高進(jìn)浩，沈一丁，王 磊，馬國艷，魏向博，王新亮

（教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710021）

降濾失劑是鉆井液失水控制的重要指標(biāo)。隨著鉆探特殊井、超深井及復(fù)雜井?dāng)?shù)量的增加，人們對鉆井液工藝提出了更高的性能要求，開發(fā)耐鹽、抗高溫性能的降濾失劑成為目前的研究重點(diǎn)。以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）為主要原料合成的降濾失劑較多，原因是AMPS中含有磺酸基和羧基，由其合成的降濾失劑具有耐鹽、抗高溫等性能，但該類降濾失劑不能滿足鉆井過程中的高降濾失、耐水解等性能要求［1-7］。

為解決上述局限，本工作以丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、AMPS和烯丙基聚乙二醇（APEG）為原料，合成了一種多元共聚乳液GY-9，并將GY-9與腐植酸復(fù)配得到降濾失劑GJH-1?？疾炝藛误w配比、腐植酸與GY-9配比、GJH-1用量、溫度等對GJH-1降濾失性能的影響；研究了GJH-1對頁巖的抑制性及其對防膨率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及儀器

APEG、AMPS、AA、AM、鈣膨潤土：工業(yè)品，中國石油長慶油田分公司；N，N-亞甲基雙丙烯酰胺、K2S2O8、NaHSO3、NaOH：分析純，衢州明鋒化工有限公司；K-PAM降濾失劑、FA-367降濾失劑、MX交聯(lián)劑、SX-232稠化劑和PJ-3破膠劑：自制；HX-E降濾失劑：石家莊華信泥漿助劑有限公司；腐植酸：工業(yè)品，江西佳利生化高科有限公司；Na2CO3和NaCl：工業(yè)品，天津市紅巖化學(xué)試劑廠；正辛醇：工業(yè)品，上海倍特化工有限公司。

ZNS-2型中壓失水測量儀和XGRL-4型高溫滾子加熱爐：青島海通 達(dá)專用儀器廠；M4600型頁巖膨脹儀：美國Grace儀器公司；KH-150 mL不銹鋼合成反應(yīng)釜：上海凌科實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司。

1.2 GY-9的合成及GJH-1的制備

將15 g APEG溶于70 g純凈水中，依次加入10 g AM、5 g AA和7.5 g AMPS，充分?jǐn)嚢枞芙夂笾糜诜磻?yīng)釜內(nèi)，用25%（w）的NaOH溶液調(diào)節(jié)體系pH為6，通氮除氧30 min，加入0.02 g N，N-亞甲基雙丙烯酰胺，待充分混合后，加入引發(fā)劑（K2S2O8和NaHSO3的水溶液）引發(fā)反應(yīng)，引發(fā)溫度45 ℃，并控制引發(fā)劑的滴加速率。控制反應(yīng)溫度為55 ℃，調(diào)節(jié)反應(yīng)釜的轉(zhuǎn)速，以減少氣泡的產(chǎn)生，反應(yīng)時(shí)間48 h后，得到淡黃色多元共聚乳液GY-9。將GY-9與腐植酸按照一定比例復(fù)配，即得降濾失劑GJH-1。

1.3 基漿的配制

淡水基漿的配制：在400 mL水中加入14 g鈣膨潤土和1 g Na2CO3，高速攪拌20 min后，室溫養(yǎng)護(hù)24 h，得到淡水基漿。鹽水基漿的配制：在400 mL水中加入鈣膨潤土和13 g NaCl，高速攪拌20 min后，在室溫下放置24 h，得到鹽水基漿。飽和鹽水基漿的配制：在鹽水基漿中繼續(xù)加入NaCl至溶液飽和，高速攪拌20 min后，在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h，得到飽和鹽水基漿。將基漿裝瓶備用。

1.4 GJH-1降濾失性能的測試

將一定量的GJH-1加入到不同的基漿中，攪拌均勻，如有泡沫，加入正辛醇消泡。取280 mL添加有GJH-1的基漿試樣至中壓失水測量儀中，在0.693 MPa下測定30 min時(shí)的濾失量，濾失量越小表明GJH-1的降濾失性能越好。

1.5 耐鹽、耐溫性能的測試

在淡水基漿、鹽水基漿、飽和鹽水基漿中分別加入1.5 g GJH-1，將混合后的試樣置于高溫滾子加熱爐中，分別在不同溫度下恒溫老化16 h，冷卻至室溫，取280 mL老化液于中壓失水測量儀中，測定其濾失量。

1.6 GY-9對壓裂液性能的影響

壓裂液的制備：將一定量的SX-232稠化劑和MX交聯(lián)劑加到水中形成混合物。其中，SX-232稠化劑的含量（w）為0.4%～0.5%，MX交聯(lián)劑的含量為0.6%（w）。

