張 亞，董藝凡

（1.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司蘇里格南作業(yè)分公司，陜西 西安 710018）

能源消耗和油氣勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)展促使深井/超深井比例逐年提高，深井/超深井井底溫度高以及地質(zhì)復(fù)雜，要求鉆井液具有抗高溫、穩(wěn)定井壁性能以及高密度下良好的流變性能[1-3]。鉆井液常通過(guò)重晶石加重，可有效地提高鉆井液的密度，且具有良好的經(jīng)濟(jì)效益以及封堵性能（重晶石架橋）[4]。采用處理劑（聚合物處理劑、膨潤(rùn)土漿）來(lái)調(diào)節(jié)鉆井液的流變性能，滿(mǎn)足攜巖需求；另外，兩者可提高鉆井液的高溫穩(wěn)定性以及懸浮重晶石[5]。然而，高溫作用下使鉆井液中黏土顆粒變細(xì)、含量增加以及聚合物出現(xiàn)交聯(lián)現(xiàn)象，引起鉆井液流變性變差（高溫增稠），導(dǎo)致鉆井液在井底下當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）波動(dòng)太大，不利于井壁穩(wěn)定[6，7]。通過(guò)降黏劑來(lái)維持鉆井液流變性是一種可行的方法，前期鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽（FCLS）降黏劑在鉆井現(xiàn)場(chǎng)具有良好的應(yīng)用效果，但由于其分子結(jié)構(gòu)中含鉻且毒性大，因此，其應(yīng)用被限制[8]；天然材料改性產(chǎn)物作為降黏劑，天然材料常以苯乙烯磺酸、磺酸鈉鹽、AMPS 等單體進(jìn)行接枝改性，生物毒性大[9]；合成聚合物類(lèi)降黏劑以AMPS、AA、AM、MA、St 等單體材料為主，合成單體來(lái)源廣以及抗高溫性能強(qiáng)，但合成聚合物類(lèi)分子剛性強(qiáng)，不利于生物降解性能[10，11]?；诖?，以木質(zhì)素、腐殖酸天然植物聚合物與水溶性多功能聚合物單體作為原料制備了抗高溫非磺化降黏劑，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和儀器

乙烯基三甲氧基硅烷 （A-171）、單乙醇胺（MEA）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、過(guò)氧化苯甲酰（BPO）、丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）、甲醛、NaOH、Na2CO3，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司；腐殖酸、木質(zhì)素，工業(yè)級(jí)，湖北鑫鳴泰化學(xué)有限公司；膨潤(rùn)土（工業(yè)級(jí)興和中順膨潤(rùn)土有限公司）。

NICOLET-6700 型紅外光譜儀（美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司）；XGRL 型高溫滾子加熱爐（青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司）；ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司）；RI-201H 型凝膠滲透色譜儀（大連依利特公司）；METTLERTOLEDO 型熱重分析儀（武漢德蒙科技有限公司）；GJSS-B12K 型變頻高速攪拌機(jī)（青島同春石油儀器有限公司）；GGS-42 型高溫高壓濾失儀（青島得順電子機(jī)械有限公司）。

1.2 降黏劑的制備

采用縮聚反應(yīng)和水溶液自由基聚合反應(yīng)兩步工藝制備了抗高溫非磺化降黏劑JN-1。首先，在裝有攪拌器、回流冷凝器、溫度計(jì)和N2進(jìn)出口管的四口圓底燒瓶中加入去離子水200g、腐殖酸60g 和木質(zhì)素30g，在室溫下攪拌1h，使反應(yīng)物料充分混合均勻。滴加5mL 甲醛并用NaOH 顆粒將整個(gè)溶液的pH 值調(diào)至8，反應(yīng)溫度保持在75℃，攪拌4h，完成反應(yīng)原料的縮聚反應(yīng)。

在上述溶液中依次加入8g AM、8g NVP、4g AA、5g MEA、2g A-171，繼續(xù)攪拌1h，確保原料混合均勻。在通入N230min 后，加入0.5g BPO 作為自由基聚合的引發(fā)劑，在80℃下攪拌反應(yīng)6h，完成自由基聚合反應(yīng)。最后，通過(guò)干燥和破碎得到抗高溫非磺化降黏劑JN-1。

