對(duì)抗溫耐鹽鉆井液體系及其相關(guān)處理劑的研究

1緒論1.1引言石油是不可再生能源,它作為一種常規(guī)能源和重要的戰(zhàn)略資源,關(guān)系著一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全。隨著世界對(duì)石油資源需求的日益加劇,已探明的淺層油氣藏遠(yuǎn)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。近年來(lái),中國(guó)石油和天然氣領(lǐng)域的研究不斷的深入探索和發(fā)展,鉆井業(yè)逐漸由淺層地層、簡(jiǎn)單地層向深層地層、復(fù)雜地層鉆探開發(fā),深井、超深井將是未來(lái)的勘探和開發(fā)的重點(diǎn)。在逐漸向深層地層進(jìn)行的鉆井勘探作業(yè)中,由于儲(chǔ)層埋藏得較深、地層壓力變大、巖性也變得更加的復(fù)雜,這些變化導(dǎo)致了鉆探作業(yè)實(shí)施困難且成本高時(shí)效低,更易導(dǎo)致發(fā)生事故。目前,我國(guó)對(duì)深井和超深井鉆井液技術(shù)和工藝進(jìn)行了深入研究并取得了很大的發(fā)展,技術(shù)和工藝也越來(lái)越成熟安全,基本能滿足鉆井工程施工要求,但是,超深井的鉆井工作除了面臨地層的復(fù)雜條件外還存在著很多問(wèn)題,尤其是在對(duì)抗溫耐鹽鉆井液體系及其相關(guān)處理劑的研究、控制高密度高溫條件下鉆井液流變性的技術(shù)等方面的研究與國(guó)外存在較大差距[“3]。1.2深井鉆井液的性能變化高溫高壓是深井鉆井液所面對(duì)的最大問(wèn)題,在5000m深井中井底溫度可達(dá)150-250°C,現(xiàn)在我國(guó)的鉆井作業(yè)深井已經(jīng)可達(dá)7000m以上,國(guó)外甚至可達(dá)萬(wàn)米以上,井底溫度隨著井深的加深,鉆井的地層越深,地層溫度越容易出現(xiàn)梯度異常,井底溫度也就越高,而井深在5000m以上的深井的井底壓力也很高,能夠達(dá)到100MPa以上,這種狀況必然對(duì)鉆井液的性能帶來(lái)嚴(yán)重影響。在深井、超深井鉆探作業(yè)中,作業(yè)井越深,鉆井液在井下工作中循環(huán)的時(shí)間越長(zhǎng),停留在井下的時(shí)間也增長(zhǎng)。井下的溫度和壓力會(huì)隨著井深的增加而增高,而鉆井液在低溫下不易反應(yīng)或不劇烈的反應(yīng),甚至不明顯的反應(yīng)都會(huì)因?yàn)楦邷氐淖饔枚兊萌菀装l(fā)生和明顯,從而使深井鉆井液的性能發(fā)生變化。油基鉆井液性能受高溫影響較小但是對(duì)于環(huán)境有著較大影響,水基鉆井液對(duì)于環(huán)境污染相對(duì)較小但受高溫影響較大[4]。1.3鉆井液添加劑——降粘劑隨著鉆井過(guò)程的繼續(xù)，鉆井液中的固相顆粒過(guò)多以及粘土顆粒形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是鉆井液稠化的主要原因。對(duì)于深井或高壓地層鉆探，需要使用高密度鉆井液。而高密度鉆井液中的大量固相加重劑的加入，增強(qiáng)了鉆井液內(nèi)顆粒間的摩擦，所配制的鉆井液粘度、切力明顯上升，流動(dòng)性降低[1]。同時(shí)，在鉆井過(guò)程中，隨著鉆進(jìn)深度的不斷增加，鉆屑增多，而固控設(shè)備又不能完全除去這些鉆屑，尤其是2um以下的鉆屑，那么鉆井液中就存留了大量的細(xì)顆粒的鉆屑，導(dǎo)致鉆井液中的固相增多。另一方面，由于鉆進(jìn)過(guò)程中可能遇到鹽膏層或高溫高壓地層，使鉆井液中的粘土顆粒表面雙電層受到壓縮或水化膜變薄，從而使顆粒間斥力減小，顆粒彼此之間易于連接形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或使網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，導(dǎo)致鉆井液粘度、切力增加，使得鉆井液泵送困難、鉆屑難以除去或鉆井過(guò)程中激動(dòng)壓力過(guò)大等現(xiàn)象，造成鉆井事故。因此，必須加入降粘劑，降低體系的粘度和切力，使其具有合適的流變性。1.4抗溫耐鹽處理劑的要求對(duì)抗高溫鉆井液處理劑的要求是它在高溫的環(huán)境下穩(wěn)定性好,且在高溫作用下鉆井液處理劑不易高溫降解和高溫交聯(lián),或交聯(lián)很弱,在可控范圍內(nèi);能夠在粘土顆粒表面有較好的吸附能力,親水性強(qiáng);能夠有效的抑制粘土的高溫分散作用;能夠在較低的pH值下發(fā)揮作用;具有較好的抗鹽析能力[6]。