徐明磊，李東勝，張芷豪，董美，孫永杰

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001；3.遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001；4.遼寧石油化工大學 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院，遼寧 撫順 113001)

丙烯酰胺類降濾失劑(AFR)具有降濾失效果優(yōu)異、耐溫性能突出、成本低廉等特點，并且在提高鉆井效率、維持鉆井液性能穩(wěn)定等方面表現(xiàn)也十分出色，因此關于AFR的研究將會對鉆井現(xiàn)場產生重要意義。德國科學家[1]利用丙烯酰胺(AM，C3H5NO)等合成出降濾失劑COP-2，其在高溫下穩(wěn)定性極強，同時還具有保護巖心的效果。Audibert等[2]制備出可承受203 ℃高溫的降濾失劑，現(xiàn)場數據表明其熱穩(wěn)定性良好，老化后不會結成膠體，且回收方便。國內對此研究相對較晚，但也取得一系列成果，如王茂功等[3]通過將2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(C7H13NO4S)等原料制得可承受270 ℃的高溫的降濾失劑WS-1。吳雪平[4]將烯丙基聚乙二醇(H2C=CH-CH2O-[EO]nH)、AM等原料合成出具有一定的耐溫、抗鹽性能的降濾失劑。經過180 ℃條件下進行老化后，API 濾失量僅為8.2 mL，滿足鉆井需求。

當前隨著油氣井鉆進深度的不斷增加，現(xiàn)場對耐高溫型降濾失劑的需求也在急劇增長。因此專家學者們近年來通過對原有的單體分子結構進行改性，利用不同特性單體之間的聚合，制備了各種新型耐高溫降濾失劑。本文將從AM多元聚合物、AMPS多元聚合物、AM-AMPS多元聚合物降濾失劑三個方向的研究狀況進行綜述并提出相關建議，以供參考。

1 AM多元聚合物

將具有耐鹽耐高溫能力的丙烯酰胺(AM)以及其他擁有某種突出性能或特殊結構的單體進行多元聚合，研制出具有耐高溫能力的降濾失劑。與常規(guī)降濾失劑相比其功能塑造性更強，抗溫耐鹽能力明顯，降濾失性能也更加出色，因此受到眾多學者關注。

楊小華等[5]以AM、C3H5NO以及(2-丙烯酰氧)異戊烯磺酸鈉(AOIAS)等藥劑得到一種聚合物添加劑PFL-1，經過實驗測試得出，該降濾失劑最高承受度可達220 ℃，同時具有熱穩(wěn)定性強、降濾失能力強等特點。姚杰等[6]利用反相微乳液聚合方法研發(fā)出三元共聚物降濾失劑，該反應以苯丙烯磺酸鈉(SSS)、AA、AM為單體材料，用Tween80以及Span80配制出乳化劑，用環(huán)己烷作油基液體、(NH4)2S2O8、NaHSO3為自由基引發(fā)劑，將0.7%的成品混入淡水基漿內，且在160 ℃條件下進行老化16 h后，其FL的值由65 mL降至19 mL。表明該產品可適用于中高溫地層，但抗溫效果方面不如PFL-1。

王平全等[7]以C3H5NO(AM)+木鈣(CaSL)+K2S2O8(KPS)+2-丙烯酰氧基-2-甲基丙基磺酸(C7H13NO4S，AOPS)+NaOH+NaCl為原料，研發(fā)出耐高溫降濾失劑，在淡水基漿中，其FLAPI和 FLHTHP隨聚合物占比增加而逐漸降低，當占比僅為2.5%時便能有效地控制鉆井液的FLAPI和FLHTHP。經 180 ℃ 高溫老化16 h后，仍然能維持較高切應力，雖然耐溫性能不如AOIAS/AM/AA共聚物，但其具有更好的降粘性和熱穩(wěn)定性。王中華[8]用丙烯酸(AA，C3H4O2)與腐殖酸、C3H5NO( AM )、丙烯酰氧丁基磺酸(AOBS)進行反應，得到降濾失劑后進行測試。得出該接枝共聚物可抗240 ℃高溫，高溫老化后FL值從17.2 mL降低到5.3 mL。與其他學者的研究相比，該共聚物有較好的耐鹽效果，可用于KCl鉆井液中，同時在高含量膨潤土中能保證優(yōu)異的降粘性，此外，該接枝共聚物與地層和抗高溫交聯(lián)劑配伍性較好，應用前景廣。

