劉喜亮

（中海油田服務(wù)股份有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

淺部地層油氣資源的日益枯竭，促使勘探與開(kāi)發(fā)工作重點(diǎn)向深部地層油氣資源轉(zhuǎn)移[1]。在深井、超深井（塔里木、四川、渤海灣等）鉆探過(guò)程中，由于地溫梯度大（超過(guò)2.5 ℃/100m），垂深越大，儲(chǔ)層溫度越高[2]，以及鉆井液在井筒內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，使鉆井液處理劑在高溫條件下易出現(xiàn)分子鏈斷裂、功能性基團(tuán)變異或脫落[3]，導(dǎo)致處理劑無(wú)法保證鉆井液流變攜巖性能、抑制性以及護(hù)壁性能[4，5]。井壁失穩(wěn)是深井鉆井作業(yè)中最為常見(jiàn)的難題之一，由于鉆井液體系在高溫下濾失量大，滲入孔喉中導(dǎo)致巖石孔隙壓力增大，弱化了鉆井液對(duì)井壁的有效支撐，且以水為主要成分的濾液未能有效地抑制井壁巖石水化膨脹，進(jìn)而改變井壁應(yīng)力分布，易造成井壁失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致鉆井失敗[6]。基于此，筆者以AM、SSS、DMC、硅烷偶聯(lián)劑A171 為聚合單體制備了一種抗高溫抑制性兩性離子有機(jī)硅降濾失劑，以期滿足高溫、易水化地層的鉆井要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

丙烯酰胺（AM）、苯乙烯磺酸鈉（SSS）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）、乙烯基三甲氧基硅烷（A171）、Na2CO3、NaOH、無(wú)水乙醇、（NH4）2S2O8及NaHSO3（分析純國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司）。

1.2 合成方法

量取200 mL 去離子水，加入裝有攪拌器、冷凝管的三口燒瓶中，依次加入25 g AM、8 g SSS 以及一定量的DMC，采用NaOH 固體調(diào)節(jié)溶液的pH 值至7，將裝有溶液的三口燒瓶置于恒溫水浴鍋中加熱至一定溫度，通氮?dú)?0 min 后，加入（NH4）2S2O8-NaHSO3（質(zhì)量比為1:1，下同）和一定量的A171，恒溫?cái)嚢钘l件下反應(yīng)5 h 后，得到粗產(chǎn)物，通過(guò)減壓蒸餾、無(wú)水乙醇洗滌后，烘干得到固體粉末，即得有機(jī)硅降濾失劑。

1.3 基漿配制及鉆井液性能測(cè)試

基漿配制：裝有400 mL 淡水的高攪杯中分別加入1.2 g Na2CO3、14 g 納基膨潤(rùn)土、在高速攪拌器下攪拌30 min 左右，置于密閉容器中養(yǎng)護(hù)24 h 后即制得淡水基漿。將有機(jī)硅降濾失劑加入上述基漿中，高速攪拌30 min 后，即得鉆井液，將鉆井液熱滾溫度、時(shí)間定為180 ℃、16 h，并測(cè)其熱滾前后的流變性能以及熱滾后FLAPI、FLHTHP，具體參考GB/T 16783-2014。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件對(duì)共聚物降濾失性能的影響

2.1.1 DMC 加量對(duì)共聚物降濾失性能的影響 反應(yīng)條件為：AM、SSS、A171、引發(fā)劑加量分別為25 g、8 g、3 g、0.1 g，反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 h，改變DMC 加量，制備有機(jī)硅降濾失劑。在基漿中加入2%有機(jī)硅降濾失劑，考察其對(duì)共聚物降濾失性能的影響，結(jié)果（見(jiàn)圖1）。

