任玲瑛

（中石化西南油氣分公司工程監(jiān)督中心，四川德陽 618000）

隨著世界能源需求的增加和鉆探技術(shù)的發(fā)展，深井、超深井的鉆探就必將成為我國乃至全世界石油工業(yè)的一個重要方面。在深井、超深井的鉆探中，鉆井液質(zhì)量更是工程成敗、鉆速快慢和成本高低的關(guān)鍵。而深井、超深井鉆井液質(zhì)量的重點就在于其能否在高溫、高壓、高密度條件下保持或基本保持其原有的性能。而這些就要求鉆井液處理劑要具有較好的抗溫、抗鹽性，所以，在原有的鉆井液處理劑已不能滿足需要的同時，需要研發(fā)出適用條件更廣的優(yōu)質(zhì)鉆井液處理劑[1]。本文采用含磺酸基的乙烯基單體與丙烯酰胺等單體形成的共聚物，可以明顯改善聚合物處理劑的抗溫和抗鹽能力。

1 實驗部分

1.1 原料（見表1）

1.2 合成

1.2.1 合成步驟

（1）把AMPS溶于適量水中，加入AA攪勻，在冷卻條件下用氫氧化鈉溶液中和，調(diào)節(jié)pH值。然后加入AM，攪拌使其溶解，并補充蒸餾水配好單體濃度。

表1 實驗藥品

（2）將配好的溶液加入帶有攪拌器、溫度計和氮氣進(jìn)口的三口燒瓶中，升溫攪拌，通入氮氣。溫度升至設(shè)定值時，停止通氮氣。

（3）將一定比例的引發(fā)劑在預(yù)定時間加入反應(yīng)器中，恒溫，繼續(xù)反應(yīng)一段時間。

（4）將反應(yīng)所合成的凝膠狀產(chǎn)物，經(jīng)乙醇洗滌、剪切造粒、干燥和粉碎，即得AMPS/AM/AA三元共聚物降濾失劑。

1.2.2 合成原理 本實驗以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）和丙稀酸（AA）為基本原料，引發(fā)劑選用過硫酸銨-亞硫酸氫鈉的氧化-還原體系，采用水溶液聚合，合成AMPS/AM/AA三元共聚物降濾失劑。反應(yīng)方程式如下：

1.3 合成條件的確定

（1）單體配比的影響，在單體濃度15%，溫度50℃，pH值為7，引發(fā)劑加量0.3%，反應(yīng)時間4 h的條件下，改變單體配比（AMPS:AM:AA的質(zhì)量比），結(jié)果（見表 2）。

表2 單體配比對濾失量性能的影響

由表2可以看出單體配比的改變對共聚物性能產(chǎn)生了一定的影響，單體配比的改變可直接影響聚合物分子中吸附基與水化基團(tuán)的比例，從而影響其性能。當(dāng)AMPS:AM:AA=35：45：15時，聚合物的濾失量最低，從而確定此比例為最佳單體配比為AMPS:AM:AA=35：45：15。

（2）反應(yīng)溫度的影響，固定單體濃度15%，引發(fā)劑加量0.3%，單體配比35：45：15，反應(yīng)時間4 h，pH值為7，改變反應(yīng)溫度，結(jié)果（見圖1）。

圖1 反應(yīng)溫度與濾失量的關(guān)系曲線

由圖1可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，濾失量呈現(xiàn)出一個先下降后有所回升的趨勢，當(dāng)反應(yīng)溫度在50℃時，濾失量最小。這是因為反應(yīng)溫度的升高提高了單體的聚合活性，使得具有龐大側(cè)基的AMPS的聚合活性提高，引起共聚物組成改變，從而改變共聚物性能。而溫度太高，不利于引發(fā)劑的引發(fā)，大量的引發(fā)劑發(fā)生熱分解從而迅速產(chǎn)生大量的自由基來引發(fā)聚合，使得聚合反應(yīng)速度太快甚至暴聚，影響了聚合物的性能。所以確定50℃為本次實驗的反應(yīng)溫度。

（3）引發(fā)劑加量的影響，本文采用過硫酸銨-亞硫酸氫鈉氧化還原引發(fā)體系，考察了引發(fā)劑加量對聚合物降濾失性能的影響。在單體濃度15%，單體配比35：45：15，溫度 50 ℃，pH 值為 7，反應(yīng)時間 4 h 的條件下，改變引發(fā)劑加量，結(jié)果（見圖2）。

從圖2可以看出，隨著引發(fā)劑用量的增加，失水量先減少后有所增加。這是因為隨引發(fā)劑用量增加，在單位時間內(nèi)分解產(chǎn)生的初級自由基數(shù)目增加，提高了單體的聚合速率，反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率相應(yīng)增加，而引發(fā)劑加量的增加，所形成的活性中心也相應(yīng)的增多，相互間碰撞終止機(jī)會增加，它們與引發(fā)劑鏈轉(zhuǎn)移的機(jī)會也增多，因而生成大分子的速率提高，使平均相對分子質(zhì)量下降。提高了降濾失劑的性能。由圖2可以確定本次實驗引發(fā)劑加量為0.2%。

