水基成膜钻井液降滤失剂LS-1的制备及性能评价.pdf

牙 罨弗4 划 2 0 1 2年 7月 每 占升披匈兄开披 DRI L LI NG F L UI D C0MP LET 1 0N F L UI D VO1 ． Z O．斗 J ul y 201 2 【 理论研究与应用技术 】 水基成膜钻井液降滤失剂 L S 一 1 的制备及性能评价 郭斐 ， 鲁红升 ， 张太亮 ， 黄志宇 1 ． 西南石油大学化学化工学院，成都 ； 2 ． 辽河油田勘探开发研究院，辽宁盘锦 郭斐等 ． 水基成膜 钻井液降滤失剂 L s 一 1的制备及性能评价 [ J ] ． 钻 井液与完井液 ，2 0 1 2 ，2 9 4 2 0 2 3 ． 摘要 以丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵、2 一 丙烯酰胺基 ． 2 ． 甲基丙磺酸钠和酯类单体为原料，采用 自由基 水溶液聚合方法，以氧化还原体系为引发剂，合成了新型钻井液降滤失剂四元共聚物L S 一 1 ，采用红外光谱法表征 了聚合物的分子结构，并验证了分子结构。室内性能评价结果表明，L S ． 1 在淡水和盐水基浆中均具有较好的降滤 失性，L S 一 1 在淡水基浆中加量为 0 ． 5 ％ 时滤失量为 6 ．8mL，在盐水基浆中加量为 1 ． 5 ％时滤失量为7 ． 4mL，在饱和 盐水浆 中加 量为 2 ． 5 ％ 时滤失量为 7 ． 8 mL； L S 一 1 抗 温达 1 5 0℃。最后通过 电镜扫描 S E M 分析 ，证实 了 L S 一 1能 够形成膜结构，并结合膜结构对 L S 一 1的降滤失机理进行 了探讨。 关键词 成膜降滤失剂 ；四元共聚物 ； 合成 ； 机理研究 中图分 类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 2 0 4 0 0 2 0 ． 0 4 随着钻进地层条件的 日趋复杂 ，目前的天然及 其改性降滤失剂和聚合物降滤失剂已不能满足钻井 需求。特别是在平衡压力钻井的过程中，目前的降 滤失剂不能形成有效 的阻隔层 ，使得部分滤液渗入 地层 ，增大近井眼地带的孔隙压力 ，导致井 眼失稳。 而成膜钻井液降滤失剂可使钻井液具有半透膜的性 能或在井壁上形成一层致密 的隔离膜 ，从而防止地 层水化膨胀，稳定井壁，保护油气层 [ 1 - 5 ] 0以丙烯酰 胺 、二甲基二烯丙基氯化铵 、2 一 丙烯酰胺基 一 2 一甲 基丙磺酸钠 为主要原料 ，加入适量的酯 ，合成 出了 一 种成膜型降滤失剂 ，并在室 内研究了该降滤失剂 的膜结构及其作用机理和由其配制的水基钻井液 的 性能 1 实验 部分 1 ． 1 实验原料 丙烯酰胺，乙酯， NH 4 2 2 0 8 ， Na HS O 3 ， Na O H， 无水乙醇， Na C I 等均为分析纯 ； 二 甲基二烯丙基氯 化铵 和 2 一 丙烯 酰胺基 ． 2 ． 甲基丙磺 酸钠 为工业纯 ， 钙膨润土。 1 ． 2 共聚物的合成 将 3 ． 5 g A MP S溶于适量水中，在冷却条件下用 Na O H 溶于少量水 中 调节 p H值 到碱性 ，然后 加入 6 ．5 g A M，待其溶解后加入 1 ．2 g D MD A A C ， 在搅拌下升温至 5 5℃，加入 2 ． 8 g乙酯 ，再加入引 发剂，搅拌均匀后反应 4 0 6 0 ra i n ，得到凝胶状产 物，用无水乙醇沉淀得到白色沉淀物。