现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (8) : 192-198. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.08.032

科研与开发

抗温耐盐降滤失剂的合成及评价

丁玉欢 ¹ ,
程云 ²^,^* ,
马诚 ¹ ,
吴限 ¹ ,
邓晓琦 ¹^,³

作者信息 +

Synthesis and evaluation of high-temperature and salt-resistant filtration reducers

DING Yu-huan ¹ ,
CHENG Yun ²^,^* ,
MA Cheng ¹ ,
WU Xian ¹ ,
DENG Xiao-qi ¹^,³

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Received		Published
2025-10-13		2026-08-20
Issue Date	Revised Date
2026-08-13	2025-10-13

PDF (5466K)

摘要

以丙烯酰胺(AM)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)为单体,创新性地引入纳米碳酸钙作为无机核芯,通过包覆聚合合成了一种抗温耐盐降滤失剂(DY)。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)与热重分析(TG)证实其分子结构正确且热稳定性优良(T_5%=205.29℃)。性能评价表明,DY在210℃、15% NaCl条件下仍保持优异性能:加入2.5% DY后,老化后常温常压(API)滤失量仅为11.2 mL。结合扫描电子显微镜(SEM)、比表面积与孔径分析仪(BET)、粒度分布与Zeta电位等表征,系统揭示了DY通过形成致密滤饼、优化颗粒分布与增强静电稳定性的多重作用机制,为高温高盐钻井液提供了新型高效处理剂。

Abstract

Using acrylamide (AM) and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS) as monomers,nano-calcium carbonate was innovatively introduced as an inorganic core,and a high-temperature and salt-resistant fluid loss agent (DY) was synthesized via encapsulation polymerization.Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) and thermogravimetric analysis (TG) confirmed its correct molecular structure and excellent thermal stability (T_5%=205.29℃).Performance evaluation demonstrated that DY maintains outstanding performance even under conditions of 210℃ and 15% NaCl:with the addition of 2.5% DY,the API filtration loss after aging was only 11.2 mL.Combined with characterization techniques such as scanning electron microscopy (SEM),specific surface area and pore size analyzer (BET),particle size distribution,and Zeta potential analysis,the multiple mechanisms of DY were systematically elucidated,including the formation of a compact filter cake,optimization of particle distribution,and enhancement of electrostatic stability.This provides a novel and efficient treatment agent for high-temperature and high-salinity drilling fluids.

关键词

降滤失剂 / 碳酸钙 / 抗高温 / 耐盐 / 滤饼

Key words

filtration reducers / CaCO₃ / high-temperature resistance / salt resistance / filter cake

引用本文

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丁玉欢,程云,马诚,吴限,邓晓琦. 抗温耐盐降滤失剂的合成及评价[J]. 现代化工, 2026, 46(8): 192-198 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.08.032

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由于在浅中埋藏地层中发现新的大规模油气藏越来越困难,全球油气勘探已扩展至深部和超深地层^[1]。随着全球油气勘探向深层、超深层储层转移,高温、高盐环境对钻井液性能提出了严峻挑战^[2-4]。钻井液在高温高压条件下易发生流失,不仅增加钻井成本,还可能造成环境污染^[5-7]。对于油基钻井液来说,高昂的成本和环境影响限制了其使用^[8-9]。水基钻井液(WBDF)虽具有环境友好和成本优势,但其高温高盐条件下的滤失控制问题亟待解决。随着井深的增加,温度会不断升高,钻井液的循环时间也会延长,任何钻井活动的成功主要取决于钻井液的特性,钻井液的滤失性能是必不可少的,因此,降滤失剂成为一种重要的处理剂^[10-13],可以通过提高滤液粘度,通过吸附形成柔性弹性吸附层,堵塞泥饼孔来达到减少失水的效果^[14],并且会在井壁上形成一层薄而低渗透性的滤饼,有效降低滤饼的孔隙率和孔径,进一步减少失水改变滤饼结构,稳定井壁、确保钻井安全和效率以及避免地层破坏^[15]。

传统聚合物降滤失剂在极端环境下性能显著下降,因此设计开发一种抗温耐盐的新型降滤失剂成为研究热点^[16]。本研究创新性地采用纳米CaCO₃为核、丙烯酰胺(AM)/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)共聚物为壳的复合结构,通过包覆聚合工艺,显著提升了聚合物的热稳定性和耐盐性,解决了传统聚合物在高温高盐条件下易降解、滤失控制能力下降的问题,以期为石油钻井作业提供更有效的技术支持。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS),碳酸钙(CaCO₃)、过硫酸钾(K₂S₂O₈)、氯化钠(NaCl)、无水碳酸钠(Na₂CO₃)、无水亚硫酸钠(Na₂SO₃)分析纯。

