两性离子聚合物降滤失剂PADMS的制备与室内性能评价

本文从抗高温抗盐钙钻井液降滤失剂性能要求出发,基于分子结构优化设计,以AM、AMPS、DMDAAC和NVP为反应单体进行四元共聚,合成了两性离子共聚物降滤失剂PADMS。通过FITR分析验证了分子结构设计的可行性,实验证明PADMS具有一定抗高温、抗盐钙降解能力,与黏土颗粒的吸附能力强于现有的磺化酚醛树脂类降滤失剂SMP-II和SMP-III。在淡水基浆中加入2.0% PADMS时,表观黏度和塑性黏度分别由加入前的10.5 mPa·s 和5.0 mPa·s增至35.0 mPa·s和28.0 mPa·s,API滤失量由28.0 mL降至6.0 mL;200℃老化16 h后的表观黏度和塑性黏度分别为17.5 mPa·s和15.0 mPa·s,API滤失量由48.6 mL降为15.6 mL。PADMS加量为2.0%时,复合盐水基浆表观黏度、塑性黏度从加入前的3.0 mPa·s、1.5 mPa·s分别增至的19.5 mPa·s 和15.0 mPa·s。在200℃下老化16 h后,复合盐水基浆黏度亦随PADMS加量的增加而增大,但上升趋势明显不及老化前的基浆。随PADMS加量的增大,API滤失量逐渐减小,当PADMS加量为2%时,老化前的API滤失量由加入前的88.0 mL降至8.2 mL;老化后API滤失量由168.0 mL降至54.6 mL,HTHP滤失量由全滤失降为86.4。     

抗高温改性淀粉降滤失剂的制备与性能

针对改性淀粉降滤失剂抗温能力不足的问题,从提高分子刚性的角度出发,以丙烯酰胺（AM）、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）、2,5-二羟基苯磺酸钾（PDHBS）为单体,辣根过氧化物酶（HRP）为催化剂,采用酶促反应方法,合成出一种改性淀粉降滤失剂St-AANDP,基于相同反应条件合成未含苯环结构的对比改性淀粉降滤失剂St-AAND。对降滤失性能进行测试,结果表明,140℃下老化16.0 h后,加量为1.0%的St-AANDP钻井液的常温中压滤失量仅为5.2 mL,高温高压滤失量为26.2 mL ;当老化温度高于160℃时,St-AANDP钻井液的滤失量才出现明显增大,抗盐可达饱和,降滤失性能明显优于St-AAND钻井液。通过吸附量和泥饼微观形貌测试,揭示了可通过向分子主链中引入苯环提高分子刚性的方式来提高降滤失剂抗温能力的作用机理。     

基于聚合物微球的复合降滤失剂的制备与性能评价

为制备耐温抗盐性能优良的钻井液降滤失剂,以丙烯酰胺、丙烯酸和多功能团丙烯酸酯为主要原料制备了聚合物微球(PMS),以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N-乙烯基吡咯烷酮为主要原料制备了线性聚合物(PAAN),采用PMS与PAAN复合的方法制备了聚合物微球复合钻井液降滤失剂(CLS)。采用热重分析、扫描电镜、Zeta电位分析和钻井液性能测试等方法评价了CLS的性能。结果表明,由PMS和PAAN复合而成的降滤失剂CLS组分间具有协同效应,降滤失作用好于任一单一组分。CLS对钻井液流变性的影响小,降滤失效果优良。对于膨润土含量为4%的钻井液,CLS加量在0～1%范围内变化时表观黏度变化幅度在±2.0 mPa·s以内,加量为0.6%时钻井液滤失量可降至6.0 mL。CLS起始分解温度为276℃,组成为4%膨润土+1.2%CLS的钻井液经180℃老化16 h后的滤失量保持在9.0 mL;在加入6%的NaCl后滤失量仅由5.5 mL增至7.0 mL,表现出优异的耐温抗盐性能。图4表6参11     

抗高温改性淀粉降滤失剂的制备与性能

针对改性淀粉降滤失剂抗温能力不足的问题,从提高分子刚性的角度出发,以丙烯酰胺（AM）、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）、2,5-二羟基苯磺酸钾（PDHBS）为单体,辣根过氧化物酶（HRP）为催化剂,采用酶促反应方法,合成出一种改性淀粉降滤失剂St-AANDP,基于相同反应条件合成未含苯环结构的对比改性淀粉降滤失剂St-AAND。对降滤失性能进行测试,结果表明,140℃下老化16.0 h后,加量为1.0%的St-AANDP钻井液的常温中压滤失量仅为5.2 mL,高温高压滤失量为26.2 mL ;当老化温度高于160℃时,St-AANDP钻井液的滤失量才出现明显增大,抗盐可达饱和,降滤失性能明显优于St-AAND钻井液。通过吸附量和泥饼微观形貌测试,揭示了可通过向分子主链中引入苯环提高分子刚性的方式来提高降滤失剂抗温能力的作用机理。      