然后用无水 乙醇反复洗涤 ，于 1 0 0 ～1 2 0℃下烘干 、粉碎 ，即 得白色粉末状共聚物降滤失剂 L S 一 1 。 2产物结构分 析 为验证合成产物的情况，对样品进行充分提纯 处理后，进行了红外光谱分析，见图 1 。 由图 1 可以看 出 3 4 1 8 ． 6 5 c m 为酰胺基团一 NH的伸缩振 动吸收 峰，1 5 6 2 ． 8 1 c m 是其 变峰 ； 2 9 3 0 ． 3 9 c m 为一C 的伸缩振动吸收峰 ； 2 7 6 9 ． 2 3 c m 为五元环的伸缩振动吸收峰 ； 1 6 5 6 ．0 2 c m 为 一 C O的伸缩振动吸收峰 ； 1 4 5 2 ． 2 2 c m- 为一C H， 一 的弯 曲振 动吸收峰 ；1 1 9 0 ． 5 1 c m 为一s 0 一 的伸 缩振动吸收峰。通过解析说明，共 聚物分子链上存 第一作者简介 郭斐，硕士研究生，1 9 8 7年生，现在主要从事油田化学处理剂的研究工作。地址 辽宁省盘锦市兴隆 台区辽河油田勘探开发研究院 ； 邮政编码 1 2 4 0 0 0； 电话 1 3 8 8 1 7 3 1 3 9 4； E - ma i l f e i t i a n wu 1 9 8 7 1 2 6 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9卷 第 4期 郭 斐等 水基成膜钻井液降滤失剂L S 。 l 的制备及性能评价 2 l 在各单体的官能团，是 4 者的共聚物。 图 1 L S 一 1 的红外谱图 3 LS 一 1的性能评价 3 ． 1 L S 一 1 在不同基浆中的最佳加量 3 ． 1 ． 1 淡水浆 按照 “ s Y／ T 5 6 2 l 一9 3钻井液测试程序” ，在淡 水基浆 中加入不 同量 的 L S ． 1 ，测定淡水基浆的常规 性能 ，结果见表 1 。由表 1 可知 ，随 L S 一 1 加量 的增 加 ，淡水基浆 的表观黏度和塑性黏度、动切力都有 一 定增加 ； 在 L S 一 1 加量大于 0 ． 4 ％ 时 ， 滤失量的减 小趋势变缓。综合流变性和滤失量 2方面因素 ，确 定 L S 一 1 在淡水基浆中的加量不大于 O ． 5 ％。 表 1 L S ． 1 加量对淡水浆的常温性能 的影响 3 ． 1 ． 2 盐水 浆 聚合物在盐水基浆中的降滤失性能和滤饼厚度 见表 2 。由此可 以看 出，L S 一 1 在盐水浆中的最佳加 量为 1 ． 5 ％。 3 ． 1 ． 3 饱和盐水浆 对聚合物在饱 和盐水基浆 中的性能进行测试 ， 结果见 表 3 。由表 3可以看 出，聚合物在饱 和盐水 基浆中仍有较好的降滤失性能。当L S 一 1 加量达到 2 ． 5 ％ 时滤失量趋于稳定 ，超过 2 ． 5 ％后滤失量 降低 幅度很小，因此聚合物在饱和盐水基浆中的最优加 量 为 2 ． 5 ％。 表 2 聚合物 L S ． 1 在盐水基浆中的降滤失能力 L S 一 1 ／ 凡 A P l／ 滤饼厚 L S ． 1 ／ 凡 ／ 滤饼厚 ％ m L 度 ／ mm ％ mL 度 ／ m m O 6 2 ． 0 4 ． 0 1 ． 5 7 ． 4 0 ． 5 0 ． 5 1 4 ． 6 0 ． 7 2 ． 0 7 ． 2 0 ． 5 1 ． 0 8 ． 8 0． 5 表 3 聚合 物 L S ． 1 在饱和盐水基浆中的降滤 失能力 L S ． 1 ／ F L A P l／ 滤饼厚 L s ． 1 ／ F L A P I／ 滤饼厚 ％ mL 度 ／ mm ％ m L 度 ／ mm 0 l 1 6． 