一种用作钻井液增黏剂的反相微乳液的性能研究

以丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAM）为单体,采用反相微乳液聚合合成了微乳液型钻井液增黏剂AM/AA/AMPS/DMAM。该增黏剂直接以微乳液的形式加入到钻井液体系中,当加量达到0.6%时（30℃）,钻井液的表观黏度（AV）、塑性黏度（PV）、动切力（YP）和滤失量（FL）分别为26.5 mPa·s、16.0 mPa·s、10.5 Pa和14.2 mL。随热滚温度的升高,含1.0%增黏剂钻井液的AV、PV、YP均呈下降趋势,FL增大,但在150℃内的变化较小,耐温性较好。含2.0%增黏剂钻井液抗NaCl侵可达饱和,抗CaCl₂侵可达0.6%。该反相微乳液增黏剂与常规的钻井液增黏剂80A-51相比,其耐温抗盐性能有了较大幅度的提高。图1表6参6     

控流管路中降滤失剂的合成与性能研究

针对高压喷射钻井时,传统阴离子降滤失剂不能克服水眼黏度的问题,以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）和丙烯酸钾（AA）为原料,在控流管路中共聚得到钻井液降滤失剂AMPS/AM/AA,确定AM与AMPS、AA与AMPS之间的最优投料比为7:6:1,总单体浓度为17%。考察了共聚物在淡水钻井液、盐水钻井液和饱和盐水钻井液中的降滤失及流变性能。结果表明:在控流管路中合成的聚合物黏度低于同条件下釜式反应中合成的,解决了传统阴离子降滤失剂使水眼黏度过高的问题;AMPS/AM/AA能使高矿化度水基钻井液的滤失量降低94%,在淡水基浆、盐水基浆和饱和盐水基浆中,共聚物均表现出较强的降滤失性能和较弱的增黏性能;热稳定性分析及高温老化评价表明,AMPS/AM/AA可抗330℃的高温,满足现场对高温钻井液的要求。      

超高温低黏聚合物降滤失剂的研制及作用机理

针对深井、超深井中钻井液降滤失剂存在抗温、抗盐能力不足,对钻井液流变性影响大等难题。以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAm）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）为共聚单体,2,2-偶氮二（2-甲基丙基咪）二盐酸盐（AIBA）为链引发剂,通过使用链转移剂,制备了一种抗温达230℃,抗盐达20%的低分子量聚合物降滤失剂PANAD。采用正交实验法优化得到了降滤失剂的最优合成条件:单体物质的量之比DMAm:AMPS:DMDAAC:NVP=7:2:2.5:1,反应温度为65℃,引发剂加量为0.7%;利用一点法测得降滤失剂的特性黏数为58 mL/g。采用傅立叶红外光谱（FT-IR）和热重分析表征了其分子结构和热稳定性,结果表明,PANAD分子链热裂解温度高于314℃,具有良好热稳定性能。降滤失剂在水基钻井液中的滤失性能评价结果表明,PANAD抗温达230℃、降滤失性能优良,在加量为1%时,老化后淡水浆、20%盐水浆的中压滤失量分别为8.9、22.5 mL,淡水浆在180℃下高压滤失量为35.6 mL,优于国外同类产品Driscal D;在230℃老化前后,降滤失剂对钻井液流变性影响小,高温稳定性优良。最后,通过Zeta电位、吸附试验和SEM等测试分析了PANAD的降滤失机理。      

抗高温高钙梳型降滤失剂的制备与应用

选择几种不同的单体,按照一定配比,优选最佳方案合成梳型聚合物降滤失剂WA-1,并通过对比实验对其进行性能评价。选用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）为单体,合成质量配比AMPS∶DMDAAC∶NVP∶DMAA=5∶3∶1∶1,总单体浓度19.8%,加0.2%过硫酸钾作为引发剂,反应温度为60 ℃,反应时间共5 h,pH值为7。性能评价结果表明,WA-1可抗温180 ℃,具有良好的流变性和降滤失性,抗钙性能良好;含2%CaCl₂的基浆中加2%WA-1,在180 ℃老化16 h后,中压滤失量为11.2 mL,降滤失效果优于线性聚合物。对WA-1进行红外光谱表征、热重量分析、钻井液Zeta电位和粒径分布分析,结果表明,WA-1作为梳型聚合物降滤失剂,能够抗高温高钙,提高钻井液的稳定性,具备独特的性能优势。      

