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抗温耐盐钻井液降滤失剂DASAN的合成及性能研究

全红平 ,  肖盛文 ,  梁燕

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5) : 151 -157.

PDF (3548KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5) : 151-157. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.025
科研与开发

抗温耐盐钻井液降滤失剂DASAN的合成及性能研究

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Synthesis and performance evaluation of DASAN filtrate loss reducer for temperature resistant and salt tolerant drilling fluid

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摘要

针对现用水基钻井液降滤失剂抗温耐盐能力不足的问题,以N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)、丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、磺酸甜菜碱(SPE)、烯丙基聚氧乙烯醚(APEG-2400)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)为单体,采用水溶液聚合方式合成了一种抗温耐盐水基钻井液降滤失剂DASAN。通过单因素法对合成条件进行优化,利用傅里叶红外光谱仪和凝胶色谱仪确定了聚合产物的分子结构及分子质量;通过热重分析仪分析了DASAN的热重稳定性。结果表明,在DASAN质量分数为1.5%,200℃老化后,滤失量为8.6 mL;在36% NaCl和1.0% CaCl2的盐水泥浆中滤失量分别3.7 mL和7.3 mL,同时耐复合盐方面也有优良的性能。通过形貌、Zeta电位和粒度分析表明,DASAN能有效地提高滤饼质量,增强静电稳定性和降低黏土颗粒大小,以此达到降滤失的效果。

Abstract

To address insufficient temperature and salt resistance of current filtration loss reducer for water-based drilling fluid,a novel filtration loss reducer with temperature and salt resistance,DASAN,is synthesized via aqueous solution polymerization method by using N,N-dimethylacrylamide (DMAA),acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (AMPS),sulfobetaine (SPE),allyl polyoxyethylene ether (APEG-2400),and N-vinylpyrrolidone (NVP) as monomers.The synthesis conditions are optimized through single-factor method.The molecular structure and molecular weight of DASAN copolymer are determined by means of FT-IR and gel chromatograph (GPC),and the thermogravimetric stability is analyzed by means of TGA.It is shown by the results that the filtrate loss amount is 8.6 mL when the mass fraction of DASAN is 1.5% and the aging is done at 200℃.The filtrate loss amount is 3.7 mL in 36% NaCl slurry and 7.3 mL in 1.0% CaCl2 slurry.DASAN also exhibits excellent composite salt tolerance.Through the analysis of morphology,Zeta potential and particle size,it is verified that DASAN can effectively improve the quality of filter cake,enhance the electrostatic stability and reduce the size of clay particles,as a way to achieve the effect of reducing the filtration loss.

Graphical abstract

关键词

水基钻井液 / 耐盐 / 抗温 / 降滤失剂

Key words

water-based drilling fluid / salt tolerance / temperature resistance / filtrate loss reducer

引用本文

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全红平,肖盛文,梁燕. 抗温耐盐钻井液降滤失剂DASAN的合成及性能研究[J]. 现代化工, 2025, 45(5): 151-157 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.025

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随着我国深层、超深层油气勘探的发展,复杂高温高盐地层对钻井液性能提出更高要求[1-2]。降滤失剂作为关键处理剂需在高温高盐环境下维持稳定性能,通过减少滤液侵入地层、形成优质泥饼来保障井壁稳定。传统天然高分子类虽成本低且环保但抗温耐盐性不足[3]。目前以丙烯酰胺(AM)为主体的降滤失剂受到广泛研究,但拥有较大空间位阻且具有一定疏水缔合作用的N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)作为主体能使其拥有更好的抗温性能[4-6],2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和磺酸甜菜碱(SPE)带有的磺酸基团,可以显著提高降滤失剂的抗温和耐盐能力[7-8],另外,SPE由于同时具有正负电荷,使其具有反聚电解质溶液效应,能让其在电解质入侵时不太敏感[9-12],APEG的长链可用于传递立体排斥和静电斥力,从而维持黏土颗粒的分散,而APEG-2400比其他链长的APEG抗温性更优[13-15],N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)由于具有刚性很强的五元杂环结构,能有效地提高分子链的热稳定性[16],提高降滤失剂抗温能力。因此,选用DMAA、AMPS、SPE、APEG-2400、NVP合成抗高温耐盐钻井液降滤失剂。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

