謝彬強(qiáng)，邱正松，鄭力會(huì)

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

?

水基鉆井液用抗高溫聚合物增黏劑的研制及作用機(jī)理

謝彬強(qiáng)1，邱正松2，鄭力會(huì)1

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室，湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580)

摘要：以2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸鈉(NaAMPS)、N-乙烯基己內(nèi)酰胺(VCL)、二乙烯苯(DVB)為共聚單體，采用自由基膠束聚合法制備了新型抗高溫聚合物增黏劑SDKP，并通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化。采用傅里葉變換紅外光譜、紫外光譜、凝膠色譜分別對(duì)SDKP的分子結(jié)構(gòu)和平均分子量進(jìn)行了表征和測(cè)定，并評(píng)價(jià)了增黏劑SDKP在低膨潤(rùn)土鉆井液和無(wú)固相鉆井液中的抗溫增黏性能。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，SDKP在2.5%低膨潤(rùn)土鉆井液中的抗溫能力達(dá)230 ℃，在無(wú)固相鉆井液中的抗溫能力達(dá)190 ℃，其在鉆井液中具有良好的抗溫性能和增黏性能，抗溫增黏效果優(yōu)于國(guó)外同類代表產(chǎn)品HE300。最后通過(guò)熱重分析、環(huán)境掃描電鏡觀測(cè)、高溫黏度測(cè)試等手段，探討了SDKP的抗溫增黏作用機(jī)理。

關(guān)鍵詞：增黏劑；水基鉆井液；抗高溫性能；作用機(jī)理

謝彬強(qiáng),邱正松,鄭力會(huì).水基鉆井液用抗高溫聚合物增黏劑的研制及作用機(jī)理[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,31(1):96-102.

XIE Binqiang,QIU Zhengsong,ZHENG Lihui.Synthesis and effect mechanism of a high-temperature-resisting viscosifier SDKP for water-based drilling fluid[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(1):96-102.

引言

目前，我國(guó)許多油氣田開(kāi)發(fā)已進(jìn)入晚期，調(diào)整井鉆井過(guò)程中的防漏堵漏及降低儲(chǔ)層傷害成為研究熱點(diǎn)。為降低漏失，減輕儲(chǔ)層傷害，擬在儲(chǔ)層鉆進(jìn)中采用低(無(wú))固相低密度水基鉆井液體系，但常用的低(無(wú))固相低密度儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液(如低膨潤(rùn)土鉆井液、無(wú)膨潤(rùn)土鉆井液、無(wú)固相鉆井液等)高溫穩(wěn)定性較差，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的高溫降黏現(xiàn)象，難以滿足深部高溫低壓油藏的高效開(kāi)發(fā)需求[1-2]。低(無(wú))固相低密度鉆井液體系的流變性、濾失造壁等性能主要通過(guò)聚合物增黏劑來(lái)調(diào)節(jié)，鉆井液體系主要以聚合物增黏劑來(lái)構(gòu)建，因此研發(fā)具有更高抗溫能力的低(無(wú))固相鉆井液體系的關(guān)鍵技術(shù)是研制新型抗高溫增黏劑。目前國(guó)內(nèi)外常用的增黏劑主要有雪佛龍菲利普斯公司的HE系列、XC、80A51等，但以上增黏劑都具有一定的抗溫局限性[2-4]。在新型抗溫增黏劑的研發(fā)方面，中石油鉆井院閆麗麗等[5]研制了一種抗溫抗鹽增黏劑PADA，其能有效提高淡水、鹽水鉆井液黏度，在4%膨潤(rùn)土鉆井液中的抗溫能力為170 ℃，因此，其仍受限于深部油藏的高溫、超高溫條件。由于鉆井液增黏劑抗溫性能不足，目前尚未見(jiàn)膨潤(rùn)土含量低于 3%、抗溫能力高于 200 ℃的低固相低密度水基鉆井液體系和抗溫能力高于180 ℃的無(wú)固相低密度鉆井液研究、應(yīng)用方面的報(bào)道。為此，筆者通過(guò)單體優(yōu)選，在抗高溫處理劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上[6]，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研制出了在膨潤(rùn)土含量2.5%的低固相水基鉆井液中抗溫能力達(dá)230 ℃、在無(wú)固相水基鉆井液中抗溫能力達(dá)190 ℃的抗高溫聚合物增黏劑(SDKP)，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了研究。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑和儀器