將一定量GY-9加入到壓裂液中，混合后，在室溫下評價(jià)壓裂液的耐鹽性和耐溫性，在壓裂液體系中加入0.04%（w，基于體系質(zhì)量）的PJ-3破膠劑，測定GY-9對破膠性能的影響，并與單組分SX-232稠化劑的性能進(jìn)行對比。

1.7 巖心膨脹量降低率的測定

稱取25.0 g GJH-1于燒杯中，加入200 mL蒸餾水，加熱攪拌溶解，冷卻至室溫后移至500 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至刻度，得到GJH-1溶液。稱取10.0 g鈣膨潤土，制成巖心。將巖心安裝在頁巖膨脹儀上，分別將蒸餾水、GJH-1溶液注入測量筒，8 h后，測定巖心的膨脹量。按式（1）計(jì)算巖心膨脹量降低率（Ed）。Ed越大表明對地層的傷害越小，可保證井壁的相對穩(wěn)定。

式中，ΔH為注入蒸餾水的巖心膨脹量，mm；ΔH1為注入GJH-1溶液的巖心膨脹量，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR表征結(jié)果

GY-9的FTIR譜圖見圖1。由圖1可見，3 427.819 cm-1處的吸收峰歸屬于酰胺基中N—H鍵和羥基中O—H鍵的伸縮振動；2 938.345 cm-1處的吸收峰歸屬于—CH2中C—H鍵的伸縮振動；1 663.706 cm-1處的吸收峰歸屬于鍵的伸縮振動；1 195.488，1 039.097 cm-1處的吸收峰為—SO3的特征峰。

圖1 GY-9的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectrum of copolymer emulsion GY-9.

2.2 單體配比對GJH-1降濾失性能的影響

單體配比對降濾失劑的降濾失性能影響較大，這是因?yàn)榻禐V失劑的降濾失效果由分子中吸附基團(tuán)與水化基團(tuán)的比例決定。適當(dāng)增加磺酸基和羧基的含量有助于提高降濾失劑的耐溫、耐鹽及降濾失性能，但磺酸基和羧基的含量過高（即水化基團(tuán)的數(shù)量過多），相對吸附基團(tuán)的數(shù)量較少，吸附基團(tuán)與水化基團(tuán)的比例超過最優(yōu)值，將會導(dǎo)致降濾失劑的降濾失性能降低［7-11］。同時(shí)單體配比還會影響降濾失劑的黏度。因此，考察了單體配比對GJH-1降濾失性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，當(dāng)m（AM）∶m（AA）∶m（AMPS）∶m（APEG）=2∶1∶1.5∶3時(shí)，GJH-1的降濾失效果很好，靜濾失量為4.5 mL，高溫高壓濾失量為6.7 mL，達(dá)到了應(yīng)用要求。

表1 單體配比對GJH-1降濾失性能的影響Table 1 Effects of monomer ratio on the fluid loss(FL)properties of the filtrate reducers GJH-1

2.3 腐植酸與GY-9的配比對GJH-1降濾失性能的影響

腐植酸中含有—COOH，—OH，—CONH，—SO3—等基團(tuán)，這些基團(tuán)可與黏土發(fā)生吸附作用，當(dāng)它們吸附在黏土表面時(shí)，可形成吸附水化層，使得黏土不易黏結(jié)。當(dāng)GJH-1中GY-9的含量達(dá)到一定值時(shí)，可形成“水泥顆粒-線型高分子-水分子吸附層”的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中，腐植酸起到空間位置穩(wěn)定作用。腐植酸電離后的負(fù)電基團(tuán)，協(xié)同GY-9吸附在黏土顆粒表面，黏土表面的負(fù)電性增強(qiáng)，黏土顆粒間的斥力增大，不易發(fā)生聚結(jié)現(xiàn)象［8，12-14］。因此，優(yōu)選腐植酸與GY-9的配比至關(guān)重要。

m（腐植酸）∶m（GY-9）對GJH-1降濾失性能的影響見表2。由表2可知，GY-9用量過少時(shí)，吸附基團(tuán)數(shù)目較少，在黏土表面不能形成致密的薄膜，降濾失效果不明顯；隨GY-9用量的增加，靜濾失量和高溫高壓濾失量均降低，符合預(yù)期設(shè)計(jì)。當(dāng)m（腐植酸）∶m（GY-9）=13∶7時(shí)， 靜濾失量達(dá)4.5 mL，高溫高壓濾失量達(dá)6.7 mL，降濾失效果已很明顯，黏土不聚結(jié)，可滿足應(yīng)用要求。

表2 m（腐植酸）∶m（GY-9）對GJH-1降濾失性能的影響Table 2 Effects of m(humic acid)∶m(GY-9)on the FL properties of GJH-1

2.4 GJH-1用量對其降濾失性能的影響

在淡水基漿、鹽水基漿和飽和鹽水基漿中分別加入不同量的GJH-1，測定各基漿的靜濾失量、表觀黏度、塑性黏度和動切力等性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可見，老化前，隨GJH-1用量的增加，各基漿的靜濾失量均降低，表觀黏度和塑性黏度均增大。與老化前相比，在220 ℃下老化后，各基漿的黏度均降低，靜濾失量均增加。加入GJH-1后，各基漿的靜濾失量得到很好的控制，且基漿黏度增大。由此可見，GJH-1不僅具有良好的降濾失性能，還具有良好的耐溫性能。