主要实验试剂:烯丙基聚乙二醇(APEG-2400),工业级;N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)、磺酸甜菜(SPE)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、2,2'-偶氮二(2-甲基丙基脒)二盐酸盐(V50)、Na2CO3、NaCl、CaCl2、NaOH,均为分析纯。
主要实验仪器:JJ-1型增力电动搅拌器;S212型高速搅拌机;ZNN-D6B型六速旋转黏度计;ZNS-2型泥浆失水量测定仪;BRGL-7型滚子加热炉;WQF-520型傅里叶红外变换光谱仪;Mettler TGA/DSC1型同步综合热分析仪;Agilent 1260 Infinity Ⅱ型凝胶渗透色谱仪;Zata PALS 190 Plus型Zeta电位仪;Phenmo pro X型扫描电子显微镜;Master sizer 2000型激光粒度分析仪。

1.2 降滤失剂的合成

将一定量的AMPS溶入去离子水中,用NaOH小颗粒调节溶液pH至7,再按一定比例加入DMAA、SPE、APEG-2400和NVP,充分搅拌,待温度达到设定值后加入引发剂V50,反应一段时间后得到胶体状聚合物降滤失剂,用无水乙醇和丙酮进行洗涤、剪切提纯烘干打粉后得到降滤失剂DASAN,DASAN聚合原理如图1所示。

1.3 降滤失剂的结构表征

利用傅里叶变换红外光谱仪(WQF-520型)表征DASAN分子结构;利用凝胶渗透色谱仪(Agilent 1260 Infinity Ⅱ型)测试DASAN的相对分子质量;利用热重分析仪(Mettler TGA/DSC1型)考察DASAN的热稳定性。

1.4 性能评价

1.4.1 基浆的配制

(1)淡水基浆:在5 000 mL烧杯中加入3 000 mL自来水,搅拌下加入4.8 g无水碳酸钠和120 g钠膨润土,搅拌至少2 h后,在室温条件下密闭静置24 h得到所需淡水基浆。
(2)盐水基浆:在400 mL配置好的淡水基浆中加入一定质量的盐,高速搅拌20 min后得到盐水基浆。

1.4.2 流变性与滤失性测定

按照GB/T 16783.1—2014标准,采用六速旋转黏度计和泥浆失水量测定仪测定老化前后水基钻井液的表观黏度(AV)、塑性黏度(PV)、动切力(YP)和滤失量(FLAPI)。

2 结果与讨论

2.1 降滤失剂合成条件优化

2.1.1 单体配比优化

固定反应时间为5 h、反应温度为60℃、单体质量分数为30%、引发剂质量分数为0.3%、反应pH为7,改变单体摩尔比合成DASAN,并在淡水基浆中加入1.0%的DASAN,考察其降滤失性能,结果见表1。由表1可知,当单体摩尔比n(DMAA)∶n(AMPS)∶n(SPE)∶n(APEG-2400)∶n(NVP)=100∶8∶1∶1∶0.5时,滤失量为7.1 mL,降滤失效果最好,说明在该摩尔比下的降滤失剂官能团之间达到良好的协同作用,使降滤失剂具有优良的降滤失效果。

2.1.2 单体质量分数的优化

固定单体摩尔比n(DMAA)∶n(AMPS)∶n(SPE)∶n(APEG-2400)∶n(NVP)=100∶8∶1∶1∶0.5、反应时间为5 h、反应温度为60℃、引发剂质量分数为0.3%、反应pH为7,改变单体质量分数合成DASAN,并在淡水基浆中加入1.0%的DASAN,考察其降滤失性能,结果如图2所示。由图2可知,当单体质量分数为35%时,滤失量达到最低为7.0 mL。当单体质量分数较低时,分子间碰撞减少,导致DASAN分子质量较小;而高浓度下单体间碰撞频率提高虽加速反应速度,却会降低聚合度,从而降低滤失效果。因此确定单体质量分数为35%。