GJS-B12K型变频高速搅拌机、GRL-BX3型便携式滚子加热炉、ZNN-D6六速旋转黏度计,青岛百瑞达石油机械制造有限公司;D2004W型电动搅拌器,上海梅浦仪器制造有限公司。

1.2 降滤失剂(DY)的合成

1.2.1 分子结构设计依据

本研究选用AM和AMPS作为共聚单体,其中AM提供强吸附性,AMPS引入磺酸基团增强耐盐性;纳米CaCO₃为无机核芯,不仅提供刚性支撑,抑制聚合物链在高温下的热运动,还能通过物理填充作用优化滤饼结构,合成机理见图1。

图1(a)展示了AM与AMPS的自由基共聚过程;图1(b)示意了聚合物链通过物理吸附与氢键作用包覆在纳米CaCO₃表面,形成核壳结构。

1.2.2 合成流程

(1)称取2 g干燥处理后的纳米碳酸钙和适量的去离子水,加入到烧杯中,进行超声和匀浆处理,得到相对均匀的预溶液。

(2)再称取质量比16∶3的AM、AMPS和0.5 g引发剂K₂S₂O₈,加入到有上述预溶液的烧杯中,将烧杯放入恒温加热磁力搅拌器中,待反应完成。

(3)所得产物放于真空干燥箱中干燥24 h,再将干燥后的产物用粉碎机进行粉碎,得到白色粉末状产物,即为抗温耐盐降滤失剂(DY),合成产物过程见图2。

1.3 钻井液的配置和性能评价

1.3.1 钻井液的配置

准确量取1 000 mL水,向其中加入20 g膨润土和2 g无水碳酸钠,使用高速搅拌设备对其进行 20 min的搅拌。搅拌完成后,将容器在室温条件下进行密闭处理,使其养护24 h,经过上述操作,即可成功制备出浓度为2%的淡水基浆。按照相应比例加入占基浆总量若干质量比的NaCl,接着使用搅拌装置持续搅拌20 min,使NaCl充分溶解并均匀分散于基浆中。随后,将基浆在室温环境下放置,并进行密闭处理并养护24 h,最终获得含有若干质量比的NaCl的盐水基浆。

1.3.2 性能评价

将ZNN-D6六速旋转黏度计的转速分别调至600、300 r/min,在刻度盘读值稳定后,读取并记录刻度盘读数。

实验结果按式(1)~式(4)计算。

(1)$\mathit{A}\mathit{V}={\mathit{\varphi }}_{600}/2$

(2)$\mathit{P}\mathit{V}={\mathit{\varphi }}_{600}-{\mathit{\varphi }}_{300}$

(3)$\mathit{Y}\mathit{P}=0.511\times ({\mathit{\varphi }}_{300}-\mathit{P}\mathit{V})$

向过滤杯中加入样品至液面距密封端约1 cm处,放置滤纸后压紧过滤盖。在排液管下方放置量筒以收集滤液。迅速加压至设定值,并于第一滴滤液出现时开始计时。记录7.5 min内的滤液体积。实验结束后卸压,小心开盖,取出滤纸并清除滤饼。

(4)$\mathit{F}{\mathit{L}}_{\mathit{A}\mathit{P}\mathit{I}}=2\times \mathit{V}\left(7.5\right.\mathit{ }\mathit{m}\mathit{i}\mathit{n})$

2 结果与讨论

2.1 DY的表征分析方法

2.1.1 傅里叶变换红外光谱表征(FT-IR)

首先将DY在60℃下经鼓风干燥箱进行烘干预处理,然后用KBr压片法对其分子结构进行表征。

DY的红外光谱图如图3所示。3 439 cm^-1为N—H的伸缩振动峰;2 935 cm^-1为酰胺基的伸缩振动峰;1 679 cm^-1为酰胺键中的C=O振动吸收峰,1 189 cm^-1和1 041 cm^-1为特有的—S${\mathit{O}}_{3}^{2-}$特征吸收峰。由此可以推断得到的DY与目标产物一致。