1.5國(guó)外抗溫耐鹽降粘劑研究現(xiàn)狀經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)外鉆井液降粘劑發(fā)展情況的跟蹤調(diào)研分析,國(guó)外鉆井液降粘劑品種較多,1981年使用的降粘劑共有205種,1982年已經(jīng)達(dá)到269種(商品名)。在隨后的近20年,隨著可供選擇的降粘劑產(chǎn)品越來(lái)越多,人們逐步進(jìn)行優(yōu)化,更重視在保護(hù)油氣層、無(wú)污染環(huán)境、高效低廉等方面深入研究,以優(yōu)化出性能優(yōu)異、綜合價(jià)值更高的降粘劑。到1999年優(yōu)化至219種,2001年進(jìn)一步優(yōu)化到95種,之后隨著石油經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,2004年已經(jīng)發(fā)展到170種,2006年發(fā)展到196種[10]。降粘劑的種類主要是以木質(zhì)素、合成聚合物、纖維素、腐植酸、單寧等為原料。由此可見,降粘劑在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用和社會(huì)其他事物的發(fā)展一樣,隨著人們認(rèn)識(shí)的不斷提高而得到進(jìn)一步改善。目前,國(guó)外研究人在鉆井液降粘劑研究方面開展了大量工作,主要成果有:①丙烯酸-羥丙基丙烯酸酯樹脂聚合物R.B.Steven和W.H.Lany[11]用丙烯酸、羥丙基丙烯酸酯樹脂合成了分子量介于5000-10000間的聚合物降粘劑。和木質(zhì)素磺酸鹽混合使用,耐溫達(dá)200℃,若引入如羥乙基化苯酚聚氧化乙烯類表面活性劑,能進(jìn)一步提高鉆井液的耐高溫性能。②DMP解絮凝劑是一種黑色素衍生物,抗溫達(dá)204℃,在二價(jià)陽(yáng)離子含量高的鉆井液中仍能發(fā)揮降粘作用。范德華粘度測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)溫度為121℃時(shí)鉆井液快速絮凝,177℃時(shí)凝膠化。添加DMP的鉆井液粘度在25℃-149℃間降低,149℃-177℃間不變,溫度達(dá)232℃時(shí)鉆井液粘度下降36%,冷卻至室溫粘度保持不變。③Thermal-ThinThermal-Thin是Baroid公司研發(fā)的一種耐溫達(dá)200℃以上的聚合物降粘劑,在低固相含量的淡水基漿中效果顯著,適用于各種分散型鉆井液,與FCLS復(fù)合使用效果更佳,配伍性很好,抗鹽抗鈣污染能力強(qiáng)。④耐高溫丙烯酸鹽-磺酸鹽酰胺聚合物J.J.Dikerl等成功研制的丙烯酸鹽-磺酸鹽酰胺聚合物,抗溫可達(dá)220℃,并能起到降低濾失量的效果,適用的水基鉆井液pH值在8-11.5之間。⑤HTHP聚合物解絮凝劑美國(guó)MilchemCompany和NationalSturch&ChemicalCompany共同研發(fā)的淡水基漿用馬來(lái)酸酐/磺酸鹽乙烯基甲苯聚合物和馬來(lái)酸酐/苯乙烯磺酸鹽聚合物降粘劑[12],可以抗304℃的高溫?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明,與聚合物降濾失劑復(fù)配使用,不僅能降低鉆井粘度,還能降低濾失量,可成功地應(yīng)用于復(fù)雜的生產(chǎn)井。另外,國(guó)外鉆井液工作者通過(guò)近幾年廣泛而深入地研究,成功研制出了VS-VA[13～14]和Polydrill[15]兩種抗高溫降絮凝劑。⑥降粘劑PVPM-I公司的M.A.Tehrani[16]成功研制了聚乙烯基吡咯烷酮(PVP),耐溫180℃,該聚合物是離子型、非離子型聚合物的混合物,對(duì)鉆井液有很好的剪切稀釋性。⑦高溫穩(wěn)定劑是由澳大利亞石油研究協(xié)會(huì)的Md.Amanullah[17]研制成,抗溫150℃,可以有效抑制粘土鉆井液的高溫降解現(xiàn)象。⑧Y.–M.WU等[18]用AMPS、衣康酸(IA)、丙烯酰胺(AM)和吡咯烷酮(NVP)合成的鉆井液降粘劑,抗溫達(dá)220℃。1.6國(guó)內(nèi)抗溫耐鹽降粘劑研究現(xiàn)狀鉆井液降粘劑最早應(yīng)用于鉆井工程是在20世紀(jì)30年代末,主要是無(wú)機(jī)磷酸鹽降粘劑。