2.1.3 聚合反应pH的优化

固定单体摩尔比n(DMAA)∶n(AMPS)∶n(SPE)∶n(APEG-2400)∶n(NVP)=100∶8∶1∶1∶0.5、反应时间为5 h、反应温度为60℃、引发剂质量分数为0.3%、单体质量分数为35%,改变反应pH合成DASAN,并在淡水基浆中加入1.0%的DASAN,考察其降滤失性能,结果见图3。由图3可知,滤失量随着pH的增大先减小再增大,酸性条件抑制了引发剂分解和链转移作用,降低聚合物聚合性能;强碱条件加速链转移和引发剂水解,导致反应提前终止使分子质量过小,两者均削弱了DASAN降滤失效果。由此确定体系聚合反应pH为8,此时滤失量为6.8 mL。

2.1.4 聚合反应温度优化

固定单体摩尔比n(DMAA)∶n(AMPS)∶n(SPE)∶n(APEG-2400)∶n(NVP)=100∶8∶1∶1∶0.5、反应时间为5 h、引发剂质量分数为0.3%、单体质量分数为35%、反应pH为8,改变聚合反应温度合成DASAN,并在淡水基浆中加入1.0%的DASAN,考察其降滤失性能,结果见图4。由图4可知,滤失量随反应温度升高呈先降后升趋势,60℃时达最低值6.8 mL。当温度低于60℃时,因引发剂分解缓慢导致自由基浓度较低,单体反应不完全;而超过60℃则因反应速率过快引发爆聚使反应提前终止。故确定反应温度为60℃。

2.1.5 引发剂质量分数的优化

固定单体摩尔比n(DMAA)∶n(AMPS)∶n(SPE)∶n(APEG-2400)∶n(NVP)=100∶8∶1∶1∶0.5、反应时间为5 h、反应温度为60℃、反应pH为8、单体质量分数为35%,改变引发剂质量分数合成DASAN,并在淡水基浆中加入1.0%的DASAN,评价其降滤失性能,结果见图5。由图5可知,当引发剂添加质量分数为0.3%时,滤失量达到最低值6.8 mL。加量较少时自由基数量少,导致反应减缓、聚合度降低、分子质量过小;过量则因自由基过多使反应过快终止,分子质量过小,降滤失效果下降,故确定引发剂质量分数为0.3%。

2.1.6 反应时间的优化

固定单体摩尔比n(DMAA)∶n(AMPS)∶n(SPE)∶n(APEG-2400)∶n(NVP)=100∶8∶1∶1∶0.5、引发剂质量分数为0.3%、反应温度为60℃、单体质量分数为35%、反应pH为8,改变反应时间合成DASAN,并在淡水基浆中加入1.0%的DASAN,考察其降滤失性能,结果见图6。由图6可知,随着反应时间增加,其滤失量不断降低,当反应时间为5 h时,达到6.8 mL,再增加其反应时间,其滤失降低不明显,故确定反应时间为5 h。

2.2 降滤失剂的表征

2.2.1 FT-IR分析

降滤失剂DASAN的FT-IR谱图如图7所示。从图7可知,在3 460 cm-1处有宽峰,这来自于DMAA和AMPS中的N—H伸缩振动;2 930 cm-1附近的吸收峰是甲基—CH3和亚甲基—CH2—中的C—H伸缩振动;在1 635 cm-1附近的峰与聚合物中的酰胺和酯基结构相关,是DMAA、AMPS、NVP和SPE中的C=O的伸缩振动;在1 490 cm-1附近的峰与聚合物DMAA、NVP和SPE中C—N伸缩振动有关;在1 190 cm-1附近的吸收峰是APEG中O—C—O的伸缩振动;1 040 cm-1处的峰为磺酸根的特征峰,625 cm-1的峰为与磺酸根相连的C—S伸缩振动有关。结果表明,红外光谱图中各个特征峰与聚合物中的关键官能团一致,由此可知各单体均聚合在DASAN上。

2.2.2 GPC分析

钻井液泥浆中使用的聚合物处理剂大部分都是高分子聚合物,分子质量在数百万到几千万之间。聚合物处理剂分子质量过大会导致黏度过大、流变性变差;分子质量过小,通常耐温性较差,且滤失效果差。降滤失剂DASAN的GPC测试见表2,DASAN数均分子质量(Mn)为612 790,多分散系数为2.271 0。说明DASAN分子质量合理且具有较宽的分子质量分布,可有效地提高钻井液黏度和降低滤失量。