爆聚法合成抗高温抗盐水基降滤失剂及性能评价

为了克服水相聚合法产物含量低、烘干过程分子量易增大和高能耗等问题,通过爆聚法利用单体苯乙烯磺酸钠和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸分别与丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵合成制备了抗高温抗盐降滤失剂WS-1和WS-2。借助红外光谱（FT-IR）和热重分析（TGA）,表征了降滤失剂的分子结构和热稳定性,并且进行了降滤失剂在高温高盐水基钻井液中的流变性和高温高压滤失性能的影响实验。结果表明,具有刚性苯乙烯磺酸钠分子链段的降滤失剂WS-2具有良好的高温稳定性,热分解温度为310℃,降滤失剂WS-2在220℃饱和盐水基钻井液中高温高压滤失量为7.6 mL;具有大分子支链2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸链段的降滤失剂WS-1热分解温度为270℃,200℃饱和盐水基钻井液中高温高压滤失量为1.6 mL;利用爆聚法合成的降滤失剂WS-1和WS-2均具有良好的抗温抗盐性能。      

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。      

低黏度效应聚合物降滤失剂的合成与性能评价

为降低降滤失剂对钻井液黏度的影响,采用丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、烯丙基聚乙二醇为主要单体,合成了聚合物降滤失剂GZ-1,用红外光谱对GZ-1 的结构进行了表征,研究了GZ-1 对钻井液流变性能和滤失性能的影响,通过环境扫描电镜分析了GZ-1 对钻井液滤饼微观形貌的影响。结果表明,合成的GZ-1 含有设计的官能团,黏均分子量适中（22.9 万）,1.6% GZ-1 水溶液的黏度仅为7 mPa·s;随着GZ-1 浓度增加,聚合物钻井液的滤失量逐渐降低,钻井液的表观黏度（AV）和塑性黏度（PV）小幅增加,基浆在加入1.6%GZ-1 后的AV 和PV 增幅分别为1.7 和1.5 倍,180℃老化16 h 后的增幅分别为1.1 和2.7 倍;加入重晶石提高聚合物钻井液密度时未出现黏度激增现象;GZ-1 可使钻井液滤饼更为致密,有效抑制黏土颗粒的聚结作用。GZ-1 可抗180℃高温,增黏作用小于常用降滤失剂JT888和SY-3,对钻井液黏度的影响较小。图6 表4 参14     

耐温耐盐淀粉类降滤失剂的改性研究与性能评价

以淀粉（St）为基体,通过引入丙烯酰胺(AM)、2- 丙烯酰胺-2- 甲基丙磺酸（AMPS）,合成了St/AM/AMPS 接枝共聚物,并通过正交实验对其合成条件进行了优化,然后在此基础上引入阳离子单体丙烯酰氧基三甲基氯化铵（DAC）,合成出了一种环保性能好的抗高温抗盐两性离子降滤失剂。通过红外光谱对其结构进行了表征,考察了其降滤失效果并分析了其作用机理。结果表明,加有1% 该两性离子改性淀粉降滤失剂的淡水钻井液在150 ℃老化前后的滤失量分别为7.9 mL 和10.9 mL,在160 ℃老化后的滤失量为12 mL;盐水钻井液老化前后的降滤失效果比较好,但是饱和盐水钻井液老化前后的降滤失效果有待改善;180 ℃、3.5 MPa 下的高温高压滤失量为22 mL ;具有较好的抗盐性和抗高温稳定性。      

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。      

基于改性植物多酚的高温高密度环保型水基钻井液

为提高环保型水基钻井液的耐温性能和密度上限,通过对天然多酚类植物提取物进行接枝改性,分别研制了降滤失剂EHT-FL和分散剂EHT-TH,并利用红外光谱对2种合成产物进行了表征。室内性能评价结果表明,降滤失剂EHT-FL和分散剂EHT-TH均具有良好的抗高温性能,且EC₅₀分别达2.38×105 mg/L和4.49×105 mg/L,无生物毒性;EHT-FL加量为2.0%时,淡水基浆在200℃老化后的中压滤失量和高温高压滤失量分别为7.2 mL和23.6 mL;EHT-TH加量为1.0%时,高密度水基钻井液（ρ=2.0 g/cm3）在200℃老化后的表观黏度由106.5 mPa·s降低至66.5 mPa·s,高温增稠现象消失。在降滤失剂EHT-FL和分散剂EHT-TH的基础上,配伍其他环境友好型处理剂,研制出一套抗高温高密度（ρ=2.0 g/cm3）环保型水基钻井液体系。该体系具有合理的流变与滤失性能,抗温达210℃,抗盐侵25%,抗钙侵1%,抗劣质土侵10%,EC₅₀为4.19×104 mg/L,BOD₅/COD_Cr为29.23,重金属含量低于标准值,对环境友好,能满足深井复杂地层钻井的需求。      