目前看來，以有機磺酸鹽合成的AM多元聚合物降濾失劑的降濾失效果較好，濾失量最低可降至11 mL，滿足行業(yè)標準；能夠耐160～240 ℃高溫。當前研究AM多元聚合物降濾失劑其高溫情況下的降黏效果的報道較少，建議加強相關方向研究。

2 AMPS多元聚合物

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)作為丙烯酰胺系中陰離子單體，因其 —SO3H對鹽不敏感，從而使得相關聚合物擁有優(yōu)良的水溶性、耐鹽能力以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能。此外AMPS 與其他單體的共聚物及接枝共聚物等基礎上制得的降濾失劑擁有熱穩(wěn)定性好，耐溫性能突出，對于不同類別鉆井液均能發(fā)揮出良好的降濾失作用[9]。

美國的Patel[10]以AMPS為聚合單體，以MBA(N，N′-亞甲基-二丙烯酰胺)為交聯(lián)劑，用可控交聯(lián)法合成了新型的抗高溫降濾失產品。該產品能夠廣泛應用于水基鉆井液中，并且能夠根據控制MBA含量來不斷調整降濾失作用效果，在205 ℃環(huán)境下仍能保證擁有優(yōu)異的降濾失性，并且耐鹽效果表現(xiàn)良好。劉明華[11]以AMPS、乙烯基單體以及NaOH等為原料，研制出耐高溫降濾失劑ZYJ-1，并對其基本特性做出測定。在150 ℃，淡水鉆井液中FL量從27 mL降至7.2 mL。與前者比只需加入特定的引發(fā)劑即可合成ZYJ-1新型降濾失劑，雖降濾失效果明顯、制作方法簡單，但ZYJ-1抗高溫效果一般。王中華[12]利用亞硫酸、過硫酸鈉為自由基引發(fā)劑，以AMPS和C5H9NO(DMAM)等藥劑，經過氧化還原反應得到P(AMPS/DMAM)抗溫降濾失劑。當共聚物占比到達1.5%時常溫下FL的值由22.8 mL迅速降低到14.0 mL，在220 ℃的高溫下由140 mL降至19.0 mL。此類降濾失劑可在較高溫下正常工作，性能突出，適用于中高溫情況。白秋月[13]利用C6H9NO(NVP)、DMAM、AMPS和二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)發(fā)生反應，研發(fā)出可耐溫耐鹽的添加劑WB-FLA-2，基于此產物配制鉆井液泥漿，實驗表明在150 ℃條件下，老化前后的API濾失量分別為12.4 mL和14.9 mL。

3 AM-AMPS多元聚合物

除以上所述聚合方式之外，將AM與AMPS共聚也是當前丙烯酰胺類降濾失劑的熱點研究方向，AMPS與AM及其他功能性單體可形成二元共聚物或多元共聚物，通過引入不同單體可使共聚物具有不同的性能。有學者[14]將AM-AMPS多元聚合物與常用降濾失劑進行了對比，得出該聚合方式所得產物具有明顯優(yōu)勢，可在鉆井現(xiàn)場推廣應用。