1.3 結(jié)構(gòu)表征

樣品的分子結(jié)構(gòu) 采用紅外光譜儀-KBr 壓片法測(cè)定降黏劑JN-1 的FT-IR 光譜，利用紅外光譜寬度在500~4000cm－1范圍內(nèi)分析樣品的分子結(jié)構(gòu)。

樣品的分子量 采用凝膠滲透色譜儀測(cè)量降黏劑JN-1 的分子量，注射量為50mL，測(cè)試溫度為30℃，流速為1.0mL·min-1，標(biāo)準(zhǔn)樣品為聚苯乙烯，溶劑為四氫呋喃。

樣品的熱穩(wěn)定性 使用熱重分析儀對(duì)降黏劑JN-1 的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在N2下進(jìn)行，升溫速率為5℃·min-1，通過(guò)質(zhì)量保留率來(lái)判斷樣品的抗溫性能。

1.4 降黏劑性能評(píng)價(jià)

淡水基漿配方 淡水+6%膨潤(rùn)土+0.25%NaOH+0.5%Na2CO3；

鹽水基漿配方 淡水+6%膨潤(rùn)土+0.25%NaOH+0.5%Na2CO3+10%NaCl。

高密度水基鉆井液體系配方 淡水+2%膨潤(rùn)土+0.3%NaOH+0.35%Na2CO3+2.0%高溫增黏劑ZNHT+3.5%高溫聚合物降濾失劑FLO-HT+7%KCl+10%甲酸鈉+重晶石加重至2.0g·cm-3。

將一定量的抗高溫非磺化降黏劑JN-1 加入上述3 種配方中，經(jīng)過(guò)高溫?zé)釢L后測(cè)試其流變性和濾失性能，對(duì)鉆井液性能測(cè)試具體參考GB/T 16783-2014。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 紅外光譜分析 對(duì)降黏劑JN-1 進(jìn)行紅外光譜分析，紅外光譜見(jiàn)圖1。

圖1 降黏劑紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of viscosity reducer

由圖1 可見(jiàn)，在1539、1448cm－1處為腐殖酸和木質(zhì)素分子中苯環(huán)結(jié)構(gòu)的拉伸振動(dòng)吸收峰，3481cm－1處為-OH 的拉伸振動(dòng)吸收峰，2939cm－1處為聚合物分子骨架上C-H 的拉伸振動(dòng)吸收峰，1658cm－1處的強(qiáng)吸收峰為酰胺基的拉伸振動(dòng)峰，1050cm－1處為-O-Si 的吸收峰。FT-IR 光譜在1440~1350cm－1的位移范圍內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的-COOH 吸收峰，表明AA 已經(jīng)與MEA 發(fā)生了反應(yīng)。上述分析表明，腐殖酸、木質(zhì)素與多功能單體進(jìn)行了接枝聚合。

2.1.2 熱重及分子量分析 通過(guò)熱重分析儀分析降黏劑分子抗高溫穩(wěn)定性，熱失重曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 降黏劑熱穩(wěn)定性分析Fig.2 Thermal stability analysis of viscosity reducer

從圖2 可見(jiàn)，測(cè)試溫度低于300℃時(shí)，降黏劑分子的質(zhì)量保留率為90%，其質(zhì)量損失小，其原因?yàn)榻叼┓肿又械挠H水基團(tuán)吸附的自由水揮發(fā)所導(dǎo)致，降黏劑分子中的功能性基團(tuán)受溫度的影響較?。粶y(cè)試溫度高于300℃時(shí)，降黏劑分子中的功能性基團(tuán)以及腐殖酸和木質(zhì)素骨架出現(xiàn)斷裂與分解。基于以上分析，在300℃以下，降黏劑分子的主要官能團(tuán)相對(duì)穩(wěn)定。此外，采用凝膠滲透色譜法（GPC）測(cè)定了降黏劑JN-1 的分子量。GPC 測(cè)試結(jié)果表明，降黏劑JN-1 的分子量約為8.42×103g·mol-1。

2.2 降黏劑在基漿中性能評(píng)價(jià)