主要試劑：N-乙烯基己內(nèi)酰胺(NVCL)、2-甲基-2-丙烯酰胺基-丙磺酸(AMPS)均為工業(yè)品；二乙烯基苯(DVB)為化學(xué)純；十二烷基磺酸鈉(SDS)、氫氧化鈉(NaOH)、氯化鈉(NaCl)、偶氮二異丁腈(AIBN)、乙醇均為分析純；抗高溫增黏劑HE300，雪佛龍菲利普斯公司。

主要儀器：Nicolet 710型紅外光譜儀;721型紫外-可見(jiàn)分光光度儀；Waters 2695型凝膠滲透色譜儀；HTG-1 型熱重分析儀；Haake RS6000型流變儀；Quanta 450型環(huán)境掃描電鏡；ZNND6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；常溫常壓API濾失儀。

1.2聚合物增黏劑SDKP的制備

稱取一定量的AMPS，將其溶解于適量的去離子水中并攪拌均勻，用一定濃度的NaOH水溶液調(diào)節(jié)AMPS溶液pH值至中性，然后將AMPS溶液倒入三口瓶中，加入一定量的表面活性劑SDS，待其完全溶解后，依次向三口瓶中加入一定量的油溶性單體NVCL、引發(fā)劑AIBN和交聯(lián)劑DVB，并攪拌均勻。向三口瓶通氮?dú)?30 min除氧，然后將恒溫水浴升溫至63 ℃，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下連續(xù)反應(yīng)6 h，得白色膠狀物，用乙醇沉淀，并反復(fù)洗滌，50 ℃真空干燥并粉碎，即得增黏劑SDKP樣品。聚合反應(yīng)式如下：

1.3聚合物增黏劑表征及測(cè)試

分別采用紅外光譜儀、紫外-可見(jiàn)分光光度儀表征SDKP的分子結(jié)構(gòu)，其中分光光度儀吸收光波長(zhǎng)范圍為200～400 nm，測(cè)試溫度為25 ℃；采用凝膠滲透色譜儀對(duì)增黏劑SDKP進(jìn)行平均分子量和分子量分布測(cè)定，以pullulan p-82(葡聚糖)為標(biāo)準(zhǔn)樣；采用熱重分析儀對(duì)增黏劑SDKP進(jìn)行熱失重分析，測(cè)試溫度范圍為室溫至600 ℃，升溫速度為5 ℃/min，氮?dú)夥諊?；采用流變儀測(cè)定SDKP水溶液黏度，測(cè)試溫度范圍為20～140 ℃，控溫精度為±0.01 ℃，剪切速率為6 s-1；采用環(huán)境掃描電鏡(ESEM)觀察SDKP在水中的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)方法為冷凍升華法。

1.4鉆井液性能評(píng)價(jià)

分別配制低膨潤(rùn)土基漿(向清水中加入2.5%膨潤(rùn)土高速攪拌20 min后，常溫下水化24 h)和無(wú)固相清水基漿(清水)，向基漿中加入一定量的增黏劑SDKP、0.5%除氧劑NaHSO3以及其他處理劑，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB /T16783- 1997《水基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試程序的方法》，分別測(cè)定低膨潤(rùn)土鉆井液體系和無(wú)固相鉆井液體系高溫老化前后的流變性能及濾失性能。

