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        MA/SAS/AMPS共聚物耐高溫鉆井液降粘劑的研制*

        2014-06-09 07:13:10趙曉非陳娟娟史卜建高宇尚
        化工科技 2014年2期
        關(guān)鍵詞:粘劑基漿共聚物

        趙曉非,陳娟娟,婁 剛,史卜建,高宇尚

        (1.東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 石油與天然氣化工省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 大慶 163318;2.中國石化 青島煉油化工有限責(zé)任公司,山東 青島 266000;3中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司 鉆井液公司,遼寧 盤錦 124000)

        隨著深部油氣層開發(fā)鉆探量的增加,溫度超過200 ℃的深井、超深井越來越多,給高溫鉆井液技術(shù)帶來極大的挑戰(zhàn)[1-3]。高溫導(dǎo)致鉆井液穩(wěn)定性嚴(yán)重下降,流變性變壞,為了使鉆井液一直保持最佳性能,必須使用添加劑。降低水基鉆井液高溫下粘度的關(guān)鍵是抗高溫降粘劑,它對調(diào)節(jié)鉆井液高溫流變性起決定作用,而共聚物降粘劑是一種非常重要的類型,它的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)并調(diào)節(jié),通過單體的選擇、合成工藝的優(yōu)選,可以制備滿足抗溫、環(huán)境安全的降粘劑。近年來,隨著AMPS的良好性能逐步為人們所知,激發(fā)了研究人員的興趣,在油田用水溶性2-丙烯酰氨基-甲基丙磺酸(AMPS)共聚物的研究與應(yīng)用方面開展了大量工作[4-6]。作者以AMPS、馬來酸酐和丙烯磺酸鈉為原料,研制出了一種抗240 ℃高溫的鉆井液降粘劑。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要藥品與儀器

        馬來酸酐(MA)、丙烯磺酸鈉(SAS)、AMPS、過硫酸銨、無水碳酸鈉:均為分析純,市售。

        Tensor27型紅外光譜儀:FT-IR,Bruker公司;恒溫水?。篐H-S,鄭州長城科工貿(mào)有限公司;ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)粘度儀:青島兄弟石油機(jī)械廠;ZK-824型電熱真空干燥箱:常州市昊江電熱器材制造有限公司;Roller Oven 702-40型滾子加熱爐:美國德克薩斯州Baroid公司。

        1.2 合成原理

        反應(yīng)式如下。

        1.3 MA/SAS/AMPS的合成

        將一定量的MA、AMPS和SAS加入四口燒瓶中,加入適量的溶劑蒸餾水,在室溫條件下攪拌至混合物呈透明狀。在N2保護(hù)下將反應(yīng)混合物升溫至85 ℃,用恒壓漏斗滴加引發(fā)劑過硫酸銨,在恒溫水浴條件下保持?jǐn)嚢璺磻?yīng)4 h。

        反應(yīng)結(jié)束后,把產(chǎn)品放入80 ℃的真空干燥箱內(nèi)干燥,降溫后粉碎過0.3 mm實(shí)驗(yàn)篩,得到淡黃色粉末,即MA/SAS/AMPS共聚物降粘劑。

        1.4 水基鉆井液的配制及性能測試

        淡水基漿:在1 L水中加入5 g碳酸鈉和100 g膨潤土,高速攪拌2 h,室溫下放置養(yǎng)護(hù)24 h。

        依據(jù)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5243—91《水基鉆井液用降粘劑評價程序》對降粘劑進(jìn)行評價。向基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的降粘劑,高速攪拌10 min,在常溫下用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定基漿粘度,然后把加入共聚物的鉆井液放入養(yǎng)護(hù)罐中密封,在滾子加熱爐中高溫翻滾老化16 h后,測定其粘度,與相應(yīng)的空白樣粘度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。降粘率的計(jì)算方法:

        式中:(φ100)0—不加降粘劑時基漿六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)100 r/min下的讀數(shù);(φ100)1—基漿加入降粘劑后六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)100 r/min下的讀數(shù)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 紅外光譜表征

        MA/SAS/AMPS三元共聚物紅外光譜圖見圖1。

        σ/cm-1

        由圖1可見,在3 439、1 570 cm-1處為—CONH—的特征吸收峰,峰較寬是由于存在一定的締合現(xiàn)象,2 929 cm-1處為—CH2的伸縮振動吸收峰,1 680 cm-1處為酸酐的吸收峰,1 192和1 045 cm-1處為—SO3伸縮振動吸收峰。由此證實(shí)丙烯磺酸鈉、馬來酸酐、AMPS三者實(shí)現(xiàn)了共聚。

        2.2 合成條件對產(chǎn)物降粘率性能的影響

        經(jīng)過大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn),初步確定共聚反應(yīng)的最佳反應(yīng)溫度為85 ℃、反應(yīng)時間4 h。

        2.2.1 單體配比對降粘效果的影響

        良好的降粘劑不僅需要適當(dāng)?shù)南鄬Ψ肿淤|(zhì)量,還需要一定比例的水化基團(tuán)和吸附基團(tuán)。從結(jié)構(gòu)上看,實(shí)驗(yàn)中3種單體為聚合物提供了羧酸基、磺酸基等水化基團(tuán),且AMPS含有強(qiáng)吸附基團(tuán)酰胺基。原料配比對聚合物降粘效果的影響見表1。從表1 可以看出,MA、AMPS和SAS的競聚率都很小,易發(fā)生聚合反應(yīng);單體配比的改變直接影響水化基團(tuán)和吸附基團(tuán)的含量,適當(dāng)?shù)囊胛交鶊F(tuán)有利于提高聚合物的降粘效果,改善其抗溫能力。根據(jù)表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定最佳單體物質(zhì)的量比為n(MA)∶n(SAS)∶n(AMPS)=5∶4∶4。