40年代丹寧和木質(zhì)素磺酸鹽在鉆井液添加劑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。到60年代鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽(FCLS)以其優(yōu)良的性能成為重要的鉆井液稀釋劑,但它最大的缺點(diǎn)是含有對(duì)人體有害及污染環(huán)境的有毒鉻。至20世紀(jì)90年代初期,人們對(duì)綠色、安全、環(huán)保的意識(shí)逐漸提高,隨著世界各國(guó)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng),導(dǎo)致FCLS降粘劑的應(yīng)用受到極大的限制,科研人員轉(zhuǎn)向?qū)μ烊荒举|(zhì)素、栲膠類降粘劑的改性進(jìn)行研究,通過(guò)不飽和烯烴進(jìn)行連接并引入功能基團(tuán),用無(wú)毒的高價(jià)離子絡(luò)合,來(lái)替代含鉻的降粘劑。改性后的降粘劑降粘性能較好,但抗溫僅150℃,抗鹽性能也很差。90年代中后期,降粘劑主要以相對(duì)分子質(zhì)量低的聚合物類為主,主要集中在馬來(lái)酸酐(順丁烯二酸)的共聚物,已有較多的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。此外以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、烯丙基磺酸鈉(AS)和馬來(lái)酸酐(MA)為原料的陰離子聚合物降粘劑,及含有不同陽(yáng)離子單體的兩性降粘劑等,在抗鹽抗污染性能和降低粘土分散能力等方面已經(jīng)基本達(dá)到世界先進(jìn)水平,為進(jìn)一步研究鉆井液添加劑奠定了基礎(chǔ)。1、天然材料改性產(chǎn)物(1)改性木質(zhì)素類AMPS/AA/DMDAAC-CaLS接枝共聚物[26],是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)和木質(zhì)素磺酸鈣為原料,接枝共聚,作為鉆井液降粘劑具有較好的耐溫耐鹽能力和抑制粘土分散性。MGBM-1、MGAC-2[27-28]是木質(zhì)素磺酸鹽的改性物,即具有降粘性能又有降濾失性能的新型鉆井液處理劑。用0.5%的降粘劑處理后基漿表觀粘度降低50%,動(dòng)切力降低80%,濾失量降至49%,剪切力降低幅度更大,具有良好的熱穩(wěn)定性,抗溫抗鹽能力及巖心回收率明顯優(yōu)于FCLS。改性堿法制木漿廢液聚合物[29],廢液中提取的堿木素和有機(jī)單體甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、丙烯酸等接枝絡(luò)合得到改性堿木素,干燥后和FeSO4·2H2O復(fù)配,即得到具有良好降粘性能且抗溫、抗鹽、抗鈣污染能力強(qiáng)的無(wú)鉻鉆井液降粘劑。當(dāng)溫度為180℃、加劑量為0.8%時(shí),降粘效果較好;當(dāng)溫度大于150℃時(shí),降粘效果明顯降低,在相同溫度下該降粘劑與FCLS的降粘效果非常接近。新型無(wú)鉻鉆井液降粘劑SLS[30],是以有機(jī)硅和木質(zhì)素磺酸鹽為原料合成。由于硅的存在大大提高抗溫性,達(dá)200℃,與磺化酚醛樹脂、聚丙烯酰胺具有良好的配伍性,抗溫耐鹽能力都優(yōu)于FCLS。PNK[31],是以木質(zhì)素磺酸鈣和丙烯酰胺通過(guò)接枝共聚,經(jīng)金屬絡(luò)合和磺化劑磺化處理等一系列改性處理制得,室內(nèi)試驗(yàn)證明該降粘劑具有良好的耐溫、抗鹽侵能力。(2)改性單寧類改性單寧類降粘劑優(yōu)點(diǎn)是抗溫能力較強(qiáng),淡水鉆井液中使用溫度達(dá)200℃,但由于成本太高,阻礙了它的發(fā)展和應(yīng)用。SMT-T[32],提取塔拉豆莢粉中的單寧,經(jīng)磺化、Fe2+絡(luò)合改性制得。室溫至120℃環(huán)境下,降粘效果不明顯,溫度在180-220℃左右時(shí),無(wú)論是在淡水基漿或鹽水基漿中,降粘率均大于84%,是一種適用180-220℃的鉆井液降粘劑。王中華等[33]用單寧酸和丙烯酸、AMPS進(jìn)行接枝共聚,得到的單寧酸接枝降粘劑抗溫在160℃以上,在淡水基漿及各類鹽水基漿中都能發(fā)揮良好的降低粘度、切力的作用。黃榮華等[34]通過(guò)在塔拉單寧單體上引入剛性酯基、吸附性酰胺基、水溶性磺酸基和羧酸基等基團(tuán),得到的聚合物也有顯著的降粘效果。