2結(jié)果與討論

2.1增黏劑合成條件優(yōu)化

在低膨潤(rùn)土基漿中加入 0.8%合成產(chǎn)物和0.5%NaHSO3，以230 ℃ /16 h 老化前后的表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力為主要考核指標(biāo)，對(duì)聚合反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。前期通過(guò)大量探索性實(shí)驗(yàn)，得出了較優(yōu)的反應(yīng)條件：NVCL 摩爾分?jǐn)?shù)50%，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%，反應(yīng)溫度60 ℃，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，DVB摩爾分?jǐn)?shù) 1.0%，pH值為7，反應(yīng)時(shí)間為6 h，為了確定最佳反應(yīng)條件，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化，得到某一因素最佳條件后，后面的實(shí)驗(yàn)就都采用其最佳反應(yīng)條件。

2.1.1NVCL加量的影響NVCL摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)合成產(chǎn)物性能的影響如圖1所示。

從圖1中可看到，隨著NVCL單體摩爾分?jǐn)?shù)的增加，由合成產(chǎn)物配制的鉆井液的表觀黏度、塑性黏度以及動(dòng)切力明顯提高，且經(jīng)230 ℃老化后，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力的保持率也明顯上升，這說(shuō)明反應(yīng)中增加NVCL單體加量，能提高合成產(chǎn)物的抗溫、增黏、提切性能，這是由NVCL單體特殊的七元環(huán)側(cè)鏈所決定的[7]。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)NVCL摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時(shí)，由合成產(chǎn)物配制的鉆井液的黏度和切力基本達(dá)到最大，且老化后各流變參數(shù)的保持率較高，因此，確定合成反應(yīng)中NVCL的最佳摩爾分?jǐn)?shù)為60 %。

圖1　NVCL摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)產(chǎn)物性能的影響Fig.1　Effect of N-vinylcaprolactam mole fraction on properties of product

2.1.2SDS加量的影響考察了SDS加量對(duì)合成產(chǎn)物性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)產(chǎn)物性能的影響Fig.2　Effect of SDS mass fraction on properties of product

由圖2可知，當(dāng)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，合成產(chǎn)物具有最優(yōu)的增黏、提切和抗溫性能，這是因?yàn)楫?dāng)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2%時(shí)，其形成的膠束數(shù)量有限，NVCL、DVB等親油單體不能完全增溶于膠束中，此時(shí)反應(yīng)體系中的親油單體大多處于游離態(tài)，從而降低了NVCL、DVB的引入度；隨著SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其形成的膠束數(shù)量大大增加，由于親油單體在SDS膠束中的增溶方式為夾心型增溶[7]，這將有利于形成更大尺寸的膠束體，因此親油單體在每個(gè)膠束單元中增溶量也將增加，這將提高親油鏈段在增黏劑分子中的數(shù)量和長(zhǎng)度，因此得到產(chǎn)物的增黏、提切、抗溫性能更好；由于體系中親油單體含量一定，當(dāng)繼續(xù)增加SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)(大于2%)時(shí)，隨著體系中形成的膠束數(shù)量的進(jìn)一步增加，親油單體在每個(gè)膠束單元中的增溶量將降低，這將致使增黏劑分子中的親油單體的數(shù)量降低，導(dǎo)致產(chǎn)物性能又會(huì)變差。因此，SDS的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。

2.1.3引發(fā)劑加量的影響引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)合成產(chǎn)物性能的影響如圖3所示。

由圖3可知，引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，合成產(chǎn)物性能最優(yōu)。這是因?yàn)镹VCL單體反應(yīng)活性較低，當(dāng)引發(fā)劑濃度較低時(shí)，產(chǎn)生的自由基數(shù)量較少，難以引發(fā)足夠數(shù)量的NVCL單體，由于產(chǎn)物分子中NVCL單元數(shù)量較少，導(dǎo)致產(chǎn)物性能不好；而當(dāng)引發(fā)劑濃度過(guò)高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%)時(shí)，將產(chǎn)生過(guò)多的自由基，使得鏈轉(zhuǎn)移副反應(yīng)增強(qiáng)、鏈終止時(shí)間變短，導(dǎo)致產(chǎn)物性能變差。因此，引發(fā)劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%。