0 6． 0 2． 0 8 ． 9 0． 8 1 ． 0 20 ． 6 1 ． 8 2． 5 7 ． 8 O． 5 1 ． 5 1 4 ． 2 1 ． 2 3 ． 0 7 ． 4 0 ． 5 3 ． 2抗盐析 和抗钙析 能力 配制 0 ． 5 ％ 的 L S ． 1 水溶液 ，在饱 和 Na C 1 盐 水 和 5 ％c a c 1 ， 溶 液 中分别 加入不 同量 的蒸馏 水及 1 mL降滤失剂溶液 ，观察溶液是否变浑浊。如果变 浑浊， 说明已经发生盐析或钙析。 结果见表 4 和表 5 。 由表 4和表 5可以看 出，聚合物抗盐析能力可达到 3 2 ． 4 ％，抗钙析能力可达到 4 0 0 0 mg ／ L。 表 4 聚合 物 L S ． 1 的抗盐析实验 表 5 聚合物 L S ． 1 的抗钙析实验 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年 7月 3 ． 3抗温性 在淡水基浆 中加入 O ． 5 ％L S ． 1 ，高速搅拌 2 0 mi n ，在 不 同温 度下 老化 1 6 h ，测 定淡 水 基浆 老 化后 的性能 ，结果见表 6 。由表 6可 以看出，L S 一 1 具有一定的抗温能力，在 1 5 0℃仍具有较好的降滤 失性 ； 当温度高于 1 5 0 o C时 ，钻井液的流变性和降 滤失能力明显变差 。所 以降滤失 剂 L S 一 1 使用温度 不能超过 1 5 0℃。 表 6 L S ． 1 在淡水钻井液中的抗温性能 3 ． 4 配伍 性 聚合物降滤失剂 L S ． 1 在普通基浆中具有较强 的降滤失性能，但是在实际钻井作业中，降滤失剂 通常与其它一些处理剂配合使用， 使钻井液的综合 性能得 以提高 。就此 ， 选用一些处理剂与 L S l 复配 ， 测定钻井液性能 ，结果见表 7 。 表 7 L S ． 1 的配伍性测定 由表 7 可以看出，该降滤失剂具有良好的配伍 性 。实验所用配方如下 。 1 4 ％基 浆 O ． 2 ％P MHA一 2 0 ． 5 ％Na HP AN 2 ％KLG1 ． 5 ％ FXRH0． 5 ％ LS ． 1 2 4 ％基 浆 0 ． 2 ％P MHA一 2 0 ． 5 ％NH 一 HP A N 2 ％ l G1 ． 5 ％ F XRH0． 5 ％LS - 1 3 4 ％基 浆 0 ． 2 ％P MHA． 2 0 ． 5 ％Na HP AN 2 ％F H． 9 6 1 ． 5 ％F XI 0 ． 5 ％LS ． 1 4 4 ％基 浆 0 ． 2 ％P MHA． 2 0 ． 5 ％NH 一 HP AN 2 ％ FH一 9 6 1 ． 5 ％ F XRH0． 5 ％LS ． 1 3 ． 5 防膨性 考察 了 L S 一 1 对黏土 的稳定性 ，具体操 作按行 业标准 s Y ／ T 5 9 7 1 9 4 注水用黏土稳定剂性能评 价方法 进行 ， 测得 L S 一 1 加量为 0 ． 5 ％、 1 ． 0 ％、 1 ． 5 ％、 2 ． 0 ％、2 ． 5 ％ 时 的 防 膨 率 分 别 为 5 4 ． 4 ％、7 1 ． 8 ％、 7 9 ． 6 ％、8 2 ． 6 ％、8 8 ．0 ％。由此可知 ，L S ． 1 具有一定 的防膨效果 ，并且随着其加量 的增加 ，L S ． 1的防膨 效果不断提高。因此 ，L S ． 1 具有一剂多效的功 能， 既可以降低滤失量 ， 又可以防止地层黏土水化膨胀。 