(3)不同天然材料改性類將L-天冬氨酸和催化劑加入反應(yīng)釜中混合,在200℃-300℃條件下反應(yīng)一定時(shí)間,得到聚天冬氨酸,再用氫氧化鈉進(jìn)行水解,即得到具有良好降粘效果和抗鹽能力的鉆井液降粘劑[35]。在一定工藝條件下,多元醇類天然大分子先后經(jīng)過(guò)檸檬酸和堿處理后得到了一種聚合酸降粘劑,并在遼河油田46口井中被成功投入應(yīng)用,表現(xiàn)出良好的技術(shù)效果,創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)加劑量為0.5%-1.5%時(shí)效果與FCLS相當(dāng),抗鹽污染能力優(yōu)于SF降粘劑,抗溫達(dá)到130℃。在遼河油田46口井上聚合酸降粘劑得到成功應(yīng)用,并取得了良好的鉆井技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益[36]。2、合成聚合物降粘劑(1)含羧酸基團(tuán)類降粘劑A-1[37]。謝水祥等用丙烯酰胺通過(guò)自由基聚合反應(yīng)合成,相比其他降粘劑,動(dòng)切力較低幅度小,且表現(xiàn)出良好的降粘性能和抗溫性能。降粘劑AA-IPPA[38],是以丙酮、冰醋酸、三氯化磷為原料合成單體異丙烯磷酸IPPA,再與丙烯酸聚合即得到降粘劑,結(jié)果表明,該聚合物降粘劑具有良好的降粘效果和抗溫抗鹽能力。降粘劑AMPS/AA/DMDAAC[39],以堿法制漿廢液的方法制得,室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,加劑量為0.3%時(shí),降粘率最高,抗NaCl達(dá)30%,抗CaCl2達(dá)1%,抗溫150℃。降粘劑AMPS/DMAM/AM[40],是以AMPS、丙烯酸銨、N,N-二甲基丙烯酸胺為單體,采用氧化-還原引發(fā)體系制得的一種聚合物降粘劑。實(shí)驗(yàn)表明,該降粘劑有良好的降粘、耐溫、抗鹽性能。只含羧基的降粘劑只是降粘效果明顯,在抗鹽、抗鈣性能方面效果較差,因此只適用于淡水鉆井液中,不能應(yīng)用于鹽水和高礦化度鉆井液中。(2)含磺酸基團(tuán)類磺酸基是一種強(qiáng)水化基團(tuán),-SO3-基團(tuán)兩個(gè)S-O的p-dπ鍵提高了-SO3-基團(tuán)的穩(wěn)定性,外界陽(yáng)離子的侵入大大提高-SO3-共軛體系的自由能,因此能有效抵抗Na+、Ca2+、Mg2+的污染。AMPS/AA聚合物降粘劑?？箿剡_(dá)180℃,在飽和鹽水基漿或1.0%CaCl2基漿中仍能發(fā)揮良好的降粘性能,能有效抵抗高價(jià)金屬離子對(duì)鉆井液的污染。AMPS/AA/MA三元共聚物。在AMPS/AA基礎(chǔ)上引入馬來(lái)酸酐,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與二元共聚物相比抗溫、抗氯化鈉能力沒有明顯變化,但抗鈣能力明顯增強(qiáng)。三元共聚物抗溫、抗鹽性能與AMPS/AA二元共聚物相似,但抗鈣性能明顯優(yōu)于AMPS/AA二元共聚物?；腔揭蚁?水解馬來(lái)酸酐聚合物SSHMA[41],是以甲苯和二甲苯為溶劑,BPO為引發(fā)劑,苯乙烯和馬來(lái)酸酐物質(zhì)的量比為1.0-1.2:1.0,引發(fā)劑用量0.7%-1.2%,在95℃反應(yīng)釜中反應(yīng)3h即得到聚合物,在氫氧化鈉存在的條件下再將SO3和聚合物混合磺化1h,即得到降粘劑SSHMA。加劑量為0.2%時(shí),淡水基漿表觀粘度從75mPa·s降到30mPa·s以下;加劑量為0.3%時(shí),使經(jīng)230℃老化16小時(shí)的淡水基漿表觀粘度從64mPa·s降到28mPa·s以下,可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)深井或復(fù)雜井的鉆探工程。(3)含陰、陽(yáng)離子基團(tuán)的兩性類兩性離子類降粘劑是目前降粘劑研究的重點(diǎn),具有適當(dāng)結(jié)構(gòu)的兩性聚合物降粘劑的性能強(qiáng)于傳統(tǒng)的降粘劑,不但表現(xiàn)出良好的降低鉆井液粘度和動(dòng)切力的能力,還可增強(qiáng)其抑制性,但其合成條件嚴(yán)重影響聚合物的性能,價(jià)格昂貴,導(dǎo)致應(yīng)用受到限制。