可知 在 p H值为 6时 降粘率最大 反 应为酸性条件时 合成产品降粘率较好 反应为碱性 时 降粘率大幅下降 所以选择反应 p H值为6 综上所述 合成降粘剂 A A I 最佳合成反应条件 为 丙烯酰胺 2 丙烯酰胺基一 2 甲基丙磺酸和衣康酸 的摩尔 比为 1 2 2 引发剂亚硫酸氢钠 过硫酸铵 的 比例为 1 1 加量为 0 3 共聚反应温度 8 0 q C 反 应时单体浓度为 2 0 反应时间4 h p H值为 6 2 4降粘剂 AA l 性能评价 2 4 1 高温降粘性能 用最佳条件合成 的聚合物 加入淡水基浆和聚合物钻井液中 在室温及 2 2 0 c I 高温环境下热滚后 降粘率随聚合物加量的变化 见 图 8 加量 图8 A A I 加量对淡水钻井液和聚合物钻井液 降粘率的影响 F i g 8 E ff e c t o f AAI d o s a g e o n DI o f f r e s h wa t e r d r i l l i n g fl u i d a n d p o l y me r d r i l l i n g fl u i d 由图 8可知 常温 下 在淡水基浆 中 A A I 加量 超过 0 3 时 降粘效果较好 降粘率可超 9 0 2 2 0 c lC高温老化 1 6 h后 降粘率仍可达 5 0 在聚 合物钻井液中A A I 加量为 0 3 时 常温下降粘效 果 良好 有 9 0 的降粘率 在 2 2 0 c I 高温老化 1 6 h 后 仍然具有较好的降粘作用 降粘率可达 5 0 可满足高温深井对钻井液降粘的要求 2 4 2 抗 盐性能 将合成 的聚合物加入 4 盐水 基浆和饱和盐水基浆 中 产 品对泥浆的性能改变见 表 3 表 3 A A I 抗盐性能评价 T a b l e 3 AAI a n t i s a l t p e r f o r ma n c e e v a l u a t i o n 由表 3可知 合成 的聚合物降粘剂 A A I 在 4 盐水基浆和饱和盐水基浆中都能保持较好的钻井液 流变性 同时也有一定的降滤失作用 3 结论 1 经红外光谱和核磁共振分析确定 所合成 的聚合物为丙烯酰胺 2 一 丙烯酰胺基一 2 甲基丙磺酸 衣康酸共聚物 2 制备钻井液降粘剂丙烯酰胺 2 一 丙烯酰胺 基一 2 一 甲基丙磺酸 衣康酸共聚物 A A I 的反应条件 是 丙烯酰胺 2 一 丙烯酰胺基 2 甲基丙磺酸和衣康酸 的摩尔比为 1 2 2 引发剂亚硫 酸氢钠 过硫酸铵 的 比例为 1 1且 加量 选择 为 0 3 共 聚反应 温度 8 0 反应时单体浓度为2 0 反应时间4 h 调节 p H值为 6 3 作为一种水基钻井液降粘剂 在淡水钻井 液和聚合物钻井液中均可抗 2 2 0 oC的高温 能满足 高温钻井液处理剂的需要 同时具有较好的抗盐性 和降滤失作用 下转第1 4 8 8 页 加 O 薅 鳃避 1 4 8 8 应用化工 第4 3卷 虽然通过掺杂和负载可以在一定程度上拓展光催化 剂的光响应范围 提高催化效率 但是实际应用时催 化效果不是很理想 所以对于提高光催化剂性能的 研究 将其更好的应用于生活 的每一方面 都是未来 要进一步研究的内容 参考文献 1 范崇政 肖建平 丁延伟 纳米 T i O 的制备与光催化反 应研究进展 J 科学通报 2 0 0 1 4 6 4 2 6 5 2 7 3 2 B i c k l e y I B G o n z al e z e a r r e n o T L e e J S e t a 1 A s t r u c t u r a l i n v e s t i g a t i o n o f t i t a n i u m d i o x i d e p h o t o c a t a l y s t s J J o u rna l o f S o l i d S t a t e C h e mi s t 1 9 9 1 9 2 1 7 8 1 9 0 3 王增奎 张国喜 化学剥离制备氧化石墨烯及表征 J 制造技术研究 2 0 1 2 1 0 5 2 8 3 0 4 王西鸾 白华 石高全 p H调节一步法按尺寸分离氧 化石墨烯片层 D 北京 清华大学化学系 2 0 1 1 5 陈丰 李霞章 陆晓旺 等 凹凸棒石 C e O 复合纳米材 料的合成 表征及催化性能 J 硅酸盐学报 2 0 0 9 3 7 1 5 2 5 6 6 彭书传 谢晶晶 庆承松 等 负载 T i O 凹凸棒石光催 化氧化法处理酸性品红染料废水 J 硅酸盐学报 2 0 0 6 3 4 1 0 1 2 0 8 1 2 1 2 上接第 1 4 7 6页 参考文献 1 鄢捷年 钻井液工艺学 M 山东 石油大学出版社 20 01 5 7 73 2 向海东 钻井液用抗高温降粘剂的研究动态与进展 J 中国石油和化工标准与质量 2 0 1 1 6 1 3 9 3 张高波 王善举 史沛谦 我国钻井液用降粘剂的研究 应用现状 J 油田化学 2 0 0 0 1 7 1 7 8 8 1 4 孙德军 张春光 侯万国 等 聚合物钻井液降粘机理的 实验研究 J 钻井液与完井液 1 9 9 1 8 2 1 4 1 9 5 黄进军 蒲晓林 李建波 等 抗 2 2 0 高温的水基钻井 液用降粘剂研究 J 油田化学 2 0 0 3 2 0 3 1 9 7 1 9 9 6 袁志平 陈林 景岷嘉 抗温抗盐型钻井液降粘剂J N J 1 的研究 J 天然气勘探与开发 2 0 1 1 1 5 6 5 9 7 李向碧 朱清泉 聚合物泥浆降粘剂 P T 1降粘作用研 究 J 油田化学 1 9 9 4 I 1 2 9 7 1 0 0 8 张家栋 王秀艳 姚烈 等 聚合酸降粘剂的研究与应用 J 钻井液与完井液 2 0 0 6 2 3 1 5 1 0 9 中华人 民共和国能源部 S Y T 5 2 4 3 9 1水基钻井液 用降粘剂评价程序 s 北京 石油工业出版社 2 0 0 7 1 9 3 1 9 6 1 O 中国石油天然气总公司 s Y T 5 6 9 5 9 5钻井液用两 性离子聚合物降粘剂 X Y 2 7 s 北京 石油工业 出版 社 1 9 9 5 1 1 王玉枝 陈贻文 杨桂法 等 有机分析 M 长沙 湖南 大学出版社 2 0 0 9 2 7 3 0 3 上接第 1 4 8 5页 4 2 郭瑞光 王晓昌 耿志良 等 环境友好型铝合金表面转 化膜的制备及其耐蚀性 能 J 材料保护 2 0 0 8 4 1 1 2 1 4