4 LS ． 1的降滤失机理 用扫描电镜对处理好 的滤饼的表面结构和内部 结构进行 了扫描放大分析研究 ，结果见 图 2 。由图 2可 以看出 ，图 2 a 的结构强度较松散 ，而图 2 b的结构强度明显致密，这说明加入降滤失剂后 使得黏土颗粒分布、粗细颗粒 比例更加合理 ，小颗 粒数量的增多能更好地形成薄而致密 、 坚韧的泥饼 ， 从而可以降低滤失量。通过图2 C 可以明显看出， 黏土表面有一层水化膜，该膜为降滤失剂在黏土表 面形成的溶剂化膜。这层膜能很好地阻止钻井液 中 的 自由水和吸附水 向地层渗透 ，从而降低 了泥页岩 的水化膨胀及分散作用，能很好地防止井壁坍塌， 保护油气层。 ■ ■叠 a b c 基浆 2 0 0 0倍 加入 L S ． 1 2 0 0 0倍加入 L S ． 1 5 0 0 0 倍 图 2 加入 L S ． 1 前后的泥饼对比 L S 一 1的主链是碳 链结构 ，侧链含有较 多的磺 酸根基 团和酯水解 生成的强极性 的羟基。一s O ， H 中有 2个 s O的 P ． 兀共轭键 ，使其硫 原子 从一 O H 中吸 引 电子 的能 力增 强 ，使 氢 原 子 易 于 离 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 9 卷 第4 期 郭斐等水基成膜钻井液降滤失剂L S ． 1 的制备及性能评价 2 3 解，从而导致 自由能降低较多，离解产生的一s O ， 一 较稳定 ，一S 0 一 对阳离子 的吸引力较弱 ，阳离子不 易进 入一S O 一 的水化 层 ，使 得 L S ． 1 对盐不敏感 ； 同时支链化的结构可以增大空间位 阻，使主链 的刚 性增强，有利于抗温能力的提高。侧链羟基与黏土 矿物既有 吸附作用 ，又能够与黏土颗粒形成 氢键 ， 容易在滤饼上形成一层保护膜 ，阻止了滤液向地层 渗透，从而降低了泥页岩的外化分散作用，能防止 井壁坍塌 ，保护油气层。 5 结论 1 ． 用 AM、DMDA AC、A MP S 、酯为单体 ，以 氧化还原体系为引发剂，利用水溶性聚合方法合成 了抗温抗盐 的两性离子聚合物 L S 一 1 。并通过红外光 谱验证了产物的分子结构与所设计的分子结构是一 致的。 2 ． 聚合物 L S 一 1 在各种钻井液中均有较好的降 滤失 能力 。L S ． 1 在 4 ％淡 水基浆 中的最佳 加量 为 O ． 5 ％，在盐水基浆 中的最优加量为 1 ． 5 ％，在饱 和 盐水钻井液 中的最优加量为 2 ． 5 ％。 3 ． 由电镜扫描结果可以看出，L S ． 1 在滤饼上部 分形成膜结构 ，可阻止钻井液及滤液 向地层渗透 ， 有利于井壁稳定和保护油气层。 参 考 文 献 [ 1 ]1 袁春，孙金生 ，王平 全，等 ． 抗高温成膜降滤失剂 C MJ ． 1的研制及性能 [ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 0 4 ， 3 2 2 3 0． 3 2． [ 2 ] 白小东，蒲晓林 ． 水基钻井液成膜技术的研究进展 [ J ] ． 天然气工业，2 0 0 6 ，2 6 8 7 5 7 7 ． [ 3 ] 王中华 ． 钻井液用丙烯酰胺 ／ 2 ． 丙烯酰胺基 ． 2 ． 2甲基丙 磺酸三元共 聚物 P A MS的合成 [ J 】 ． 油 田化学，2 0 0 0 ， 1 7 1 6 - 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