邱正松[42]以烯酸、烯基磺酸、丙烯酸酯與烯基季銨鹽合成的抗高溫聚合物降黏劑,抗溫達(dá)245℃(熱滾16h下),且均具有優(yōu)異的降黏效果,同時(shí)能抑制黏土水化膨脹和降低濾失量,在深井超深井高溫高壓高礦化度條件下對(duì)鉆井液流變性調(diào)控表現(xiàn)突出,性能優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。可適用于淡水基漿、加重基漿、復(fù)合鹽水基漿。TaoWan等人以以非離子單體丙烯酰胺(AM)、弱陰離子型單體丙烯酸(AA)和強(qiáng)陽(yáng)離子型單體苯乙烯磺酸鈉(SSS)通過(guò)自由基聚合,合成的AM/AA/SSS三元共聚物鉆井液降粘劑,因聚合物分子中引入的剛性基團(tuán),使其可抗200℃以上的高溫。黃進(jìn)軍[43]等通過(guò)水溶液聚合反應(yīng)制備的丙烯酸/丙烯磺酸/AMPS/陽(yáng)離子單體共聚物THIN,抗溫高達(dá)220℃,在高含量固相高密度水基鉆井液中降粘性能顯著優(yōu)于工業(yè)化降粘劑XY27和FCLS。張翔宇等[44]研制的含陰陽(yáng)離子聚合物VRA。結(jié)果表明:VRA不僅降粘效果優(yōu),高溫穩(wěn)定性和防鹽侵能力也很突出,另外陽(yáng)離子的存在也使其具有一定的防坍塌能力,有效保護(hù)油氣層。王富華等[45]合成的JNL-1降粘劑抗高溫達(dá)到240℃,,和商業(yè)用降粘劑SF-260、BOSST相比,JNL-1的抗溫性最佳,抗鈣能力和SF-260接近,達(dá)10g/L,是一種高溫耐鹽降粘劑。(4)有機(jī)硅類OSAM和OSAM-K分別是有機(jī)硅腐殖酸的鈉鹽和鉀鹽,由甲基硅醇和腐殖酸在鹽催化作用下縮合而成,使其即具有甲基硅醇的高溫穩(wěn)定性、抑制性,又兼有腐殖酸的降粘、降濾失效果。新型抗高溫鉆井液降粘劑有機(jī)硅氟共聚物SF[46],以優(yōu)異的性能引起人們的重視,在兩口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,SF鉆井液抗溫在230℃以上,處理簡(jiǎn)單、使用周期長(zhǎng)、抗溫降粘效果理想。它是在聚甲基硅氧烷分子上引入三氟甲氧基來(lái)提高聚合物的化學(xué)穩(wěn)定性,硅氟聚合物自身的分子結(jié)構(gòu)決定了它具有良好的穩(wěn)定性和較寬的工作溫度(-40-250℃)。含硅聚合物能抑制粘土在水溶液中水化分散程度,因?yàn)榉肿又械摹許i-OH鍵和粘土顆粒表面的≡Si-OH鍵能夠縮合≡Si-O-Si≡鍵,吸附在粘土顆粒表面的硅烷化合物能夠產(chǎn)生表面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)作用。根據(jù)降粘劑的發(fā)展史及應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看,天然高分子降粘劑僅適用于較低溫度或較低鹽含量的鉆井工程中;無(wú)機(jī)降粘劑耐溫性能較差,且在高礦化度鉆井液中起不到降粘作用;聚合物類降粘劑可以通過(guò)單體選擇、優(yōu)化合成工藝等方法設(shè)計(jì)、調(diào)節(jié)分子結(jié)構(gòu),以研制出耐溫(大于200℃)、耐鹽、無(wú)毒、環(huán)境安全的鉆井液降粘劑。1.7降粘劑的降粘機(jī)理分析影響鉆井液體系粘度的因素有以下幾個(gè)方面:鉆井液中的固相含量,鉆井液中固體顆粒的重量、形狀和內(nèi)部作用力,其中固體顆粒的內(nèi)部作用力包括了固體顆粒相互之間的作用力和溶劑與固體顆粒相互間的作用力,同時(shí)鉆井液體系連續(xù)相的粘度和處于分散狀態(tài)的其他液體的含量也會(huì)影響鉆井液的粘度。外在的溫度、壓力、剪切速率等也會(huì)對(duì)其有所影響。在實(shí)際鉆井作業(yè)中,導(dǎo)致鉆井液增稠的主要原因有兩個(gè)。一是由于鉆屑的侵入分散,這會(huì)引起鉆井液體系中固相含量的增加,使整個(gè)體系增粘,這種原因?qū)е碌你@井液增粘只能通過(guò)調(diào)節(jié)體系的固相含量來(lái)解決,例如,清水稀釋、替換部分鉆井液、利用機(jī)械設(shè)備清除固相等,用降粘劑來(lái)調(diào)整粘度沒有什么作用。二是鉆井液體系內(nèi)部形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),鉆井液中的粘土顆粒的邊緣由于破碎作用或是水化分散作用產(chǎn)生活性點(diǎn),使粘土顆粒之間通過(guò)這些活性點(diǎn)形成端-端、端-面相連的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在聚合物鉆井液中還會(huì)有聚合物與粘土顆粒、聚合物與聚合物之間形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致鉆井液稠化,這種原因引起的鉆井液稠化就可用加入降粘劑的方式來(lái)降低鉆井液體系整體的粘度,使鉆井液體系的流變性得到改善。