2.1.2 热失重性能分析

采用热重测试仪对其热稳定性进行测试。实验在氮气氛围下进行,升温速率为10℃/min,温度范围为0~800℃。

由图4和表1可知,产品DY的失重分为3个阶段,第1阶段在45.55~321.75℃质量损失为32.48%,其中主要是由于产物中少量的自由水蒸发以及亲水基团造成的失重所致;第2阶段在321.75~518.43℃质量损失为49.13%,超过321.75℃后产品快速分解,这部分的质量损失主要为分子中的主链受热分解;第3阶段为518.43℃以上的分解,热失重曲线陡然下降,主要为剩余碳的热解所致。因此表明降滤失剂DY在高温下具有较好的热稳定性。

2.2 DY的流变性及滤失性能测试

2.2.1 DY的不同加量对流变性及滤失性能的影响

不同DY加量下,加入15% NaCl,在150℃/16 h滚动老化前后钻井液流变和滤失性能评价结果如图5所示。

由图5可知,随着DY含量的增加,钻井液的表观黏度(AV)、塑性黏度(PV)、动切力(YP)均逐步增加,表现出了良好的流变调节作用。常温常压(API)滤失量随着DY含量的增加而降低,当DY含量为2.5%时,老化后的API滤失量由144.0 mL降低为11.2 mL,表现出了优异的滤失性能,并且通过在井壁上形成低渗透性、致密坚韧的滤饼来封堵地层孔隙。

2.2.2 不同的老化温度对流变性及滤失性能的影响

加入2.5%的DY、15%的NaCl,在150~220℃/16 h滚动老化前后钻井液流变和滤失性能评价结果如图6所示。

由图6可知,在150~220℃的高温条件下,随着温度的升高,钻井液的表观黏度(AV)、塑性黏度(PV)和动切力(YP)均呈现显著下降的趋势,AV、PV、YP分别为109.5~47.3、64.0~39.0 mPa·s、46.9~16.5 Pa,这表明钻井液的总体流动阻力、内部摩擦力和网架结构强度被高温严重削弱。钻井液的API滤失量呈现明显增大的趋势,从11.2 mL增加到21.6 mL,这表明一旦分子链因高温断裂,其封堵能力就大大减弱,滤饼的孔隙变大、结构变得疏松,无法有效阻止滤液通过,导致滤失量急剧上升。

2.2.3 不同的盐浓度对流变性及滤失性能的影响

加入2.5%的DY、0~15%氯化钠,在150℃/16 h滚动老化前后钻井液流变和滤失性能评价结果如图7所示。

由图7可知,随着NaCl浓度的增加,各项参数均呈现非单调性变化,其根本原因在于:盐的“抑制-絮凝”双重作用机制随其浓度变化而发生主导地位的转换^[17]。在低浓度区:抑制效应主导,表现为粘度、切力下降,滤失控制能力减弱。在高浓度区:强絮凝效应主导,表现为粘度、切力上升,滤失量先降(老化前)后升(老化后)。对于高温老化后,暴露了不同盐浓度下体系结构的稳定性,适量盐可能与处理剂、粘土形成了抗温复合结构,因此加入DY后,钻井液体系能保持优良的抗高温耐盐能力。

2.3 机理分析

2.3.1 扫描电子显微镜(SEM)分析

为探究DY在钻井液中的作用机制,将配制好的盐水基浆与含2.5% DY的盐水基浆在150℃老化16 h后进行API测定,测定后取其滤饼并烘干。

由图8可知,未加入DY的滤饼厚且松散,而加入DY后滤饼变得薄而韧,通过分析图9可知,盐水基浆的滤饼表面黏土颗粒互相堆叠聚结明显,存在团聚和分散不良现象。为水分子提供了渗透通道从而造成滤失效果极差,而加入DY的滤饼表面光滑没有明显的大颗粒堆积,孔隙更小且分布均匀,显示出更高的致密性。这表明降滤失剂通过有效桥接和填充作用改善了滤饼质量,从而降低了滤失量,增强了井壁稳定性,提升了钻井液的整体性能。

2.3.2 EDS分析

能量色散X射线能谱仪(EDS)通过不同元素发出的特征X射线具有不同波长和强度的特点,可以对物质中的元素种类和含量进行分析^[18]。因此可以通过EDS对比盐水基浆滤饼和加入降滤失剂后的盐水基浆滤饼的元素变化,来判断聚合物是否与土浆发生作用吸附在一起,盐水基浆和含2.5% DY盐水基浆滤饼的元素含量见图10。