抗高温抗盐降滤失剂 HRF的研制及应用

为改善目前深井、 超深井钻井过程中高温、 高压条件下水基钻井液的高温稳定性和高温高压滤失性, 优选了聚合单体 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 （AMPS）、 丙烯酰胺 （AM）、 丙烯酸 （AA）、 N-乙烯基吡咯烷酮 （NVP） 和二烯丙基二甲基氯化铵（DMDAAC）, 利用氧化-还原引发体系进行水溶液聚合, 合成了一种抗高温抗盐降滤失剂HRF。通过测试降滤失性能确定最佳的合成条件为： AMPS、 AM、 AA、 NVP、 :DMDAAC摩尔比 35∶35∶10∶10∶10,引发剂加量 0.15%, 反应温度 50℃, 单体质量分数 30%。降滤失剂 HRF抗温最高达 230℃, 抗盐至饱和, 抗 CaCl₂/MgCl₂可达 2%, 性能优于国外公司同类产品 Driscal D和 Dristemp。降滤失剂 HRF成功在元坝 10-1H井进行了现场应用, 有效控制了井浆的 HTHP失水, 提高了井浆整体的抗温性能, 改善了井浆的流变性, 防止了高温减稠情况的发生, 取得了良好的应用效果。图6表6参12     

新型抗高温抗盐钻井液增黏剂PADA的制备与性能

以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N, N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)和丙烯腈(AN)为共聚单体,失水山梨醇单油酸酯(Span80)和聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯(Tween80)为复配乳化剂,白油为油相,NaHSO₃ 和(NH₄)₂S₂O₈为氧化还原引发剂,通过正交试验,反相微乳液聚合法制备了增黏剂AMPS-DMAM-AN三元共聚物(PADA)。利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和热重分析(TGA)研究了PADA的结构和热稳定性,评价了PADA在钻井液中的增黏、降滤失性能。结果表明,增黏剂PADA具有良好的热稳定性,能有效提高淡水钻井液和饱和盐水钻井液的黏度,并降低滤失量,高温老化前后各参数变化不大,抗高温抗盐性能优异。因此,该增黏剂有望在高温地层、盐膏地层的深井钻探中得到应用。     

基于季戊四醇的超支化降滤失剂的合成及性能评价

针对现有的降滤失剂在使用过程中存在对钻井液流变性影响大、抗温和抗盐能力不足的问题,以季戊四醇为核心结构的多烯基单体四烯丙基醚（PPTE）,与2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、丙烯酰胺（AM）为原料,通过自由基聚合反应合成一种基于季戊四醇的超支化降滤失剂PPAAN-1。在正交实验的基础上,进一步考虑四烯丙基醚加量对降滤失剂的表观黏度的影响,最终确认了降滤失剂PPAAN-1的最佳合成条件:PPTE加量为17%、AMPS∶AM∶NVP=2∶6∶1、反应温度为55 ℃、引发剂（AIBN）为0.2%。在室内评价其降滤失效果、流变性能、热稳定性能以及其对滤饼质量的影响。实验结果表明,与国外降滤失剂Driscal D和DrisTemp相比,降滤失剂PPAAN-1对钻井液流变性能影响小,同时拥有良好的热稳定性能以及降滤失效果,其热降解温度高达302.29 ℃,在30%氯化钠盐水浆（1%PPAAN-1）中的API滤失量（220 ℃老化后）为9.8 mL、高温高压滤失量（150 ℃）为18.5 mL;在高温高矿化度的条件下降滤失剂PPAAN-1可形成网状结构,并吸附在黏土表面,提高钻井液中黏土颗粒粒径的分布范围,从而形成致密的泥饼,以达到降滤失的目的。      

水基钻井液用抗高温降滤失剂的合成与性能评价

钻井液用降滤失剂在高温、盐水等复杂环境下失效是深井、超深井钻探开发过程中遇到的突出问题。采用丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为原料,合成了水基钻井液用抗高温降滤失剂JLS200,并对其进行了红外光谱和热重分析,评价了其在钻井液中的性能。结果表明,所合成的抗高温降滤失剂热稳定性好,抗温达200℃,抗盐至饱和;在KCl钻井液中具有良好的配伍性,滤失量低、流变性好,加入1% JLS200后,200℃老化后的API滤失量由12 mL降至3.2 mL,高温高压滤失量由54 mL降至15 mL,高温老化前后钻井液黏度和切力变化不大。该钻井液用降滤失剂具有较好的应用前景。      