水基鉆井液基本都是分散型的。在鉆井過(guò)程中,粘土和鉆屑的分散于鉆井液中,造成鉆井液的調(diào)化。一個(gè)方面是固相含量造成的(包括固相含量高和固相粒子的分散),另一個(gè)方面則是由于粘土顆粒之間的相互作用力而形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造成。此外,隨著井深的增加會(huì)有外來(lái)物質(zhì)進(jìn)入鉆井液中,鉆井液體系對(duì)于外來(lái)物質(zhì)的敏感性也會(huì)導(dǎo)致鉆井液的稠化和不穩(wěn)定。粘土顆粒的表面帶有電荷但其帶電性質(zhì)非常的不均勻,即是說(shuō)粘土顆粒會(huì)有兩種不同的表面,既有帶永久負(fù)電荷的表面,又有既可能帶正電荷也可能帶負(fù)電荷的表面,粘土顆粒的表面在溶液中便可能會(huì)形成兩種不同的雙電層。粘土顆粒之間的相互作用力是斥力和吸力共同作用的結(jié)果,在不同條件下會(huì)形成不同的連接方式,包括聚結(jié)(由于粘土顆粒面-面結(jié)合造成)、絮凝(由于粘土顆粒端-面和端-端的結(jié)合方式造成),分散和解絮凝。分散型的降粘劑可以通過(guò)吸附(靜電吸附,配位鍵吸附)在粘土顆粒端面上,使粘土顆粒端面性質(zhì)發(fā)生改變,從而拆散鉆井液中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu),降低鉆井液粘度。降粘劑吸附在粘土顆粒上一是使端面電荷反號(hào),降粘劑吸附在帶正電荷的粘土顆粒表面,將其轉(zhuǎn)化為表面帶負(fù)電荷的,從而拆散粘土顆粒間端一端、端一面結(jié)合而形成的結(jié)構(gòu),降低體系的粘度。二是增強(qiáng)粘土顆粒端面水化膜厚度,降粘劑的吸附基吸附在粘土顆粒的端面上,水化基會(huì)給粘土顆粒的端面上帶來(lái)豐厚的水化層,削弱端-端,端-面的連接,拆散網(wǎng)架結(jié)構(gòu),同時(shí)釋放出自由水,使粘度降低。另外降粘劑的吸附還可能提高粘土顆粒的專電位,增強(qiáng)粘土顆粒之間的靜電斥力作用,削弱粘土顆粒之間的相互作用,達(dá)到降粘目的。降粘劑對(duì)鉆井液的膠體穩(wěn)定性也有效,在降粘劑加量大的時(shí)候還具有一定的降濾失性。由于有負(fù)電增強(qiáng)作用,鉆井液中加入降粘劑會(huì)加速粘土顆粒的分散,粘土顆粒的分散對(duì)鉆井作業(yè)有影響,但是事實(shí)證明不論哪種類型的鉆井液都不能完全去除降粘劑,所以降粘劑的加量偏小。在鉆井液增稠時(shí)少量降粘劑就能夠降低鉆井液粘度,改善鉆井液流變性,對(duì)鉆井液穩(wěn)定性有一定作用。降粘劑或是吸附在粘土顆粒帶正電荷的邊緣的“活性點(diǎn)”,增強(qiáng)該“點(diǎn)”的負(fù)電效應(yīng),拆散粘土顆粒間形成的結(jié)構(gòu)使體系無(wú)法形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu),或是與鉆井液體系中的聚合物發(fā)生作用,拆散聚合物與粘土顆粒的吸附,或拆散聚合物之間的連接,這樣可以使已經(jīng)形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在降粘劑的吸附過(guò)程中而被拆散達(dá)到降粘目的。幾類降粘劑的機(jī)理又不完全相同。1.8課題研究方向以丙烯酰胺、磺酸型陰離子單體、有機(jī)硅單體為主要原料，通過(guò)水溶液自由基聚合，制備一種抗溫耐鹽型水溶性兩親聚合物降粘劑?？疾靻我蛩貙?duì)共聚物降粘性能的影響，確定最佳合成方案，對(duì)降粘劑的降粘性能及耐溫抗鹽性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