由图10可知,盐水基浆中Na和Cl两种元素的质量比约为89%,另外还有8.80%的C及少量O、N元素,所以盐水基浆的主要成分为氯化钠溶液,同时含有大约9%的有机质成分(以碳计)及微量氧氮化合物。将DY加入盐水基浆,会导致盐水基浆的元素种类和含量发生改变,可以发现加入2.5% DY后,盐水基浆滤饼上的元素含量发生显著变化,C元素的质量百分比增加了4.84%;另外分别新增了来自于AM和AMPS中1.25%的N元素、AMPS中0.64%的S元素和CaCO₃中3.43%的Ca元素。加入DY前后滤饼中元素含量的变化,证实了降滤失剂有效的附着在黏土颗粒中。

2.3.3 BET分析

由表2可知,基浆老化后滤饼比表面积为11.741 5 m²/g、孔容积为0.065 4 mL/g,而加入DY的滤饼比表面积为4.089 1 m²/g、孔容积为0.020 0 mL/g,说明未加入DY滤饼的结构疏松多孔,且孔体积较大,水分子极易通过,滤失效果差,加入DY后比表面积及孔容积显著降低,说明形成的滤饼结构致密,孔隙较小,对应着较好的降滤失效果。

2.3.4 粒度分布分析

降滤失剂加量会影响其钻井液颗粒大小及分布。按照上述方法配置好基浆,分别在基浆中加入0%~2.5% DY,充分搅拌后,将不同降滤失剂加量下的土浆加入到激光粒度仪,待样品溶解均匀达到仪器检测信号范围后进行测定,实验结果见表3。

由图11可知,空白滤纸的SEM显示孔径范围约为18 μm至23 μm(根据比例尺)。根据“最佳颗粒尺寸理论”,当密封材料的平均粒径满足D_mean≈(0.33~0.67)×孔径时,即可同时实现桥接稳定性和孔隙填充效率。这意味着对于盐水基浆液中的流体损失抑制剂(DY),当粒径处于5 940 nm至15 410 nm范围内时,其性能将达到最佳状态。在此条件下,颗粒尺寸分布被认为最符合地层孔隙尺寸的理想1/3~2/3黄金比例。因此由表3可知,在DY含量为2.5%时,D_mean为14 189.2 nm,此时符合1/3至2/3原则,既保证了初始桥接稳定性,又为小颗粒填充预留了充足空间,从而实现最佳过滤效果^[19]。

2.3.5 Zeta电位分析

Zeta电位数值的高低间接反应体系配方中微粒的稳定性,主要因为该值表征微粒表面所带电荷数量的多少,当微粒表面带电量越多后,微粒之间的静电斥力越大,微粒的分散性越好,在宏观上反映钻井液体系的物理稳定性越好^[20]。

由图12可知,降滤失剂(DY)的加量和微粒表面Zeta电位的绝对值呈正相关,这是由于降滤失剂的吸附基团增加了黏土表面的负电荷,使双电层的Zeta电位提高,从而使得范德华力远小于静电斥力,阻止颗粒的继续沉降,使基浆中的黏土颗粒分布均匀,增加了其稳定性。

3 结论

(1)本研究以丙烯酰胺(AM)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)为单体,通过包覆纳米碳酸钙(CaCO₃)并引发聚合,成功制备出了一种新型抗温耐盐降滤失剂DY。FT-IR光谱分析证实了其分子结构与设计目标一致。TG分析证明了DY具有良好的热稳定性(T_5%=205.29℃),这是其抗温性能的结构基础。

(2)性能评价表明,所合成的降滤失剂DY具有卓越的抗高温(210℃)和抗盐(15% NaCl)能力。在最优加量(2.5%)下,能将盐水基浆经150℃老化后的API滤失量从144.0 mL大幅降低至11.2 mL,同时能有效调节钻井液的流变性(AV为124.0 mPa·s,PV为74.0 mPa·s),表现出优异的综合性能。

(3)通过多维度表征揭示了DY的作用机理:SEM与BET分析表明,DY的加入能形成更薄、更致密、孔隙更细的滤饼,有效封堵渗流通道。EDS分析证实了DY分子成功吸附在黏土颗粒上。粒度分析表明,在2.5%加量下,颗粒平均粒径(D_mean=14 189.2 nm)符合“1/3~2/3”理想封堵理论,实现了桥接与填充的最佳平衡。Zeta电位分析表明,DY能提高黏土颗粒表面的负电荷,增强静电斥力,从而改善颗粒分散稳定性,利于形成致密滤饼。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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