圖2 引發(fā)劑加量與濾失量的關(guān)系曲線

（4）反應(yīng)時間的影響，在單體濃度15%，引發(fā)劑加量0.2%，單體配比30：45：25，溫度50℃，pH值為7的條件下，選取不同的反應(yīng)時間，結(jié)果（見圖3）。

圖3 反應(yīng)時間與濾失量關(guān)系曲線

根據(jù)自由基聚合的反應(yīng)規(guī)律可知，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，單體濃度和引發(fā)劑濃度逐漸降低，體系粘度增大，自由基與單體接觸機(jī)會減小，從而影響了單體的轉(zhuǎn)化率；在本反應(yīng)中反應(yīng)后期的自動加速現(xiàn)象并不明顯。在反應(yīng)后期延長聚合反應(yīng)時間主要的目的是提高聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，對產(chǎn)品相對分子質(zhì)量影響較小。

從圖3可以看出，聚合反應(yīng)進(jìn)行3 h后，聚合物粘度的漲幅趨于平緩。濾失量是一個平緩的下降趨勢，綜合各方面的影響，本文將反應(yīng)時間控制在4個小時左右。

（5）小結(jié)，由以上實驗可以得出，本次實驗的最佳合成條件為單體比為AMPS:AM:AA=35：45：15（質(zhì)量比）；反應(yīng)溫度為50℃；反應(yīng)時間為4 h；引發(fā)劑加量為單體總量的0.2%。

2 性能評價

2.1 降濾失劑加量對鉆井液性能的影響

在1 000 mL水中，加入40 g的鈣膨潤土和3.2 g無水Na2CO3，用高速攪拌器攪拌20 min，于室溫下密閉放置養(yǎng)護(hù)24 h后，配制好淡水鉆井液基漿。在最優(yōu)實驗條件下合成降濾失劑，并將其加入到淡水鉆井液基漿中，測定鉆井液性能變化，結(jié)果（見表3）。

表3 降濾失劑加量對鉆井液性能的影響

由表3可以看出，本次實驗所得降濾失劑對淡水鉆井液失水量能起到較好的控制作用，且隨著加量的增加失水量逐漸減小。

2.2 抗鹽性實驗

配置含有 0.1%、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%NaCl的水溶液各400 mL，分別向其中加入40 g的鈣膨潤土和1.6 g無水Na2CO3，用高速攪拌器攪拌20 min于室溫下密閉放置養(yǎng)護(hù)24 h，即得鹽水鉆井液基漿。再向配好的鹽水鉆井液基漿中加入1%的降濾失劑，高速攪拌30 min，于室溫下密閉容器中放置養(yǎng)護(hù)16 h后，測定其濾失量。結(jié)果（見圖4）。

圖4 NaCl含量與濾失量的關(guān)系曲線

由圖4可以看出，當(dāng)NaCl含量在0.1%～0.5%時，濾失量的變化不明顯，當(dāng)NaCl含量達(dá)到1%時，濾失量開始呈現(xiàn)增加趨勢，但隨著NaCl含量的增加，濾失量的增加趨勢平緩，說明該降濾失劑具有良好的抗鹽性。

2.3 抗溫性實驗

取5份淡水基漿，每份400 mL加入泥漿杯中，分別在其中加入1.0%的降濾失劑，每個試樣都高速攪拌20 min，分別放在50℃、70℃、90℃、110℃、130℃下熱滾16 h，取出后冷卻至室溫，分別測定其濾失量。結(jié)果（見圖 5）。

從圖5中可以看出，在中、底溫度下，濾失量隨溫度的變化不是很明顯，可見該降濾失劑受溫度變化影響小，具有較好的降濾失效果；在高溫90℃時，濾失量開始呈一個上升的趨勢，但上升速率不大，說明該降濾失劑具有一定的抗溫性能。

2.4 抗鈣污染試驗

圖5 溫度與濾失量的關(guān)系曲線

取400 mL的淡水鉆井液基漿5份于杯中，編號后，分別加入1%的降濾失劑，并在其室溫養(yǎng)護(hù)前，分別在2、3、4、5號中加入CaCl2，使其鈣離子濃度分別為200、700、1 000、2 000 mg/L。用高速攪拌器攪拌 20 min，將得到鉆井液在室溫下密閉養(yǎng)護(hù)24 h后，測定其濾失量，結(jié)果（見圖 6）。

圖6 CaCl2加量與濾失量的關(guān)系曲線

從圖6可以看出，當(dāng)Ca2+濃度較低時，對基漿的濾失量影響較小，當(dāng)Ca2+濃度在1 000 mg/L時，隨CaCl2加量的增加，濾失量開始呈上升的趨勢，但是失水量還是在一個可控的范圍內(nèi)，這說明該降濾失劑具有一定抗Ca2+影響的能力。

3 結(jié)論

（1）通過實驗確定聚合物降濾失劑合成反應(yīng)的最佳條件：單體比為 AMPS:AM:AA=35：45：15（質(zhì)量比）；反應(yīng)溫度為50℃；反應(yīng)時間為4 h；引發(fā)劑加量為單體總量的0.2%。

（2）通過對合成的降濾失劑進(jìn)行抗溫、抗鹽、抗鈣污染等性能評價。從實驗中可以看出，該產(chǎn)品具有較好的抗溫抗鹽作用，且在鈣污染情況下，也具有一定的降濾失效果。

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