降粘劑的合成制備2.1實(shí)驗(yàn)藥品及實(shí)驗(yàn)儀器2.1.1實(shí)驗(yàn)藥品本次實(shí)驗(yàn)的藥品見表2-1表2-1實(shí)驗(yàn)藥品及生產(chǎn)廠家藥品名純度生產(chǎn)廠商丙烯酰胺（AM）分析純天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司乙烯基磺酸鈉（EI）分析純天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司KH570分析純天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司過(guò)硫酸鉀（KPS）分析純重慶東方試劑廠異丙醇（TOH）分析純重慶東方試劑廠丙烯酰胺（CH2=CH-CONH2）是一種白色晶體物質(zhì)，分子量為70.08，是1950年以來(lái)廣泛用于生產(chǎn)化工產(chǎn)品聚丙烯酰胺的前體物質(zhì)。聚丙烯酰胺主要用于水的凈化處理、紙漿的加工及管道的內(nèi)涂層等。乙烯基磺酸鈉，又名乙基磺酸鈉、乙烯黃酸鈉、乙基磺酸鈉、乙烯黃酸鈉、乙烷磺酸鈉，化學(xué)式（分子式）：C2H3NAO3S，密度為1.20。KH-570硅烷偶聯(lián)劑，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷是一種有機(jī)官能團(tuán)硅烷偶聯(lián)劑，對(duì)于提高玻纖增強(qiáng)和含無(wú)機(jī)填料的熱固性樹脂能提高它們的機(jī)械電氣性能，特別是通過(guò)活性游離基反應(yīng)固化（如不飽和聚酯，聚氨酯和丙烯酸酯）的熱塑性樹脂的填充，包括聚烯烴和熱塑性聚氨酯。過(guò)硫酸鉀，無(wú)機(jī)化合物，白色結(jié)晶，無(wú)氣味，有潮解性。助燃，具刺激性。主要用作漂白劑、強(qiáng)氧化劑、照相藥品、分析試劑、聚合促進(jìn)劑等。異丙醇，一種有機(jī)化合物，正丙醇的同分異構(gòu)體，別名二甲基甲醇、2-丙醇，行業(yè)中也作IPA。無(wú)色透明液體，有似乙醇和丙酮混合物的氣味。溶于水，也溶于醇、醚、苯、氯仿等多數(shù)有機(jī)溶劑。異丙醇是重要的化工產(chǎn)品和原料。主要用于制藥、化妝品、塑料、香料、涂料等。2.1.2實(shí)驗(yàn)儀器本次實(shí)驗(yàn)所需儀器有：有機(jī)合成玻璃儀器一套，水浴鍋，電子分析天平，數(shù)字式粘度計(jì)，紅外光譜儀。2.2反應(yīng)方程式2.3合成方法稱取一定量的丙烯酰胺（AM）、乙烯基磺酸鈉、KH570、過(guò)硫酸鉀、異丙醇于三頸瓶中，加入適量的水，放入水浴鍋中加熱使其溶解，控制單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，各單體的摩爾比n（乙烯基磺酸鈉）：n(AM):n(KH570)=2:10:0.5，攪拌至全溶，加入占總質(zhì)量體系1.5%的引發(fā)劑和占總質(zhì)量體系1%的阻聚劑，調(diào)節(jié)pH值至弱堿性，攪拌均勻，于80℃的水浴鍋中反應(yīng)3h，得到聚合物產(chǎn)物。測(cè)試與表征3.1性能評(píng)價(jià)參照行標(biāo)SY/T5243—91用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)選并對(duì)所合成的產(chǎn)物進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，按ZB/TE13004中的3．2．2條規(guī)定的程序，測(cè)600，300，100r/min下的讀值，并計(jì)算產(chǎn)物的降粘率。我國(guó)目前通用的表示降粘劑降粘效果的參數(shù)，是引用美國(guó)Magcobar公司的以φ100讀數(shù)計(jì)算的降粘率DI［7］。DI=φ1000－φ100φ1000×100%式中DI———降粘率，%;φ1000———泥漿100r/min的讀數(shù);φ100———泥漿加試劑后100r/min的讀數(shù)。3.2單體配比的影響單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，溶液pH值7～8，反應(yīng)溫度70℃，分別加入占體系總質(zhì)量均為1.0%的引發(fā)劑和阻聚劑，反應(yīng)時(shí)間為4h，合成聚合物降粘劑。單體配比對(duì)降粘性能的影響見表3-1。由表3-1可知，乙烯基磺酸鈉的引入能夠增強(qiáng)聚合物的抗溫抗鹽性能，單體配比2:10:0.5時(shí)，乙烯基磺酸鈉的量繼續(xù)增大，降粘性能并未提高。所以，確定最佳單體配比為n（乙烯基磺酸鈉）：n(AM):n(KH570)=2:10:0.5。