將3%降黏劑JN-1 分別加入到淡水基漿配方和鹽水基漿配方中，在不同熱滾溫度（160℃和180℃）下熱滾16 h，熱滾后通過(guò)六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在50℃下測(cè)試基漿的流變性能，評(píng)價(jià)降黏劑JN-1 對(duì)基漿黏度的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 降黏劑在基漿中的降黏性能Tab.1 Viscosity reducing ability of viscosity reducer in the base slurry

由表1 可見(jiàn)，對(duì)比淡水基漿而言，鹽水基漿熱滾后的表觀黏度有所下降，表明NaCl 對(duì)黏土水化分散表現(xiàn)出一定的抑制作用，不同熱滾溫度對(duì)基漿的表觀黏度影響較?。患尤?%降黏劑JN-1 后，兩種基漿的表觀黏度均下降明顯，說(shuō)明降黏劑JN-1 在兩種基漿中具表現(xiàn)出優(yōu)異的降黏性能，由于降黏劑JN-1 是一種低分子量聚合物，本身不會(huì)對(duì)基漿黏度產(chǎn)生增黏效果，其分子中還有大量的吸附基團(tuán)和水化基團(tuán)，能有效地吸附于黏土表面，增強(qiáng)黏土顆粒表面的水化膜厚度與靜電斥力，使黏土顆粒處于良好的分散狀態(tài)，降低黏土之間形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，達(dá)到降黏效果[12-13]。此外，降黏劑JN-1 具有良好的抗溫性能，其降黏效果受熱滾溫度的影響較小。

2.3 降黏劑在高密度鉆井液中性能評(píng)價(jià)

2.3.1 不同加量下降黏劑對(duì)鉆井液的影響 在上述高密度水基鉆井液體系中加入不同含量的降黏劑JN-1，在溫度為180℃下熱滾16h，熱滾后通過(guò)六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在50℃下測(cè)試高密度水基鉆井液體系的流變性能以及通過(guò)高溫高壓濾失儀測(cè)試高密度水基鉆井液體系的高溫高壓濾失量（FL(HTHP)），評(píng)價(jià)降黏劑JN-1 對(duì)高密度水基鉆井液體系的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 降黏劑對(duì)鉆井液性能的影響Tab.2 Effect of viscosity reducer on drilling fluid

由表2 可見(jiàn)，隨著高密度鉆井液中降黏劑JN-1的含量增大，高密度鉆井液的黏度逐漸降低，降黏劑分子能有效地吸附于黏土顆粒和重晶石表面，降低固相顆粒間的摩擦作用，使高密度鉆井液具有良好的流變性能，避免鉆井液在井底下當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）波動(dòng)太大，有利于鉆井安全；另外，降黏劑JN-1 加入使高密度鉆井液的高溫高壓濾失量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明降黏劑JN-1 與高密度鉆井液具有良好的配伍性。

2.3.2 不同溫度下降黏劑對(duì)鉆井液的影響 含有3%降黏劑JN-1 的上述高密度水基鉆井液體系在不同溫度（170、180、190℃）下熱滾16h，熱滾后測(cè)試其性能，評(píng)價(jià)降黏劑JN-1 在高密度水基鉆井液體系中的抗高溫性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 降黏劑在鉆井液中的抗溫性能評(píng)價(jià)Tab.3 Temperature resistance of drilling fluid with viscosity reducer

由表3 可見(jiàn)，隨著熱滾溫度的升高，高密度鉆井液的黏度和高溫高壓濾失量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)熱滾溫度為190℃，高密度鉆井液仍具有良好的流變性能，表明降黏劑JN-1 在190℃下仍具有良好的降黏效果。

3 結(jié)論

（1）基于縮聚反應(yīng)和水溶液自由基聚合反應(yīng)，本文以木質(zhì)素、腐殖酸天然植物聚合物與水溶性多功能聚合物單體作為原料制備了抗高溫非磺化降黏劑，在鹽水基漿和淡水基漿中均表現(xiàn)出優(yōu)異的降黏效果，能有效地吸附于黏土表面，使黏土顆粒處于良好的分散狀態(tài)，降低黏土之間形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，達(dá)到降黏效果；

（2）降黏劑JN-1 應(yīng)用于高密度鉆井液中，降低了固相顆粒間的摩擦作用，使高密度鉆井液具有良好的流變性能，且表現(xiàn)出良好的抗高溫性能，避免鉆井液在井底下當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）波動(dòng)太大，有利于鉆井安全。