抗高溫抗鹽降濾失劑的研究與應(yīng)用

發(fā)布時間：2022-05-14所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1532次

摘 要： 摘要：為了滿足深井、超深井對鉆井液處理劑抗高溫抗鹽性能的需要。分別使用水溶液聚合技術(shù)和反相乳液聚合技術(shù)，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)三種單體為原料，合成了水基鉆井液用抗高溫抗鹽降濾失劑。室內(nèi)評價

　　摘要：為了滿足深井、超深井對鉆井液處理劑抗高溫抗鹽性能的需要。分別使用水溶液聚合技術(shù)和反相乳液聚合技術(shù)，以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)和N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)三種單體為原料，合成了水基鉆井液用抗高溫抗鹽降濾失劑。室內(nèi)評價結(jié)果表明，反相乳液聚合法合成的產(chǎn)物在抗溫抗鹽能力方面顯著優(yōu)于水溶液聚合法合成的產(chǎn)品。合成的降濾失劑抗溫240 ℃，抗NaCl至飽和，具有良好的高溫穩(wěn)定性和降失水能力。在大慶油田宋深9-平1井等3口深井的現(xiàn)場應(yīng)用表明，該產(chǎn)品具有作用時效長、配伍性好、降濾失能力強(qiáng)、高溫條件下流型穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有效保障了大慶探區(qū)高溫深井的順利施工。與設(shè)計相比，所施工的3口井共計提前16.2天完鉆，共計節(jié)約鉆機(jī)日費(fèi)和鉆井液成本60.588萬元，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：降濾失劑;鉆井液;反相乳液聚合;抗高溫;抗鹽

　　1 背景介紹

　　高溫及高礦化度環(huán)境下鉆井液體系性能的優(yōu)劣是決定鉆井施工成敗的關(guān)鍵因素之一[1-4] 。水基鉆井液是鉆井工程中最常使用的工作液，主要由膨潤土、降濾失劑、抑制劑、流型調(diào)節(jié)劑和潤滑劑組成。為了更好的解決高溫和高礦化度的工況下，水基鉆井液的濾失量和流變性控制難的問題，科研人員開展了天然聚合物改性、納米復(fù)合材料、高分子聚合物材料等一系列研究[5] 。其中水溶性高分子聚合物類材料的研發(fā)關(guān)注度最高[6-8] 。

　　已有文獻(xiàn)表明，不同的聚合方法對高分子聚合物的結(jié)構(gòu)和性能有著顯著的影響[9-10] ，但這些研究主要集中于理論分析，將理論成果應(yīng)用于鉆井液處理劑方面的報道較少。文中以 AMPS、DMAM 和 NVP三種單體為原料，分別使用水溶液聚合法和反相乳液聚合法合成了水基鉆井液用抗高溫抗鹽降濾失劑。并對合成產(chǎn)物的性能進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)使用反相乳液聚合法合成的產(chǎn)物在抗溫抗鹽能力方面顯著優(yōu)于水溶液聚合法合成的產(chǎn)品。在研究過程中分別考察了單體比例、引發(fā)劑用量、反應(yīng)溫度、乳化劑用量和油水比等條件對產(chǎn)物性能的影響，最終評選出性能最為優(yōu)異的乳液型抗高溫抗鹽降濾失劑，命名為 LS200，抗溫 240 ℃，抗 NaCl 至飽和，在大慶油田的宋深9-平1井等多口井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

　　2 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

　　2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

　　1) 合成用原料。AMPS、NVP、DMAM、氫氧化鈉、工業(yè)、乳化劑A、乳化劑B、白油均為工業(yè)品，過硫酸銨，分析純。

　　2) 反相乳液聚合方法。將一定量的乳化劑 A 溶于白油中充分?jǐn)嚢璨⑷芙夂笞鳛橛拖?將AMPS 全部溶解于去離子水中后，使用30%濃度的NaOH 溶液將 pH 值調(diào)節(jié)為 7- 8，然后依次加入 NVP、 DMAM和乳化劑B，形成水相。將水相在攪拌條件下加入到油相中，通氮?dú)獬?0 min，在夾套冷卻條件下使用高剪切分散乳化機(jī)乳化30 min，形成待反應(yīng)乳液。升溫至指定溫度后，加入定量的引發(fā)劑過硫酸銨，在氮?dú)獗Ｗo(hù)和攪拌條件下反應(yīng) 5~6 h，得到白色乳液狀產(chǎn)品。

　　為了獲得更準(zhǔn)確的對比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，首先該乳液用丙酮反復(fù)洗滌，然后將得到的產(chǎn)物置于真空烘箱內(nèi)，在 70 ℃下烘干至質(zhì)量恒重后取出，研磨成粉末用于評價實(shí)驗(yàn)。