表3-1單體配比對(duì)降粘劑性能的影響序號(hào)n（乙烯基磺酸鈉）：n(AM):n(KH570)降粘率%11:10:0.522:10:0.533:10:0.542:8:0.552:12:0.562:10:0.372:10:0.482:10:0.63.3反應(yīng)溫度的影響溫度會(huì)影響反應(yīng)速度和聚合物的分子量，從而影響降粘劑的降粘效果。單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，單體配比為n（乙烯基磺酸鈉）：n(AM):n(KH570)=2:10:0.5，溶液pH值為7～8，加入占總體系質(zhì)量均為1.0%的引發(fā)劑與阻聚劑，反應(yīng)4h后得到聚合物產(chǎn)物，并對(duì)其進(jìn)行降粘劑性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見表3-2。表3-2反應(yīng)溫度對(duì)降粘劑性能的影響序號(hào)反應(yīng)溫度降粘率%140增粘250增粘36080.1047085.5558086.0269085.06由表3-2可知，溫度40至50℃時(shí)，得到的聚合物產(chǎn)物粘度高，分子量也十分大，因此合成的降粘劑不但沒有降粘效果，反而有增粘效果：反應(yīng)溫度60至90℃時(shí)，特別是在80℃時(shí)，產(chǎn)物的降粘性能最優(yōu)，分子量也適中，所以確定聚合反應(yīng)的最佳溫度為80℃。3.4反應(yīng)時(shí)間的影響單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，單體配比為n（乙烯基磺酸鈉）：n(AM):n(KH570)=2:10:0.5，反應(yīng)溫度為80℃，溶液pH值7～8，加入占總體系質(zhì)量均為1.0%的引發(fā)劑與阻聚劑，反應(yīng)時(shí)間對(duì)降粘性能的影響如圖3-1。圖3-1反應(yīng)時(shí)間對(duì)降粘劑的影響由圖3-1可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，降粘率也隨之提高。反應(yīng)時(shí)間為3h時(shí)，聚合物降粘效果最好，繼續(xù)增加時(shí)間，降粘率又逐漸降低。所以確定最佳反應(yīng)時(shí)間為3h。3.5引發(fā)劑加量的影響單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，單體配比為n（乙烯基磺酸鈉）：n(AM):n(KH570)=2:10:0.5，反應(yīng)溫度為80℃，溶液pH值7～8，反應(yīng)時(shí)間為3h，引發(fā)劑加量對(duì)降粘劑性能的影響見圖3-2。圖3-2引發(fā)劑加量對(duì)降粘劑性能的影響由圖3-2可知，隨著引發(fā)劑加量增加，產(chǎn)物的降粘效果增加。但是當(dāng)引發(fā)劑加量超過(guò)一定量時(shí)，降粘效果趨于平緩，甚至有降低的趨勢(shì)，這是由于引發(fā)劑加量過(guò)多時(shí)容易引起爆聚，使得反應(yīng)前期速度過(guò)快，合成產(chǎn)品的相對(duì)分子質(zhì)量過(guò)低，導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降。所以確定引發(fā)劑最佳加量為1.5%（占體系總質(zhì)量）。3.6單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響產(chǎn)物的粘度及聚合物的分子量，因此需要合理控制單體濃度，使聚合物的降粘效果達(dá)到最好。單體配比為n（乙烯基磺酸鈉）：n(AM):n(KH570)=2:10:0.5，反應(yīng)溫度為80℃，引發(fā)劑加量為1.5%，引發(fā)劑溶液pH值7～8，反應(yīng)時(shí)間為3h，單體濃度對(duì)降粘率的影響見圖3-3。圖3-3單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)降粘率的影響由圖3-3可知，隨著單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，產(chǎn)物的降粘能力有所提高，但到一定濃度后，降粘效果又逐漸降低。因?yàn)閱误w濃度過(guò)高，產(chǎn)物相對(duì)分子量較大，當(dāng)加入到鉆井液中有一定的增粘作用，達(dá)不到較好的降粘效果。所以，控制單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。

鉆井液降粘劑評(píng)價(jià)方法4