圖3　引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)產(chǎn)物性能的影響Fig.3　Effect of initiator mass fraction on properties of product

2.1.4DVB加量的影響考察了DVB摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)合成產(chǎn)物性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　DVB摩爾分?jǐn)?shù)對(duì)產(chǎn)物性能的影響Fig.4　Effect of DVB mole fraction on properties of product

考察了DVB加量對(duì)合成產(chǎn)物性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖4中可看到，合成產(chǎn)物的增黏、提切能力隨著DVB加量的增加而明顯提高，這是因?yàn)楫a(chǎn)物分子中DVB的引入會(huì)大大增強(qiáng)其分子內(nèi)的交聯(lián)結(jié)構(gòu)。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DVB摩爾分?jǐn)?shù)大于2%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)物難溶于水；鉆井液老化后的黏度、切力保持率隨著DVB單體加量的增加變化不大，這說(shuō)明反應(yīng)中DVB單體加量變化，對(duì)合成產(chǎn)物的抗溫性能影響較小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，DVB摩爾分?jǐn)?shù)為1%時(shí)，產(chǎn)物具有最好的抗溫、增黏、提切性能。

2.1.5反應(yīng)溫度的影響反應(yīng)溫度對(duì)合成產(chǎn)物性能的影響如圖5所示。從圖5中可看到，產(chǎn)物性能隨著反應(yīng)溫度的上升先逐漸提高后下降，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到約63 ℃時(shí)，合成產(chǎn)物的抗溫、增黏、提切性能最優(yōu)。這是由于溫度的上升加劇了單體的熱運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)了單體的反應(yīng)活性，提高了NVCL、DVB單體在產(chǎn)物分子中的含量，因此增強(qiáng)了產(chǎn)物的抗溫、增黏、提切性能；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，將導(dǎo)致引發(fā)劑分解速率和鏈轉(zhuǎn)移副反應(yīng)大大增加，這將致使產(chǎn)物性能變差。

圖5　反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物性能的影響Fig.5　Effect of reaction temperature on properties of product

由單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，最優(yōu)反應(yīng)條件為NVCL摩爾分?jǐn)?shù)60 %、SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、DVB摩爾分?jǐn)?shù)1%、反應(yīng)溫度63 ℃，將此反應(yīng)條件下合成的聚合物增黏劑命名為SDKP。計(jì)算了在最優(yōu)反應(yīng)條件下增黏劑SDKP的反應(yīng)產(chǎn)率，結(jié)果表明，共聚反應(yīng)產(chǎn)率高于82%。

2.2增黏劑表征

2.2.1紅外光譜分析聚合物增黏劑SDKP的紅外光譜如圖6所示。經(jīng)分析可知：圖中3 190 cm-1為分子中苯環(huán)=C—H的伸縮振動(dòng)峰；2 936 cm-1為—CH2伸縮振動(dòng)峰；1 671 cm-1為VCL中C=O的伸縮振動(dòng)峰；1 540 cm-1為VCL中C—N的伸縮振動(dòng)峰；1 438 cm-1、1 401 cm-1、1 290 cm-1分別為—CH2、—CH3、—CH的彎曲振動(dòng)峰；1 040 cm-1和1 195 cm-1為AMPS鏈節(jié)中磺酸基的特征峰。結(jié)果表明，產(chǎn)物分子鏈中含有分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的磺酸基、己內(nèi)酰胺和苯環(huán)等基團(tuán)，產(chǎn)物為目標(biāo)共聚物。

2.2.2紫外光譜圖7為SDKP的紫外譜圖。從該圖中可以看到，在 260～270 nm 處有一個(gè)弱吸收峰，該吸收峰為SDKP分子中交聯(lián)結(jié)構(gòu)單元苯環(huán)的B帶特征吸收峰，這證明了SDKP分子中含有一定的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖6　SDKP的紅外光譜Fig.6　FT-IR spectrum of SDKP

