AM/MAA/AMPS三元共聚物的室内研究

王正良,丁 涛,王晓娟,余维初 (长江大学化学与环境工程学院,湖北荆州434023)

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS)是一种丙烯酰胺衍生物,分子结构中含有不饱和双键和亲水性极强的磺酸基团,具有强阴离子性和良好的聚合活性,既可以发生自聚合,也可以与其他单体发生共聚反应。AMPS常与其他单体或大分子聚合物进行接枝共聚,形成的AMPS共聚物具有很多特殊性能,可广泛用于涂料、印染、塑料、水处理和油田化学领域。随着石油勘探的发展以及钻井深度的增加,高温对钻井液的影响显得越来越显著[1],具体表现是使钻井液中高分子聚合物降解,导致钻井液粘度、切力降低,携带悬浮岩屑困难,严重的甚至导致处理剂失效[2]。鉴于上述情况,研制一种在一定温度下仍具有较好增粘和降滤失效果的处理剂就显得尤为重要。为此,笔者在室内以AM、MAA和AMPS等为主要原料合成了三元共聚物CFL,并对其作为处理剂在钻井液中的性能进行了系统评价。

1 试验部分

1.1 主要原料

甲基丙烯酸 (分析纯,代号MAA);2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS),丙烯酰胺 (AM),两者均为工业品;过硫酸铵 (分析纯);亚硫酸氢钠 (分析纯);氢氧化钠 (分析纯);生石灰 (工业品)。

1.2 主要仪器

JA2103N型电子天平 (上海民桥精密科学仪器有限公司);JJ-1型增力电动搅拌器 (江苏金坛市城西晓阳电子仪器厂);XCA-80001型电热鼓风干燥箱 (天津市华北实验仪器有限公司);GJS-B12K型变频高速搅拌器、ZNN-D6S型六速旋转粘度计、ZNS-5A型API中压失水仪、ZNNGGS42-2A型高温高压滤失仪和XGRL-4型高温滚子加热炉 (青岛海通达专用仪器厂)。

1.3 合成方法

在反应器中,依次加入甲基丙烯酸 (MAA)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸 (AMPS)、丙烯酰胺 (AM)等反应单体,再加入氢氧化钠或生石灰,调节pH值为5～7.5,整个过程中通入氮气以除去水溶液中溶解的氧,加热使体系温度达到30～50℃,加入0.1%～0.2%的引发剂 (过硫酸铵、亚硫酸氢钠)即可发生剧烈反应,生成一种白色凝胶状产物,经切片、烘干、粉碎,得到多元共聚物,产品代号为CFL。

2 性能评价

2.1 CFL在淡水基浆中的性能

预先配制3%淡水浆,分别加入不同加量的CFL,搅拌均匀后测其流变性能及API失水,试验结果如表1所示。

表1 CFL对淡水钻井液性能的影响

由表1可知,CFL在淡水浆中具有良好的降滤失作用,而且随着CFL加量的增加,降滤失效果越来越明显,当CFL加量1.5%时,降滤失率可达68%以上。这是由于CFL阴离子基团在粘土矿物晶层表面形成吸附水化膜,并且CFL是一种高分子聚合物,在钻井液体系中能形成一种连续的空间网状结构,因而具有一定的增粘作用。此外,淡水浆中加入不同量的CFL后,粘度、切力都有所增加[3]。

2.2 CFL的抗盐性能

预先配制3%淡水浆,加入1.5%CFL并搅拌均匀,然后分别加入5%、10%、15%、20%、25%和35%NaCl,使其充分溶解后测其流变性能及API失水,试验结果如表2所示。

由表2可知,CFL具有优良的抗盐能力,当CFL加量为1.5%时,抗盐可达饱和。随着NaCl加量的增加,起初滤失量略有增加,当NaCl加量10%以上时,随其加量的增加,滤失量呈明显下降趋势。其原因是NaCl加量增加使CFL在粘土颗粒表面的吸附量增大,CFL的吸附包被能力增强,从而使滤失量进一步变小[4]。随着NaCl加量的增加,会压缩粘土表面的双电层,使粘土分散能力下降,因而钻井液的粘度、切力有适当下降,但钻井液仍能保持较好的流变性能。

2.3 CFL的抗钙性能

预先配制3%淡水浆,加入1.5%CFL并搅拌均匀,然后分别加入0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和5.0%的CaCl2,继续搅拌均匀后,测其流变性及API失水,试验结果如表3所示。

表2 CFL在钻井液中的抗盐性能

表3 CFL在钻井液中的抗钙性能

由表3可知,CFL具有优良的抗钙能力。当CFL加量为1.5%的条件下,CaCl2加量大于1.0%时,滤失量呈下降趋势,尤其是当CaCl2加量为5.0%时,滤失量仅为6.8ml。其原因是CFL中的—SO2-3 基团和―COO-基团具有很强的络合作用,能抗高价电解质[5]。由于二价钙盐也会压缩粘土表面双电层,使钻井液的粘度、切力适当下降。

2.4 CFL的抗温性能

将加有CFL的钻井液在150℃条件下热滚16h后,测其流变性及API失水,试验结果如表4所示。

由表4可知,加有CFL的钻井液在150℃条件下热滚16h后,滤失量变化很小,流变性良好,说明CFL在钻井液中有较好的抗温性能。这是由于合成的CFL高分子聚合物中含有亲水性强的―SO2-3基团 (抗温去水化小)、结构中含有很多稳定性强的C—C、C—N和C—S键的缘故。

表4 CFL在钻井液中的抗温性能

3 结 论

1)以甲基丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸等为基本原料合成了一种多元共聚物CFL。

2)CFL具有良好的降滤失作用和增粘效果,在3%淡水浆中CFL加量1.5%时,API滤失量仅8.2ml,降滤失率可达68%以上,同时还具有一定的增粘作用。

3)CFL具有非常好的抗盐、抗钙能力及较好的抗温能力。当CFL加量为1.5%时,抗盐可达饱和,抗钙大于5%,抗温大于150℃,可用作深井高温钻井液中的增粘降滤失剂。

[1]王显光,杨小华,王琳,等.国内外抗高温钻井液降滤失剂研究与应用进展 [J].中外能源,2009,14(4):37～42.

[2]鄢捷年.钻井液工艺学 [M].东营:中国石油大学出版社,2006.

[3]徐同台.深井泥浆[M].北京:石油工业出版社,1994.

[4]周玲革,王正良.JHG复合离子型共聚物的研究[J].湖北化工,2000,17(6):16～18.

[5]李卓美.高分子泥浆降失水剂的分子结构与其耐盐性能的关系(I)[J].油田化学,1986,3(1):22～24.