表3 GJH-1用量對其降濾失性能的影響Table 3 Effects of the GJH-1 dosage on the FL performances of GJH-1

2.5 GY-9對壓裂液體系的影響

將GY-9加入到壓裂液體系中，測定GY-9對體系耐溫性、耐鹽性、破膠性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可見，GY-9加入到壓裂液體系后，壓裂液體系的耐溫、耐鹽性能均得到改善。與單組分的SX-232稠化劑相比，100 ℃時(shí)，壓裂液體系的黏度提高8.5 mPa·s；當(dāng)壓裂液體系含鹽2.0%（w）（基于體系質(zhì)量）時(shí)，黏度增加15.2 mPa·s，表明壓裂液體系的耐鹽性能有所提高，從而提高了體系的攜砂能力。由圖2C可見，兩種破膠液黏度在30 min前隨時(shí)間的延長均降低；30 min后基本不變，且均小于10 mPa·s以下，表明30 min后壓裂液體系中的SX-232稠化劑大分子已被徹底分解。與SX-232稠化劑相比，GY-9加入到壓裂液體系后，破膠液黏度變化不大，表明GY-9對壓裂液體系的破膠性能基本無影響。

圖2 GY-9對壓裂液體系耐溫（A）、耐鹽（B）、破膠液黏度（C）的影響Fig.2 Effects of GY-9 on the temperature tolerance(A)，salt tolerance(B)，viscosity of gel breaking(C)of a fracture fluid system.

2.6 不同溫度下GJH-1對基漿的降濾失性能

分別取一定量的GJH-1加入到淡水基漿、鹽水基漿、飽和鹽水基漿中，在不同溫度下老化16 h，然后在室溫下測 定其濾失量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3可見，當(dāng)溫度低于150 ℃時(shí)，各基漿的靜濾失量隨溫度的升高均無明顯變化；當(dāng)溫度高于150 ℃時(shí)，飽和鹽水基漿的靜濾失量突增，但在200 ℃時(shí)，靜濾失量仍小于20 mL，原因是陽離子濃度過高，離子之間斥力增強(qiáng)，導(dǎo)致溶液的熱運(yùn)動效應(yīng)加快，吸附作用降低。但總體而言，各基漿仍具有較強(qiáng)的抗高溫性能，不同的基漿老化前后，其靜濾失量仍低于20 mL，可滿足應(yīng)用條件。

2.7 頁巖抑制性及對防膨率的影響

按SY/T5971—1994［15］的方法考察GY-9和GJH-1對黏土的穩(wěn)定性作用，對比了不同降濾失劑的巖心膨脹量降低率和防膨率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4和圖4。由表4可見，GY-9與GJH-1對巖心膨脹均有抑制作用，其中，GJH-1的降濾失效果更佳。這是因?yàn)楦菜岬募尤朐龃罅吮砻嫖侥芰?，有效地控制了線性膨脹。由圖4可見，降濾失劑具有一定的防膨效果，且防膨率隨降濾失劑用量的增加而增大。其中，GJH-1的防膨率優(yōu)于同類產(chǎn)品，當(dāng)GJH-1用量為1.0%（w）時(shí)，防膨率達(dá)到87.7%，可有效地降低鉆井液中黏土穩(wěn)定劑的用量，降低生產(chǎn)成本。

圖3 不同溫度下各基漿的濾失性能Fig.3 FL loss performances of various base muds at different temperature.Preparation conditions of GY-9 and GJH-1 referred to Table 2 and Table 1，respectively.

表4 不同降濾失劑的巖心膨脹量降低率Table 4 Reducing rate of core linear expansion with different filtrate reducers

圖4 不同降濾失劑的防膨率對比Fig.4 Comparison of the anti-swelling of different filtrate reducers.

3 結(jié)論

1）制備GY-9的最佳m（AM）∶m（AA）∶m（AMPS）∶m（APEG）=2∶1∶1.5∶3。當(dāng)m（腐植酸）∶m（GY-9）=13∶7時(shí)，所得GJH-1的降濾失效果最好。

2）在淡水基漿中添加1.0%（w）GJH-1時(shí)，靜濾失量、高溫高壓濾失量分別達(dá)到4.5 mL和6.7 mL， 具有良好的降濾失性能；GJH-1對頁巖膨脹具有抑制作用，當(dāng)GJH-1用量為1.0%（w）時(shí)，巖心膨脹量降低率達(dá)48.9%，防膨率達(dá)87.7%，防膨率優(yōu)于同類產(chǎn)品。

3） 將GY-9加入到壓裂液體系中，提高了壓裂液體系的耐溫、耐鹽性能，但對壓裂液體系的破膠性能基本無影響。

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