钻井液用抗高温聚合物增黏剂的制备与性能评价

针对当前钻井液增黏剂耐温抗盐性能较差,无法满足深部高温储层钻探要求的问题,以2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)为单体,利用自由基共聚法制备了耐温抗盐聚合物增黏剂ANAD。采用正交实验法优化ANAD的合成条件,采用红外光谱仪、核磁共振波谱仪等表征ANAD的分子结构,采用热重分析仪测定ANAD分子链的热稳定性,评价了ANAD在基浆中的耐温抗盐性能,分析了ANAD的增黏机理。结果表明,在引发剂2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐(AIBI)加量0.5%、单体摩尔比n(AMPS)∶n(NVP)∶n(AM)∶n(DMAM)=37.70∶31.10∶31.10∶0.10、反应温度55℃的条件下制备的ANAD抗温性能优良,分子链初始分解温度为328℃,在淡水基浆和15%盐水基浆中的抗温能力分别为230℃和180℃。ANAD的抗剪切性能良好。ANAD具有大分子侧链、刚性基团及极性基团磺酸基团,其抗温、抗盐、增黏和抗剪切性能均优于国内常用增黏剂80A51。图10表4参20     

耐温抗盐聚合物降滤失剂的合成与评价

以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、衣康酸(IA)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为单体,过硫酸铵和亚硫酸氢钠为引发剂,采用水溶液聚合的方法制备了一种抗温抗盐聚合物降滤失剂;考察了单体质量配比、引发剂用量、溶液p H、单体用量和反应温度对合成的降滤失剂性能的影响;测定了降滤失剂的相对分子质量,对其进行了红外光谱分析和热重分析,考察了降滤失剂对基浆性能的影响。实验结果表明,合成水溶液聚合降滤失剂适宜的条件为:AM,AMPS,IA,DMDAAC,NVP的质量比为4.8∶2.5∶1.2∶0.5∶1.0,引发剂用量为单体水溶液总质量的0.5%,p H为6,单体用量为单体水溶液总质量的25%,反应温度为60℃;此条件下得降滤失剂的黏均相对分子质量为12×104;降滤失剂在饱和盐水基浆中的加量为3%时,滤失量降至4.4 m L,180℃下老化24 h后滤失量为8 m L。     

抗高温弱凝胶提黏切剂WG-1的合成及评价

针对高温深井及特殊工艺井对钻井液的要求,采用反相乳液聚合方法研制了抗高温弱凝胶提黏切剂WG-1,考察了影响产品性能的关键因素,确定了最佳合成条件。由红外光谱图和扫描电子显微镜SEM可以看出,WG-1中含有AMPS、DMAM和NVP等基团,呈球状,粒径为0.1~1.8 μm;浓度为1.0%的弱凝胶提黏切剂分散液经200℃老化16 h后,动塑比为0.47 Pa/mPa·s,满足200℃下的提黏度、切力要求;经170℃连续老化72 h后,表观黏度、动切力保持率较好,分别为60%和37%,能满足170℃下高温稳定性要求;且在淡水、饱和盐水钻井液中均具有较好的提黏度、切力能力和降滤失效果,170℃高温老化后,WG-1加量从0.5%增加到1.0%,淡水钻井液API滤失量由9.6 mL降低至4.8 mL;WG-1加量从1.0%增加到1.5%,饱和盐水钻井液API滤失量由8.8 mL降低至3.2 mL,说明研制的提黏切剂能够封堵微裂缝,改善滤饼质量,降低钻井液滤失量。      

抗高温超分子降滤失剂的合成及性能评价

针对深井、超深井高温钻井过程中钻井液处理剂耐温能力不足、滤失造壁性能差等问题,以超分子聚合物的聚合理论为基础,以AMPS、AM与N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）为单体,合成了一种三元共聚物降滤失剂。通过优化实验确定了最佳合成条件:单体物质的量比AM︰AMPS︰NVP=6︰3︰1,引发剂含量为0.2%,单体总含量为15%,反应温度为50℃,反应时间为4 h。采用红外、热重、TEM对合成产物进行了结构分析,结果表明合成的超分子降滤失剂是由具有特殊功能基团的单体通过自由基聚合而成的,侧链的功能基团通过氢键、亲疏水性、离子键等协同作用形成空间的有序网络结构。这种非共价键的网络结构外界条件变化时,能够迅速改变结构以适应外界条件的变化。此外,分子间强的分子间作用力使超分子降滤失剂具有快速适应环境变化的能力,表现出好的抗温、抗盐和抗钙性。在4%淡水基浆中考察了合成降滤失剂的降滤失性能,合成降滤失剂的抗温性明显优于PAC-LV,抗温高达180℃。      