2.2.3 热重分析

降滤失剂DASAN的热重曲线如图8所示。从图8中可以看出,样品在75.6℃有1个小的质量损失,由于此时的温度较低,这是源于聚合物中的易挥发成分或低分子质量组分的挥发或分解。在279.2℃和407.3℃处观察到主要分解阶段,这是聚合物中多种官能团导致的不同热分解特性,在279.2℃前降滤失剂未发生明显热分解,质量分数在90%以上,说明DASAN有良好的抗温性能。

2.3 降滤失剂的性能评价

2.3.1 降滤失剂质量分数对滤失性和流变性的影响

将不同质量的DASAN加入淡水基浆中,测定在室温条件下淡水基浆中加入0~2.0% DASAN后的流变性和滤失量,结果见表3。从表3中可以看出,黏度随DASAN质量分数的增加而上升,滤失量则呈下降趋势。当DASAN质量分数为1.5%时,滤失量为6.4 mL,由于DASAN中的酰胺基团、季铵基团、长支链增强了DASAN对黏土颗粒吸附能力及分散程度,从而提升了体系黏度又降低滤失量。当DASAN质量分数达2.0%时,黏度持续增长但降滤效果趋于稳定,表明黏度提升并非改善滤失效果的主因。因此选用DASAN质量分数为1.5%。

2.3.2 降滤失剂的抗温能力

在配置好的淡水泥浆中加入1.5% DASAN,在不同温度下老化16 h后,测定其滤失量和流变性,结果见表4。从表4中可以看出,随着温度从室温上升到200℃,泥浆黏度逐渐下降,滤失量缓慢增加。当老化温度达到200℃时,滤失量为8.6 mL,说明该DASAN拥有优良的抗高温性能。这是因为DASAN分子中大量的磺酸基团具有较强的水化能力,且大量的吸附基团使DASAN有效地吸附在黏土颗粒上,吡咯烷环在高温下不易降解,在高温下长支链间发生缔合形成网格结构也能减少自由水渗透量,以上功能性官能团共同作用使DASAN的降滤失性能在高温下受影响较小。

2.3.3 降滤失剂的耐盐能力

在老化温度为160℃、老化时间为16 h的条件下,将不同质量的NaCl加入含有1.5% DASAN基浆中,测试不同NaCl质量分数的钻井液老化前后的流变性和滤失量,结果见表5。从表5中可以看出, 随着盐质量分数的增加,老化前钻井液表观黏度和滤失量都呈现缓慢下降的趋势,饱和盐时滤失量为3.7 mL,这是由于DASAN分子中大量的功能性基团对电解质不敏感;同时长支链形成的网状结构降低了盐对黏土颗粒的影响。160℃老化后表观黏度相比老化前微降,滤失量呈上升趋势,当达到饱和盐时滤失量为17.5 mL,其可以满足实际应用需求。说明该降滤失剂DASAN具有良好的耐盐能力。

2.3.4 降滤失剂的耐钙能力

在老化温度为160℃、老化时间为16 h的条件下,将不同质量的CaCl2加入含有1.5% DASAN基浆中,测试不同CaCl2质量分数的钻井液老化前后的流变性和滤失量,结果见表6。从表6中可以看出,老化前后随着钙质量分数的增加黏度下降,滤失量逐渐增加,这是由于钙对黏土颗粒的压缩效应高于钠。老化前CaCl2质量分数为1.0%时,滤失量为7.3 mL;160℃老化后当CaCl2质量分数达1.0%时,滤失量为15.6 mL,滤失量仍然能达到较低的值。说明该降滤失剂DASAN有较好的耐钙能力。