莺琼盆地抗高温高密度水基钻井液

莺琼盆地地温梯度高,压力系数大,安全密度窗口窄,抗高温高密度钻井液技术是其高温高压地层钻井面临的主要技术难题之一。对该区块现用水基钻井液进行性能分析,通过对钻井液性能进行优化,构建了莺琼盆地高温高压段水基钻井液。该钻井液体系在200℃热滚16 h后的黏度为39 mPa·s,动切力为7 Pa,高温高压（200℃、3 MPa）沉降因子为0.512,高温高压滤失量为8.6 mL,高温高压砂床滤失量为14.4 mL,在4 MPa被CO₂污染后黏度为43 mPa·s,动切力为9 Pa,API滤失量为4.5 mL,高温高压滤失量为13.6 mL。研究结果表明,该体系的流变性、沉降稳定性、高温高压滤失性、封堵性及抗酸性气体CO₂污染性能均优于莺琼盆地现有高温高压段水基钻井液体系。      

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。      

含离子液体链段抗高温高钙降滤失剂

深井超深井钻进过程中时常出现高温高钙恶劣环境,为了解决由此引发的滤失量过大问题,利用具有抗高温性能的离子液体1-乙烯基-3-乙基咪唑溴盐（VeiBr）、抗钙性能的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）与丙烯酰胺（AM）进行三元共聚,得到了抗高温抗高钙降滤失剂PASV。并对制备PASV的各单体加量进行了优化,最终确定在单体质量比为VeiBr:AM:AMPS=0.53:1:2时,聚合物表现出最佳降滤失行为。室内评价结果表明,PASV抗高温性能优异,初始分解温度达290℃,可满足大多数钻井需要;当钙离子浓度为40 000 mg/L时,加入2% PASV可使基浆在150℃老化前后滤失量分别降为5.2 mL与8.6 mL,显示出良好的抗高钙降滤失效果。机理分析表明,PASV通过牢固的离子键与氢键有效吸附在黏土颗粒上,并能屏蔽Ca2+对黏土的电性中和与絮凝作用,促进黏土颗粒的分散,改善滤饼质量,从而形成致密的滤饼,降低滤失量。      

水基钻井液用低增黏提切剂的合成与性能评价

为了实现在调控钻井液黏度的情况下获得良好的携岩能力,以丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）、甲基丙烯酰氧乙基-N,N-二甲基丙磺酸（DMAPS）和十六烷基疏水单体（C₁₆-D）为原料,采用自由基聚合法,制备了一种新型的两性疏水缔合聚合物（PAADDC）。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（1H NMR）表征了PAADDC的分子结构,采用静态光散射（SLS）测定了聚合物的分子量,并对其流变性能进行了评价。结果表明,100℃老化16 h,加量为0.2% PAADDC的钻井液的表观黏度、塑性黏度、动切力和动塑比分别为18.5 mPa·s,11.5 mPa·s,7.0 Pa和0.61 Pa/mPa·s,抗温可达160℃。与常规增黏剂相比,PAADDC具有良好的热稳定性和更佳的抑黏增切效果。在60～180℃热老化实验中,动塑比值随PAADDC用量的增加而降低。环境扫描电镜（ESEM）和原子力显微镜（AFM）的观察表明,PAADDC在溶液中形成了连续的三维网状结构,这是其剪切强度显著提高的主要原因。      

水基钻井液用低增黏提切剂的合成与性能评价

为了实现在调控钻井液黏度的情况下获得良好的携岩能力,以丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）、甲基丙烯酰氧乙基-N,N-二甲基丙磺酸（DMAPS）和十六烷基疏水单体（C16-D）为原料,采用自由基聚合法,制备了一种新型的两性疏水缔合聚合物（PAADDC）。采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（1H NMR）表征了PAADDC的分子结构,采用静态光散射（SLS）测定了聚合物的分子量,并对其流变性能进行了评价。结果表明,100℃老化16 h,加量为0.2% PAADDC的钻井液的表观黏度、塑性黏度、动切力和动塑比分别为18.5 mPa·s,11.5 mPa·s,7.0 Pa和0.61 Pa/mPa·s,抗温可达160℃。与常规增黏剂相比,PAADDC具有良好的热稳定性和更佳的抑黏增切效果。在60～180℃热老化实验中,动塑比值随PAADDC用量的增加而降低。环境扫描电镜（ESEM）和原子力显微镜（AFM）的观察表明,PAADDC在溶液中形成了连续的三维网状结构,这是其剪切强度显著提高的主要原因。     

抗高温耐盐钙五元共聚物降滤失剂的合成与性能

针对深部地层钻井过程中遇到的高温、高矿化度等问题,以AM、AMPS、DMDAAC、DMAM、SAS为聚合单体,采用氧化-还原引发体系进行水溶液共聚,合成了一种五元共聚物降滤失剂。通过优化实验确定最佳合成条件,采用红外光谱和热重分析进行表征,并评价其在钻井液基浆中的性能。实验结果表明,合成的五元共聚物抗温达180℃、抗盐至饱和、抗钙达1.25%;五元共聚物加量为2%时,淡水、饱和盐水及含1.25% CaCl₂的基浆经180℃老化16 h后的滤失量分别为6.4、15.6和7.2 mL,均为加2% Driscal的不同基浆滤失量的50%左右。      

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。