反相乳液聚合法制备改性淀粉降滤失剂及其性能

为克服水溶液自由基聚合制备改性淀粉降滤失剂存在的凝胶化问题,遵循钻井液抗高温处理剂的设计思路,采用反相乳液聚合法将淀粉与含有酰胺基/磺酸基/苯环的3种单体AM、AMPS、NVP进行接枝共聚,合成了一种新型高温抗盐抗钙降滤失剂ESt-g-NAA。首先,采用正交实验确定了反相乳液聚合的最优合成条件为:反应温度为60℃,单体物质的量比为n_NVP:n_AM:n_AMPS=1∶2∶3,亲水亲油平衡值为5。其次,对ESt-g-NAA在3%膨润土基浆中的抗高温、抗盐和抗钙降滤失效果进行了评价,结果显示:100～180℃老化16 h后,含3% ESt-g-NAA钻井液的滤失量可控制在7.6～15.2mL之间,且ESt-g-NAA钻井液的高温滤失量始终低于相同加量的水溶液聚合产物WSt-g-NAA。ESt-g-NAA显示了极强的抗盐和抗钙能力,在150℃老化16 h的饱和盐水钻井液中,滤失量仅为5 mL;含（0.5%～20%）CaCl₂的钻井液在150℃老化后滤失量控制在5.0～15.5 mL,170℃老化后可抗钙10%,但180℃老化后抗钙性能大大降低。最后,通过分析ESt-g-NAA对基浆中黏土粒度分布的影响,以及泥饼的显微观察,揭示了ESt-g-NAA的控制滤失机理。      

反相乳液聚合法合成凝胶微球及其封堵性能评价

以丙烯酰胺（AM）和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）为原料,用反相乳液聚合法合成了凝胶微球（OBMG）。并采用红外光谱（FTIR）、核磁共振氢谱（1HNMR）对其结构进行了表征。详细考察了反相乳液体系中复合乳化剂的HLB值、油水比、单体物质的量比、单体总浓度、交联剂浓度对封堵效果的影响。结果表明,合成OBMG的最佳条件为：复合乳化剂的HLB值为5.0、油水比为0.64∶1、交联剂浓度为单体总质量的0.07%,单体总浓度为30%。在此条件下产物的单位压差漏失量降低率最大为80%。同时研究了凝胶微球加量对油基钻井液封堵性、电稳定性和表观黏度的影响。实验结果表明,凝胶微球加量为2%～3%时,钻井液的封堵效果最佳,说明其有利于提高乳液的稳定性。在油基钻井液中,OBMG封堵效果优于改性沥青和树脂微球。     

反相乳液聚合法合成凝胶微球及其封堵性能评价

以丙烯酰胺（AM）和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）为原料,用反相乳液聚合法合成了凝胶微球（OBMG）。并采用红外光谱（FTIR）、核磁共振氢谱（1HNMR）对其结构进行了表征。详细考察了反相乳液体系中复合乳化剂的HLB值、油水比、单体物质的量比、单体总浓度、交联剂浓度对封堵效果的影响。结果表明,合成OBMG的最佳条件为:复合乳化剂的HLB值为5.0、油水比为0.64∶1、交联剂浓度为单体总质量的0.07%,单体总浓度为30%。在此条件下产物的单位压差漏失量降低率最大为80%。同时研究了凝胶微球加量对油基钻井液封堵性、电稳定性和表观黏度的影响。实验结果表明,凝胶微球加量为2%～3%时,钻井液的封堵效果最佳,说明其有利于提高乳液的稳定性。在油基钻井液中,OBMG封堵效果优于改性沥青和树脂微球。      

抗高温有机硅共聚物降滤失剂的合成与性能

以内烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和含双键的有机硅为单体,以过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂,通过自由基聚合制备了有机硅共聚物。以有机硅共聚物质量分数为0.5%的淡水钻井液的滤失量为依据,通过正交实验优化了有机硅共聚物的合成条件:n(AM):n(AMPS):n(NVP)=3:1:1,有机硅单体摩尔分数2.0%(基于AM,AMPS,NVP的总物质的量),BPO的质量分数0.4%～0.6%(基于AM,AMPS,NVP的总质量),聚合温度80℃。用FTIR手段表征有机硅共聚物的结构。实验结果表明,含有机硅共聚物的淡水钻井液、NaCl质量分数为4.0%的盐水钻井液及饱和盐水钻井液均具有较好的降滤失性能和较强的抗温性能。     

疏水缔合AM／AMPS／MJ-18三元共聚物的合成

采用反相乳液聚合法,以丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、十八烷基二甲基烯丙基氯化铰（MJ-18）为原料,合成了疏水缔合AM／AMPS／MJ-18三元共聚物,考察了反应条件对乳液稳定性、单体转化率、共聚物特性粘数及抗盐性的影响。确定了最佳合成条件：反应温度25℃,过硫酸铵／亚硫酸氢钠引发剂加量（以水相质量计）0．15％,Span-80／Tween-80复配乳化剂加量（以油相质量计）6％,油水体积比1：1,体系pH值7～9,单体总加量（以水相质量计）50％,其中疏水单体MJ-18含量0．6％。