        表1 原料配比對聚合物降粘效果的影響

        2.2.2 w(引發(fā)劑)對產(chǎn)物性能和特性粘度的影響

        在單體配比和反應(yīng)條件相同條件下,引發(fā)劑用量對產(chǎn)物降粘效果和特性粘度的影響見圖2。由圖2可知,引發(fā)劑w(過硫酸銨)從1%增加到5%,特性粘度逐漸降低,降粘率先增大后減小。

        w(引發(fā)劑)/%

        w(引發(fā)劑)影響著自由基反應(yīng)的進(jìn)行和分子鏈的結(jié)構(gòu),決定著分子量的大小。當(dāng)w(引發(fā)劑)較小時,聚合不完全,殘余單體多,自由基較少,所合成的共聚物相對分子質(zhì)量較大,降粘劑分子會自身成團(tuán)或與粘土顆粒形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu),束縛住鉆井液中的自由水,降粘效果不明顯;當(dāng)w(引發(fā)劑)過大時,生成自由基過多,前期聚合速率過快,鏈終止速度也隨之加快,導(dǎo)致共聚物分子量過小,則它不足以拆散粘土顆粒形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)釋放出自由水,降粘效果較差。同時w(引發(fā)劑)過大也會提高聚合成本,故確定引發(fā)劑最佳用量w(過硫酸銨)=3%。

        2.2.3 w(單體)對產(chǎn)物性能的影響

        在單體配比和反應(yīng)條件相同條件下,w(單體)對聚合物降粘率的影響見圖3。從圖3可以看出,聚合物的降粘率隨w(單體)的增加而增加,在w(單體)達(dá)到45%后,降粘率隨w(單體)的增加而減小。

        w(單體)/%

        w(單體)影響聚合反應(yīng)速率、共聚物分子量、共聚物的組成。當(dāng)w(單體)較低時,聚合速率較低,可能的副反應(yīng)增加,這導(dǎo)致鏈增長反應(yīng)減少,小分子產(chǎn)物比較多,降粘效果差。w(單體)過高易發(fā)生暴聚反應(yīng),且反應(yīng)不易控制,生成的共聚物分子結(jié)構(gòu)不容易舒展開來,而共聚物降粘劑需要分子呈伸展?fàn)顟B(tài),活性基團(tuán)排列在分子側(cè)面且暴露在外。因此w(單體)=45%時產(chǎn)率較高,降粘效果好。

        綜上所述,當(dāng)引發(fā)劑w(過硫酸銨)=3%,反應(yīng)溫度為85 ℃,反應(yīng)時間為4 h,單體配比n(MA)∶n(SAS)∶n(AMPS)=5∶4∶4,w(單體)=45%時,產(chǎn)物性能最佳。

        3 性能評價

        評價了聚合物MA/SAS/AMPS對淡水基漿的高溫降粘性能,并與有機(jī)硅類型抗高溫鉆井液降粘劑SF作對比,高溫老化16h后粘度、濾失量數(shù)據(jù)見表2。

        表2 降粘劑MA/SAS/AMPS、SF降粘劑對淡水基漿的降粘和降濾失性能

        從表2可以看出,共聚物在淡水鉆井液中具有較好的降粘效果,經(jīng)過240 ℃高溫老化16 h后,仍具有較好的降粘作用,降粘率達(dá)65%,與空白基漿相比表觀粘度和動切力明顯降低,說明三元共聚物具有優(yōu)良抗高溫能力和降粘效果。

        4 結(jié) 論

        (1) 合成了一種耐高溫水基鉆井液降粘劑,該鉆井液降粘劑MA/SAS/AMPS的最佳反應(yīng)條件是:n(MA)∶n(SAS)∶n(AMPS)=5∶4∶4,聚合反應(yīng)溫度85 ℃,反應(yīng)時間4h,引發(fā)劑w(過硫酸銨)=3.0%,w(單體)=45.0%。紅外分析證明得到目標(biāo)共聚物。

        (2) 評價了共聚物MA/SAS/AMPS作為水基鉆井液降粘劑性能,常溫降粘率80.2%,高溫240 ℃翻滾16h后降粘率可達(dá)65%,可滿足高溫深井及復(fù)雜井隊(duì)鉆井液降粘的要求。

        [ 參 考 文 獻(xiàn) ]

        [1] Yuzhi Xue,Gongrang Li,Baofeng Liu,et al. Application of super high density drilling fluid under ultra-high temperature on well shengke-1[R].Society of Petroleum Engineers 131189,2010:8-10.

        [2] Yuxue Sun,Yanfen Zhang,Jingyuan Zhao.Organosilicon drilling fluid system for HT deep gas wells[R].Society of Petroleum Engineers 118852,2009:24-26.

        [3] Keelan Adamson,George Birch,Erhu Gao,et al.High-pressure,high-temperature well construction[DB/OL].Oilfield Review:Summer,1998:36-49[2014-01-01].http://www.slb.com/~/media/Files/resources/oilfield_review/ors98/sum98/pgs_36_49.pdf.

        [4] 劉立新,杜俊濤,劉順平,等.耐高溫鉆井液降黏劑 St/AMPS/AA 的研制[J].鉆井液與完井液,2012,29(2):18-20.

        [5] 袁志平,陳林,景珉嘉.抗溫抗鹽鉆井液降粘劑JNJ-1的研究[J].天然氣勘探與開發(fā),2011,34(1):56-59.

        [6] 王中華,楊小華.AMPS/DMAM/AM共聚物鉆井液降黏劑的合成與性能[J].石油化工應(yīng)用,2009,28(2):20-22.

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