圖1 DMC 加量對(duì)共聚物降濾失性能的影響

從圖1 可知，隨著共聚物中DMC 含量增加，提高了共聚物的季銨陽(yáng)離子含量，可通過(guò)靜電吸引作用先于水分子吸附到黏土顆粒表面，提高了黏土顆粒的穩(wěn)定性，使黏土顆粒富有彈性易于變形，堵塞能力增強(qiáng)，降低了熱滾后的鉆井液FLAPI，共聚物中DMC 含量進(jìn)一步增加，陽(yáng)離子對(duì)黏土顆粒的絮凝能力增強(qiáng)，致使鉆井液濾失量增大，當(dāng)DMC 加量為7 g 時(shí)，其濾失量最小。

2.1.2 A171 加量對(duì)共聚物降濾失性能的影響 反應(yīng)條件為：AM、SSS、DMC、引發(fā)劑加量分別為25 g、8 g、7 g、0.1 g，反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 h，改變A171加量，制備有機(jī)硅降濾失劑。在基漿中加入2%有機(jī)硅降濾失劑，考察其對(duì)共聚物降濾失性能的影響，結(jié)果（見(jiàn)圖2）。

圖2 A171 加量對(duì)共聚物降濾失性能的影響

從圖2 可知，隨著共聚物中A171 含量增加，提高了共聚物的Si-OH 含量，該基團(tuán)與黏土表面的羥基發(fā)生縮聚反應(yīng)形成Si-O-Si 鍵，屬于化學(xué)吸附，該化學(xué)吸附能大于物理吸附能（分子間作用力、氫鍵、靜電吸引作用力），該鍵能大于400 kJ/mol，在高溫下不易斷裂[7]，可有效地防止黏土聚集，形成穩(wěn)定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，達(dá)到降濾失的目的。當(dāng)A171 加量為4 g 時(shí)，其FLAPI僅為8.2 mL，當(dāng)聚合物分子中有機(jī)硅的含量進(jìn)一步增加，此時(shí)對(duì)高溫下鉆井液網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性影響較小。

2.1.3 反應(yīng)溫度對(duì)共聚物降濾失性能的影響 反應(yīng)條件為：AM、SSS、DMC、A171、引發(fā)劑加量分別為25 g、8 g、7 g、4 g、0.1 g，反應(yīng)時(shí)間為5 h，改變反應(yīng)溫度，制備有機(jī)硅降濾失劑。在基漿中加入2%有機(jī)硅降濾失劑，考察其對(duì)共聚物降濾失性能的影響，結(jié)果（見(jiàn)圖3）。

從圖3 可知，隨著反應(yīng)溫度的提高，使鉆井液濾失量先降低后增大，其原因?yàn)闇囟壬叽偈挂l(fā)劑釋放自由基的含量增大，有利于聚合反應(yīng)的進(jìn)行，當(dāng)反應(yīng)溫度超過(guò)60 ℃，引發(fā)劑釋放自由基過(guò)高，增大了自由基相互終止的概率[8]，降低了共聚物相對(duì)分子質(zhì)量，造成鉆井液濾失量增大。因此，將反應(yīng)溫度定為60 ℃。

圖3 反應(yīng)溫度對(duì)共聚物降濾失性能的影響

2.1.4 引發(fā)劑加量對(duì)共聚物降濾失性能的影響 反應(yīng)條件為：AM、SSS、DMC、A171 加量分別為25 g、8 g、7 g、4 g，反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 h，改變引發(fā)劑加量，制備有機(jī)硅降濾失劑。在基漿中加入2%有機(jī)硅降濾失劑，考察其對(duì)共聚物降濾失性能的影響，結(jié)果（見(jiàn)圖4）。

從圖4 可知，隨著引發(fā)劑增加，使鉆井液濾失量先降低后增大，其原因?yàn)橐l(fā)劑含量過(guò)高或過(guò)低，均使降濾失劑相對(duì)分子質(zhì)量降低，不利于其降濾失效果。當(dāng)引發(fā)劑加量為0.12 g 時(shí)，其濾失量?jī)H為7.6 mL。