2.3.5 降滤失剂耐复合盐能力

复杂地层中通常是多种盐共存,在老化温度为160℃、老化时间为16 h的条件下,将一定质量的NaCl、KCl、CaCl2和MgCl2加入含有1.5% DASAN基浆中,测试钻井液老化前后的流变性和滤失量,结果见表7。从表7中可以看出,钻井液体系在5% NaCl+0.1% CaCl2+5% KCl+0.1% MgCl2质量分数下老化前后滤失量分别为4.9 mL和5.3 mL,在NaCl和KCl质量分数提升到10%时,老化前黏度轻微下降,滤失量不变,160℃老化后滤失量上升到8.1 mL。说明该DASAN有较好的耐复合盐能力。

2.4 降滤失剂降滤失机理研究

2.4.1 微观形貌分析

在淡水基浆和饱和盐水基浆中分别加入1.5% DASAN后测定其API滤失量,30 min后取下滤饼,自然风干后通过扫描电子显微镜观察滤饼的微观形貌,结果如图9所示。从图9(a)中可以看出,淡水基浆滤饼表面存在明显大颗粒且凹凸不平;从图9(b)中可以看出,添加DASAN后黏土表面形成水化膜,淡水滤饼变得致密光滑,无明显大颗粒堆积。从图9(c)中可以看出,饱和盐水环境中黏土颗粒因电解质作用使滤饼产生大量结块堆集和裂缝;从图9(d)中可以看出,加入DASAN饱和盐水滤饼仍出现大颗粒,但是DASAN有较好的吸附能力,将颗粒紧密联结在一起,未出现大量的裂缝和孔洞。实验表明DASAN显著提升了淡水和饱和盐水泥浆的滤饼质量。

2.4.2 降滤失剂对黏土Zeta电位影响

测定了0~2.0% DASAN质量分数的淡水基浆200℃老化前后的Zeta电位,结果如图10所示。由图10可知,加入DASAN后Zeta电位的绝对值从 20 mV提高到33 mV,说明降滤失剂中的官能团有效地吸附在黏土颗粒上,增强了泥浆的静电稳定性;200℃老化16 h后Zeta电位绝对值大幅度增大,因为高温作用下,DASAN能更好地渗透到黏土颗粒内部,说明该降滤失剂在高温下能有效提高钻井液体系的稳定性和分散性。

2.4.3 降滤失剂对黏土颗粒粒径的影响

通过激光粒度分析仪测定淡水基浆加入不同处理剂老化前后粒径分布,结果见表8。由表8可知,加入DASAN后的淡水基浆老化前后中值粒径分别从3.382、4.167 μm下降至2.418、2.380 μm,在盐水基浆中加入DASAN后,其中值粒径依然小于淡水基浆的中值粒径。黏土颗粒的减小能使其有效地填充滤饼中的空隙,从而降低滤饼渗透率,说明DASAN在高温和盐环境中对黏土颗粒有较好的吸附效果,有效降低了黏土颗粒的大小,使其在具有良好的抗高温、耐盐能力。

3 结论

(1)以DMAA、AMPS、SPE、APEG-2400、NVP为单体,V50为引发剂进行自由基聚合反应,合成了一种抗温耐盐的钻井液降滤失剂DASAN,并确定了其聚合条件为:n(DMAA)∶n(AMPS)∶n(SPE)∶n(APEG-2400)∶n(NVP)=100∶8∶1∶1∶0.5、反应pH为8、单体质量分数为35%、反应温度为60℃、反应时间为5 h、引发剂质量分数为0.3%、反应时间5 h。
(2)通过FT-IR结构表征得到了目标产物,GPC测得数均分子质量为6×105,分子质量大小合适,同时热重分析表明降滤失剂DASAN有较好的热稳定性。
(3)DASAN质量分数为1.5%,200℃老化后,API滤失量为8.6 mL。NaCl质量分数为36%时,160℃老化前后滤失量分别为3.7 mL和17.5 mL;CaCl2质量分数为1.0%时,160℃老化前后滤失量为7.3 mL和15.6 mL。在10% NaCl、10% KCl、0.1% CaCl2和0.1% MgCl2复合盐水浆中160℃老化前后滤失量为4.9 mL和8.1 mL。
(4)通过对钻井液滤饼Zeta电位、钻井液粒度分析表明,DASAN能有效地提高滤饼质量,增强静电稳定性和降低黏土颗粒大小,使其具有优良的抗温、耐盐能力。

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