圖7　SDKP的紫外譜Fig.7　UV spectrum of SDKP

2.2.3相對(duì)分子量及分子量分布由凝膠色譜測(cè)定結(jié)果可知，最優(yōu)反應(yīng)條件下合成的5組增黏劑SDKP的重均分子量為89～106萬(wàn)，數(shù)均分子量為38～42萬(wàn)，分散指數(shù)為2.35～2.50。從測(cè)試結(jié)果可知，增黏劑SDKP的分子量不高。

2.3SDKP在鉆井液中的性能評(píng)價(jià)

分別測(cè)試了增黏劑SDKP在不同類型的低(無(wú))固相水基鉆井液中的流變性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1中可看出，SDKP在低膨潤(rùn)土鉆井液和無(wú)固相鉆井液中均具有良好的抗溫增黏作用，其中SDKP在低膨潤(rùn)土淡水、鹽水鉆井液體系中的抗溫能力達(dá)230 ℃，在低膨潤(rùn)土飽和鹽水鉆井液體系中的抗溫能力達(dá)190 ℃，其在低膨潤(rùn)土鉆井液中的抗溫增黏能力明顯優(yōu)于雪弗龍菲利普斯公司的代表性抗溫增黏劑HE300；SDKP在無(wú)固相淡水、鹽水鉆井液體系中的抗溫能力達(dá)190 ℃，在無(wú)固相飽和鹽水鉆井液體系中的抗溫能力達(dá)150 ℃，SDKP在無(wú)固相鉆井液中的抗溫、增黏、抗鹽效果也優(yōu)于HE300。性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，SDKP在低(無(wú))固相水基鉆井液中均具有良好的抗溫、增黏、抗鹽性能。

表1　SDKP在低(無(wú))固相鉆井液中的性能評(píng)價(jià)

注：低膨潤(rùn)土淡水漿為 低膨潤(rùn)土基漿+ 0.5% Na2SO3+6%SD-101 + 2%SD-201+ 3%HQ-10

低膨潤(rùn)土鹽水漿為 低膨潤(rùn)土基漿+0.5%Na2SO3+6%SD-101+2%SD-201+3%HQ-10+5% NaCl

低膨潤(rùn)土飽和鹽水漿為 低膨潤(rùn)土基漿+0.5%Na2SO3+6%SD-101+2%SD-201+3%HQ-10+36% NaCl

無(wú)固相淡水漿為 清水+ 1.5% DFD-140+ 0.5% Na2SO3

無(wú)固相鹽水漿為 清水+ 1.5% DFD-140+ 0.5% Na2SO3+5% NaCl

無(wú)固相飽和鹽水漿為 清水+ 1.5% DFD-140+ 0.5% Na2SO3+36% NaCl

2.4機(jī)理分析

2.4.1SDKP分子鏈熱穩(wěn)定性分析采用熱重分析測(cè)試了SDKP分子鏈的熱穩(wěn)定性，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖 8 中可以看到，SDKP發(fā)生熱分解的初始溫度在150 ℃以下，樣品保留率為85%以上，這是由于SDKP分子中含有大量的強(qiáng)親水基團(tuán)磺酸基，此時(shí)主要是由于增黏劑分子中吸附的水等揮發(fā)所致樣品失重(失重率小于15%)；在150～330 ℃范圍內(nèi)，樣品保留率為80%以上，其中在150～205 ℃區(qū)間內(nèi)，樣品保留率基本保持不變；當(dāng)溫度高于330 ℃時(shí)，SDKP分子鏈開(kāi)始劇烈分解，樣品保留率小于50%，這表明增黏劑分子鏈的熱穩(wěn)定性很強(qiáng)，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。這是因?yàn)樵鲳┓肿又鱾?cè)鏈為C-C、C-N等高鍵能鍵，且分子中的大七元環(huán)己內(nèi)酰胺側(cè)鏈、苯環(huán)交聯(lián)結(jié)構(gòu)可顯著增強(qiáng)SDKP分子剛性[7]。因此，SDKP分子具有優(yōu)異的抗溫性能。