圖4 引發(fā)劑加量對(duì)共聚物降濾失性能的影響

考察聚合物合成中的單體、引發(fā)劑加量變化以及反應(yīng)溫度變化，最佳合成條件為：AM、SSS、DMC、A171、引發(fā)劑加量分別為25 g、8 g、7 g、4 g、0.12 g，溶液pH 值為7，反應(yīng)時(shí)間為5 h，反應(yīng)溫度為60 ℃，制備有機(jī)硅降濾失劑。

2.2 降濾失劑對(duì)鉆井液性能的影響

在基漿中加入不同濃度的有機(jī)硅降濾失劑，熱滾前后的鉆井液性能（見(jiàn)表1）。

表1 降濾失劑加量對(duì)鉆井液性能的影響

從表1 可知，隨著降濾失劑含量增加，使濾失量降低。從鉆井液熱滾前后黏度、切力變化來(lái)看，降濾失劑通過(guò)化學(xué)、物理作用吸附在黏土顆粒表面，形成穩(wěn)定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在高溫下性能穩(wěn)定，可有效地分散黏土顆粒，降濾失劑分子中含有剛性基團(tuán)（苯環(huán)），提高分子熱運(yùn)動(dòng)阻力[9]，使其具有抗高溫性能，降濾失劑中的功能基團(tuán)使黏土顆粒富有彈性易于變形，堵塞泥餅孔隙，降低泥餅滲透率。對(duì)比基漿，不同加量的降濾失劑使鉆井液濾失量降低率均超過(guò)85%，說(shuō)明該降濾失劑具有良好的抗高溫性能以及降濾失性能。

2.3 降濾失劑的抑制性能評(píng)價(jià)

通過(guò)頁(yè)巖滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)有機(jī)硅降濾失劑的抑制性能。在加入不同濃度梯度（0%、1%、2%、3%）有機(jī)硅降濾失劑的基漿中，分別加入50 g 6～10 目的頁(yè)巖，裝入老化罐中，溫度為100 ℃下熱滾16 h，用40 目的篩回收頁(yè)巖，并干燥至恒重，稱其質(zhì)量，計(jì)算其熱滾回收率[10]，結(jié)果（見(jiàn)表2）。

表2 抑制性能評(píng)價(jià)

從表2 可知，隨著有機(jī)硅降濾失劑含量增加，頁(yè)巖在鉆井液中的滾動(dòng)回收率逐漸增大。當(dāng)鉆井液中的有機(jī)硅降濾失劑含量為1%時(shí)，頁(yè)巖的滾動(dòng)回收率超過(guò)90%，表現(xiàn)出良好的抑制性能，其原因?yàn)椋河袡C(jī)硅降濾失劑含有陽(yáng)離子以及硅羥基，通過(guò)靜電作用以及化學(xué)縮合作用使降濾失劑分子吸附在頁(yè)巖表面，且形成疏水層，阻止水分子進(jìn)入頁(yè)巖內(nèi)部，季銨根離子直徑與頁(yè)巖硅氧四面體片中的六方網(wǎng)格結(jié)構(gòu)內(nèi)切圓直徑接近，季銨根離子進(jìn)入晶層后，使晶層聯(lián)結(jié)更加緊密[11]，有效地抑制了頁(yè)巖的水化分散。

3 結(jié)論

（1）以AM、SSS、DMC、A171 為聚合單體，采用自由基水溶液聚合方式合成了抗高溫抑制性兩性離子有機(jī)硅降濾失劑，最佳合成條件為：AM、SSS、DMC、A171、引發(fā)劑加量分別為25 g、8 g、7 g、4 g、0.12 g，溶液pH 值為7，反應(yīng)時(shí)間為5 h，反應(yīng)溫度為60 ℃。

（2）降濾失劑通過(guò)化學(xué)、物理作用吸附在黏土顆粒表面，形成穩(wěn)定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在高溫下性能穩(wěn)定，降濾失劑中的功能基團(tuán)使黏土顆粒富有彈性易于變形，堵塞泥餅孔隙，降低泥餅滲透率，另外，季銨根離子進(jìn)入晶層后，使晶層之間聯(lián)結(jié)更加緊密，有效地抑制了頁(yè)巖的水化分散。