　　3) 水溶液聚合方法。采用與JS-200完全相同的單體配比進(jìn)行水溶液產(chǎn)品的聚合實(shí)驗(yàn)。將AMPS 全部溶解于去離子水中后，使用30%濃度的NaOH 溶 液 將 pH 值 調(diào) 節(jié) 為 7~8， 然 后 依 次 加 入 NVP、 DMAM。通氮?dú)獬?30 min，升溫至指定溫度后，加入定量的引發(fā)劑過硫酸銨，在氮?dú)獗Ｗo(hù)和攪拌條件下反應(yīng)5~6 h后得到黏稠液體，將該液體置于真空烘箱內(nèi)，在 70 ℃下烘干至質(zhì)量恒重后取出，研磨成粉末即為產(chǎn)品，以LS200-W為代號。

　　2.2 性能評價

　　1) 基漿配制。在 2 000 mL 水中加入 60 g 膨潤土和 3 g Na2CO3，高速攪拌 20 min (攪拌速度為 11 000 r/min±300 r/min)，在室溫條件下密閉養(yǎng)護(hù) 24 h，即為基漿。

　　2) 性能評價。參照 GB/T 16783—1997 《水基鉆井液現(xiàn)場測試程序》進(jìn)行處理劑的濾失性、抑制性、流變性和抗溫性評價。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　3.1 抗溫性實(shí)驗(yàn)

　　在基漿中分別加入 1%的 LS200-W 和 LS200，在不同溫度下滾動老化16 h，測定老化前后的表觀黏度和API濾失量變化，不同老化溫度下處理劑抗溫性能分析見表1。

　　由表1數(shù)據(jù)可知，隨著老化溫度的增加，所評價的兩種處理劑的表觀黏度均逐步降低，API濾失量均逐步增大，說明高溫對處理劑分子鏈有一定的破壞作用。但使用反相乳液聚合法合成的LS200降濾失效果相對突出，經(jīng)過240 ℃高溫老化以后可將基漿的 API 濾失量從 38 mL 降低至 9.2 mL，其自身的表觀黏度僅降低26.09%，說明該種方法合成的聚合物不易被高溫降解，在鉆井液體系中穩(wěn)定性更強(qiáng)。

　　3.2 抗鹽性實(shí)驗(yàn)

　　在基漿中分別加入 1%的 LS200 和 LS200-W 后再加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl，測試其高溫老化前后的表觀黏度和濾失量，從而評價產(chǎn)物的抗鹽能力，不同鹽含量下處理劑抗鹽性能分析見表2。

　　由表2數(shù)據(jù)可知，隨著NaCl加量的增加，所評價的兩種處理劑的表觀黏度均逐步降低，API濾失量均逐步增大，說明隨著含鹽量的增加，處理劑分子鏈在陽離子的作用下不易伸展，與膨潤土之間的作用效果也變差。但使用反相乳液聚合法合成的 LS200 抗鹽效果更為突出，在 36% (飽和鹽水) NaCl環(huán)境下，經(jīng)過200 ℃高溫老化以后仍可將基漿的API濾失量控制在15 mL以內(nèi)，其自身的表觀黏度僅降低15%。

　　3.3 抗溫抗鹽機(jī)理分析

　　聚合物降濾失劑通常由幾種不同功能的單體聚合而成，功能基團(tuán)與黏土顆粒表面通過多點(diǎn)吸附、水化膜護(hù)膠和形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等多種方式來降低體系濾失量。聚合物降濾失劑抗溫的難點(diǎn)在于高溫下處理劑主鏈不容易斷裂，支鏈不容易被水解或氧化，抗鹽的難點(diǎn)在于使處理劑不受或少受高濃度陽離子的影響。合成 ZN-200 所用的幾種單體均為 C-C結(jié)構(gòu)，其中AMPS提供對Na+ 、Ca2+ 、Mg2+ 等陽離子均不敏感的—SO3 - 作為水化基團(tuán);N，N-二甲基丙烯酰胺中作為吸附基團(tuán)的—NH2被—CH3保護(hù)，具有良好的耐水解能力;NVP的五元環(huán)狀結(jié)構(gòu)作為剛性基團(tuán)，可以減少大分子鏈的彎曲從而進(jìn)一步提高分子鏈的抗溫抗鹽性。

　　本文來源于：《石油石化節(jié)能》雜志創(chuàng)于1985年，本刊以介紹國外石油的科技成果，先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為辦刊宗旨，結(jié)合國內(nèi)油田生產(chǎn)實(shí)際，為全國油田工程技術(shù)人員、科技情報工作者、石油大專院校師生和石油技術(shù)人員提供最新、最全的信息服務(wù)。交流推廣節(jié)能工作經(jīng)驗(yàn)，報道石油石化節(jié)能領(lǐng)域科研成果及新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料，推動石油石化節(jié)能減排工作穩(wěn)步發(fā)展。