圖8　SDKP的熱重分析Fig.8　Thermal gravimetric analysis of SDKP

黏劑分子中吸附的水等揮發(fā)導(dǎo)致樣品失重；只有溫度高于330 ℃時(shí)，SDKP分子鏈開(kāi)始劇烈分解，這表明增黏劑分子鏈的熱穩(wěn)定性很強(qiáng)，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。這是因?yàn)樵鲳┓肿又鱾?cè)鏈為C—C、C—N等高鍵能鍵，且分子中的大七元環(huán)己內(nèi)酰胺側(cè)鏈、苯環(huán)交聯(lián)結(jié)構(gòu)可顯著增強(qiáng)SDKP分子剛性[7]。因此，SDKP分子具有優(yōu)異的抗溫性能。

2.4.2SDKP分子的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)采用Quanta450型環(huán)境掃描電鏡(ESEM)研究了SDKP在水溶液中的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看到，SDKP在水中能形成連續(xù)而致密的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且隨著SDKP濃度的增加，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)變得更為致密，網(wǎng)狀骨架寬度更大，從而帶來(lái)更好的黏度貢獻(xiàn)。這是因?yàn)镾DKP不同于常規(guī)線性聚合物，其分子中同時(shí)含有帶有疏水苯環(huán)的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)和疏水性己內(nèi)酰胺側(cè)鏈，SDKP分子內(nèi)適度的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)是其在室溫下具有良好增黏性能的主要原因。

圖9　SDKP在水溶液中的環(huán)境掃描電鏡照片F(xiàn)ig.9　ESEM images of aqueous solution of SDKP

2.4.3SDKP分子的溫敏締合作用采用Haake RS6000型流變儀研究了SDKP水溶液黏度隨溫度的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖10中可看到，隨著溫度的上升，SDKP水溶液黏度先略有降低后明顯增加，呈現(xiàn)出了明顯的高溫締合增黏現(xiàn)象。這是因?yàn)镾DKP分子中的己內(nèi)酰胺七元環(huán)為溫度敏感性疏水側(cè)鏈，該側(cè)鏈的疏水締合作用會(huì)隨著溫度上升而愈發(fā)增強(qiáng)，導(dǎo)致其分子流體力學(xué)體積變大，溶液黏度上升[8]，因此SDKP分子的溫敏締合行為可增強(qiáng)鉆井液體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高鉆井液體系黏切。

圖10　1%SDKP水溶液的溫敏締合增黏作用Fig.10　Thermothicking performance of 1%SDKP aqueous solution

3結(jié)論

(1)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型抗高溫增黏劑SDKP最優(yōu)合成條件為NVCL摩爾分?jǐn)?shù)60 %、SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、DVB摩爾分?jǐn)?shù)1%、反應(yīng)溫度63 ℃。

(2)新研制的抗高溫聚合物增黏劑SDKP在低膨潤(rùn)土鉆井液和無(wú)固相鉆井液中的抗溫能力分別達(dá)230 ℃和190 ℃，具有良好的抗溫性能和增黏性能，其抗溫增黏效果優(yōu)于國(guó)外同類具有代表性的處理劑HE300。

(3)增黏劑SDKP分子量不高，SDKP分子內(nèi)存在的微交聯(lián)結(jié)構(gòu)、分子的溫敏締合增黏行為以及分子鏈自身優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，是其具有優(yōu)良增黏抗溫性能的主要原因。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2001.

[2]呂開(kāi)河，楊鵬，李建成，等.抗高溫?zé)o黏土相鉆井液體系研究與性能評(píng)價(jià)[J].石油鉆探技術(shù)，2012,40(5)：30-34.

