鉆井液增黏劑SDA的合成與性能評價

雷鑫宇，陳　爽，王　林，楊世杰，于小榮，李　芹

(1.中國科學院成都有機化學有限公司，成都 610041; 2.中國石油長城鉆探鉆井液公司，遼寧盤錦 124010; 3.中海油田服務股份有限公司油田化學事業部，天津 300452; 4.西南石油大學化學化工學院，成都 610500)

鉆井工程中通常采用添加適量鉆井液增黏劑的方法以提高鉆井液黏度，實現低固相含量下的快速鉆進，從而保證井眼的清潔度[1-2]。目前，現場大量應用的鉆井液增黏劑為FA367，其具有增黏程度高和抑制性強等優良特性，但在高溫、高鹽或高剪切下，增黏效果降低[3]。

本研究以陰離子耐溫抗鹽單體對苯乙烯基苯磺酸(SS)，陽離子耐溫單體二烯丙基二甲基氯化銨(DMDAAC)和非離子單體丙烯酰胺(AM)為原料，采用水溶液聚合法合成鉆井液增黏劑SDA;考察了單體質量比，單體用量，引發劑用量，體系pH，反應溫度和反應時間對其性能的影響。

1　實驗

1.1　儀器與原料

JJ-2型恒速攪拌器，ZNN-D6型六速旋轉黏度計，FA1004型電子天平，HTP型滾子爐。

SS，DMDAAC，AM，均為分析純，成都科龍化工試劑廠；鈉膨潤土、增黏劑FA367，均為工業品，西南石大金牛石油科技有限公司。

1.2　合成方法

向反應瓶中分別加入SS和適量蒸餾水，待溶解后再依次加入DMDAAC和AM，攪拌使其溶解。升溫，緩慢加入一定量的引發劑過硫酸銨，攪拌，回流反應一定時間后得淡黃色黏稠物。用無水乙醇洗滌，75 ℃下烘干得淡黃色粉末，即為增黏劑SDA。

1.3　增黏劑SDA性能評價方法

SDA的性能評價參照標準SY/T 5661—1995《鉆井液用增黏劑80A51》進行?；鶟{配方為：0.24%無水碳酸鈉+4.00%鈉膨潤土，SDA在基漿中加量為0.30%。

2　最佳合成條件的確定

2.1　單體質量比

固定單體用量(質量分數，下同)30%，引發劑過硫酸銨用量0.12%，反應溫度75 ℃，反應時間5 h，合成增黏劑SDA，考察單體質量比對SDA性能的影響，結果見圖1。表1為不同單體質量比對應的代號。

表1　單體質量比對應代號

圖1　單體質量比對SDA性能的影響

由圖1可見，隨著單體SS含量增加，表觀黏度增加，當SS含量為40%～45%時，表觀黏度和動切力值達最大，增黏效果最好。這可能是由于SS含量增加，其帶負電荷的磺酸根離子的靜電排斥作用和苯基的大側基位阻效應，降低了聚合物自由基雙基鏈終止幾率，使SDA的平均相對分子質量增大，宏觀上則表現為鉆井液的表觀黏度和動切力增加。

2.2　單體用量

固定其他條件，按照m(SS)∶m(DMDAAC)∶m(AM)= 4.5∶0.5∶5.0，配制不同單體用量的反應體系，合成增黏劑SDA，考察單體用量對SDA性能的影響，結果見圖2。

圖2　單體用量對SDA性能的影響

由圖2可見，隨著單體用量增加，鉆井液的表觀黏度和動切力增加，當單體用量為30%時，表觀黏度和動切力值達最大。這可能由于，引發劑用量一定時，溶液中單體用量增加，自由基和單體分子間有效碰撞幾率增大，鏈增長速率增快，SDA相對分子質量增大，增黏效果顯著。

2.3　引發劑用量

固定其他條件，單體用量30%，考察引發劑用量對SDA性能的影響，結果見圖3。

圖3　引發劑用量對SDA性能的影響

根據自由基聚合的動力學方程分析，要提高SDA的平均相對分子質量，應盡量減少引發劑用量，但過低的引發劑用量，不足以提供足夠的自由基活性中心，單體轉化率偏低，也影響SDA的相對分子質量。由圖3可見，引發劑用量為0.14%時，鉆井液的表觀黏度和動切力達最大。因此，引發劑用量以0.14%為宜。

2.4　反應溫度

固定其他條件，引發劑用量0.14%，考察反應溫度對SDA性能的影響，結果見圖4。

圖4　反應溫度對SDA性能的影響

本實驗使用的是單引發劑，因此引發劑分解溫度要求較高，溫度較低，單體擴散速率慢，鏈增長不明顯，SDA相對分子質量不大；溫度升高，引發劑的分解速率增大，聚合反應速率增大，SDA相對分子質量增大，但當溫度達一定值后，受單體轉化率限制，SDA相對分子質量變化不明顯，增黏效果變化也不大。從圖4看出，反應溫度以75 ℃為宜。

2.5　反應時間

固定其他條件，反應溫度75 ℃，考察反應時間對SDA性能的影響結果見圖5。

圖5　反應時間對SDA性能的影響

由圖5可見，反應時間太短，SDA相對分子質量較低；反應時間延長，單體轉化率提高，SDA相對分子質量提高，反應時間超過5 h，SDA的增黏效果不明顯。因此，反應時間以5 h為宜。

2.5　體系pH

固定其他條件，用NaOH調節體系pH，反應時間5 h，考察體系pH對SDA性能的影響，結果見圖6。

圖6　體系pH對SDA性能的影響

由圖6可見，體系pH較高時，鏈轉移速度過大，SDA相對分子質量受影響，增黏果較差；體系pH較低時，會伴有支鏈或交聯反應發生。因此，反應體系為中性或弱堿性時，SDA的增黏效果較好。

2.7　增黏劑SDA的耐溫抗鹽性能

用NaOH調節體系pH至7，按照最佳反應條件合成SDA，評價其耐溫抗鹽性能，并與增黏劑FA367比較，結果見表2、表3和表4。

表2　增黏劑耐溫性能比較

表3　增黏劑抗Na+性能比較

表4　增黏劑抗Ca2+性能比較

由表2、表3和表4可見， SDA增黏效果較好，經140 ℃高溫老化后，增黏效果略優于FA367；同時，SDA的抗鹽性能優于FA367。

3　結論

(1)以SS，DMDAAC和AM，采用水溶液聚合法合成了鉆井液增黏劑SDA。

(2)確定了SDA最佳合成條件：m(SS)∶m(DMDAAC)∶m(AM)=4.5∶0.5∶5.0，單體用量30%，引發劑用量0.14%，體系pH 7，反應溫度75 ℃，反應時間5 h，在此條件下，使鉆井液表觀黏度達59 mPa·s，動切力達25 Pa，并具有較FA367更好的耐溫抗鹽性能。

[1]田發國,李建波,高建林,等.鉆井液增粘提切劑YF-01的研制[J].精細石油化工進展,2009,10(3):4-7.

[2]陳大鈞,陳馥,李建波,等.油氣田應用化學[M].北京：石油工業出版社，2006：22-25.

[3]鄢捷年.鉆井液工藝學[M]. 北京：中國石油大學出版社，2001:127-130.