　　從已有的評價結(jié)果可以看出，使用反相乳液聚合法合成的LS200抗溫抗鹽能力更為突出，說明聚合方式對產(chǎn)物性能也有重要的影響。其影響原理分析如下：ZN-200 所使用的 3 種單體競聚率相差較大，在水溶液中進(jìn)行聚合時，共聚物的基團(tuán)分布規(guī)則性較差，產(chǎn)物實(shí)際組成與投料比例不符，所以整體抗溫抗鹽能力不足。而反相乳液聚合將不同活性的單體包覆在乳液微粒中進(jìn)行聚合反應(yīng)，可大幅度增加單體之間的碰撞概率，從而提高低活性單體的競聚率，使單體在微觀層面上分布更為均勻，合成產(chǎn)物的單體分布更符合投料比例，從而提高了產(chǎn)物的抗鹽性和抗溫性。

　　4 現(xiàn)場應(yīng)用

　　研制的抗高溫降濾失劑LS200在大慶油田的宋深9-平1進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。宋深9-平1是大慶鉆探工程公司部署在大慶松遼盆地東南斷陷區(qū)徐家圍子斷陷的1口風(fēng)險探井。設(shè)計井深4 337 m，目標(biāo)層位火 石 嶺 組 。 完 鉆 井 深 4 360 m， 井 底 最 高 溫 度 174 ℃。現(xiàn)場應(yīng)用過程中 LS200 體現(xiàn)出配伍性好、抗高溫能力強(qiáng)、降失水能力突出等優(yōu)點(diǎn)。在鉆遇大段泥巖、砂巖和砂質(zhì)礫巖時，鉆井液性能穩(wěn)定，有效解決了高溫條件下鉆井液體系的流變性差、失水不易控制難題，三開施工過程中未出現(xiàn)剝落、掉塊和卡鉆等井下復(fù)雜問題。宋深9-平1的鉆井液性能見表3。

　　5 經(jīng)濟(jì)效益分析

　　抗高溫降濾失劑 LS200 已累計在宋深 9-平 1、升深 1-4 井、隆深 1HC 等 3 口深井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，3口井的完鉆井深均在4 000 m以上，井底溫度在 160~174 ℃。3 口井共計節(jié)約鉆井周期 16.2 天， 70D 鉆機(jī)日費(fèi)為 15.5 萬元/d，以該處理劑貢獻(xiàn)率 10%計算，共節(jié)約鉆機(jī)日費(fèi)成本 50.22 萬元;所施工井單日消耗鉆井液 10 m3 ，節(jié)約鉆井周期 16.2 天可減少鉆井液消耗162 m3 ，鉆井液成本為0.32萬元/m3 ，以該處理劑貢獻(xiàn)率20%計算，可減少鉆井液消耗費(fèi)用10.368萬元，詳細(xì)計算情況見表4、表5。

　　6 結(jié)論

　　1) 以 AMPS、DMAM 和 NVP 三種單體為聚合原料，在相近的反應(yīng)條件下，分別使用水溶液聚合法和反相乳液聚合法合成了鉆井液用降濾失劑。對合成產(chǎn)物的性能對比分析發(fā)現(xiàn)，使用反相乳液聚合法合成的產(chǎn)物在抗溫抗鹽能力方面顯著優(yōu)于水溶液聚合法合成的產(chǎn)品。

　　2) 反相乳液聚合法將不同活性的單體包覆在乳液微粒中進(jìn)行聚合反應(yīng)，可大幅度增加單體之間的碰撞概率，從而提高低活性單體的競聚率，使單體在微觀層面分布更為均勻，合成產(chǎn)物的單體分布更符合投料比例，從而提高了產(chǎn)物的抗鹽性和抗溫性。

　　3) 研發(fā)的抗高溫降濾失劑LS200抗溫240 ℃，抗飽和 NaCl 鹽水，在高溫高鹽環(huán)境下仍有很好的降濾失作用和流型穩(wěn)定能力。

　　4) LS200已累計在大慶油田宋深9-平1等3口深井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，體現(xiàn)出配伍性好、抗高溫能力強(qiáng)、降失水能力突出等優(yōu)點(diǎn)，施工過程中未出現(xiàn)剝落、掉塊和卡鉆等井下復(fù)雜問題，節(jié)約鉆機(jī)日費(fèi) 50.22 萬元，減少鉆井液消耗費(fèi)用 10.368 萬元，具有良好的推廣應(yīng)用前景。——論文作者：竹學(xué)友 趙亞濤 閆晶

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