LV Kaihe,YANG Peng,LI Jiancheng,et al.Research and evaluation of clay-free drilling fluids with high temperature resistance[J].Petroleum Drilling Techniques,2012,40(5):30-34.

[3]Cobianco S,Bartosek M,Lezzi A,et al.New solids-free drill-in fluid for low permeability reservoirs[C].SPE 64979,2001:1-7.

[4]Martins A L,Waldmann A T A,Ribeiro D C,et al.The conceptual design of a non-invasive solids free drill-in fluid[C].SPE 94287,2005:1-11.

[5]閆麗麗，孫金聲，王建華，等.新型抗高溫抗鹽鉆井液增黏劑PADA的制備與性能[J].石油學(xué)報(bào):石油加工，2013,29(3)：464-469.

YAN Lili,SUN Jinsheng,WANG Jianhua,et al.Preparation and properties of heat-andsalt-tolerant viscosity improver PADA in water-based drilling fluid[J].Acta Petrolei Sinica:Petroleum Processing Section,2013,29(3):464-469.

[6]Thaemlitz C J.Synthetic Filtration Control Polymers for Well-bore Fluids:US7098171[P].2006-08-29.

[7]鐘傳蓉，黃榮華，羅平亞.表面活性劑對(duì)疏水改性丙烯酰胺共聚物增粘性能的影響[J].應(yīng)用化工，2006,35(12)：913-917.

ZHONG Chuanrong,HUANG Ronghua,LUO Pingya.Influence of surfactants on thickening property of hydrophobically acrylamide-modified copolymer[J].Applied Chemical Industry,2006,35(12):913-917.

[8]XIE Binqiang,QIU Zhengsong,HUANG Weian,et al.Characterization and aqueous solution behavior of novel thermo-associating polymers[J].Journal of Macromolecular Science:Part A Pure and Applied Chemistry,2013,50(2):230-237.

責(zé)任編輯：董瑾

DOI：10.3969/j.issn.1673-064X.2016.01.016中圖分類號(hào)：TE254+.4

文章編號(hào)：1673-064X(2016)01-0096-07

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2015-04-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金“基于溫敏聚合物的水基鉆井液恒流變特性研究”(編號(hào)：51404040)

作者簡(jiǎn)介：謝彬強(qiáng)(1981-)，男，副教授，博士，主要從事油氣井工作液方面研究。E-mail：xiebinqiang1981@163.com

Synthesis and Effect Mechanism of a High-temperature-resisting Viscosifier SDKP for Water-based Drilling Fluid

XIE Binqiang1,QIU Zhengsong2,ZHENG Lihui1

(1.Lost Circulation Prevention and Control Laboratory,National Engineering Laboratory for Oil and Gas Drilling Technology,Yangtze University, Wuhan 430100,Hubei,China;2.Faculty of Petroleum Engineering,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580,Shandong,China)

Abstract:Using sodium 2-acrylamido-2-methylpropane sulphonate (NaAMPS),N-vinylcaprolactam (VCL)and divinyl benzene (DVB)as comonomers,a new high-temperature-resisting polymer viscosifier SDKP was prepared by micellar copolymerization technique.The synthesis conditions were optimized by single factor experiments.The molecular structure of SDKP was characterized by FT-IR and UV.The average molecular weight of SDKP was measured by GPC.The thickening capacity of SDKP to low bentonite drilling fluid and solid-free drilling fluid and the high temperature resistance of two drilling fluids with SDKP were evaluated.The evaluation results show that the temperature resistance of low bentonite drilling fluid and solid-free drilling fluid with SDKP of 2.5% can reach to 230 ℃ and 190 ℃respectively.The thermal stability and the thickening performance of SDKP to two types of drilling fluid are very good,which are much better than those of foreign representative product HE300.Finally,the high-temperature-resisting and thickening mechanism of SDKP to two types of drilling fluid was discussed by thermogravimetric analysis,ESEM observation and high-temperature viscosity testing.

Key words:viscosifier;water-based drilling fluid;high-temperature resistance;effect mechanism