3.1 實驗室研究

Giddings[15]很早就合成了 C7H13NO4S、MBA及C3H5NO的共聚產品，其中C7H13NO4S單體鏈節(jié)含量達到50%～60%。提高此類共聚物的耐溫性的重要因素，便是此類共聚物擁有大量的磺酸基團，磺酸基團也提升了其耐硬水性，后來該聚合物被應用到高溫地層的深井之中，在高溫下依舊能保持一定降濾失特性并擁有較好的包被和流型調節(jié)能力。90年代，Dickert[16]用AMPS、AM和N-乙烯基-N-烷基酰胺 (NVNAAM)單體制備了兩類新型抗高溫產品(耐溫達到200 ℃)，抗高溫效果優(yōu)于Giddings合成的聚合物；此種降濾失劑高溫下降濾失性依然表現(xiàn)良好(FL值由18 mL縮減至7.8 mL)，該鉆井液添加劑同樣適用于堿性環(huán)境(pH 8～11.5)。甄劍武等[17]將C3H5NO、AMPS、C6H9NO和4-羥基苯磺酸鈉(SHBS)為原料，以辣根過氧化物酶(HRP)為催化劑，配制出一種四元共聚物-PAANS，經過測試得出在200 ℃的高溫高壓條件下濾失量為20 mL，符合濾失標準。朱忠祥等[18]以AM、AMSP、DMDAAC、VPS通過自由基水溶液聚合的方法得到了一種新的聚合物，所配制的水基鉆井液性能穩(wěn)定，可在200 ℃下正常工作。

3.2 工業(yè)應用

以上對于大多數的AM-AMPS多元聚合物的研究都屬于實驗室研究，還有一些商業(yè)化的產品現(xiàn)場效果良好。張高波等[22]將自制處理劑與Polydrill系列的一種降濾失劑進行對比發(fā)現(xiàn)，Polydrill在常溫下和180 ℃高溫下的濾失量為14 mL和28 mL，該聚合物并未出現(xiàn)如Polydrill一樣在熱滾后高速攪拌時大量起泡的現(xiàn)象，這種非增粘型低分子量聚合物的綜合性能較好，具有良好的應用前景。還有一些國外公司生產出的產品，如ARCO公司的Mil-Tem，BakerHughes公司的Pyro-Trol及Kem Seal等，耐高溫且高溫時降濾失性能良好。Polydrill[23]是德國斯巴夫公司研發(fā)出一系列抗高溫降濾失劑，其中一種磺化聚合物，其耐溫能力可以達到260 ℃，抗鹽性好，熱穩(wěn)定性高，流變性能良好且環(huán)境友好，在業(yè)界廣泛應用。Mil-Tem是ARCO公司生產的耐高溫產品，由馬來酸酐(MA，C4H2O3)以及磺化苯乙烯(SS)進行反應得到的，分子量小，在1 000～5 000之間，在229 ℃的高溫下仍有良好的效果。Pyro-Trol和Kem Seal是Baker Hughes公司的兩種新型抗高溫產品。Pyro-Trol是AMPS與AM進行共聚反應得到的產品，而Kem Seal是AMPS與 NAAM進行共聚反應得到的產品，通常將兩者按一定比例混合后進行現(xiàn)場使用。其結果是，兩者均能保證優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，并且耐溫能力可達260 ℃。其中Pyro-Trol潤滑作用強，適合深海鉆井，少量添加就可以達到降濾失目的。

研究表明，降濾失劑的用量十分龐大，在整個鉆井液處理劑的用量中占據第二位，足以見得其重要程度。對上述幾種抗高溫丙烯酰胺類降濾失劑進行歸納，并對其特點進行比較結果見表1。AM多元聚合物降濾失劑熱穩(wěn)定能力不足可降濾失能力較為強勁；與AM相反，AMPS擁有較強的熱穩(wěn)定性，但降濾失能力卻明顯低于AM；而AM-AMPS抗溫能力較強，降濾失效果適中，但研制步驟較為繁瑣，今后仍有較大發(fā)展空間。

表1 抗高溫丙烯酰胺類降濾失劑的對比Table 1 Comparison of high temperature resistant acrylamide filtrate reducer

4 最新進展

近年來關于降濾失劑研究發(fā)展十分迅猛，各種新型產品曾出不窮，主要對以下三種類別進行介紹：石墨烯材料、無機/有機復合納米以及油溶性聚合物(OSP)。

4.1 石墨烯材料

曲建峰等[24]針對石墨烯在鉆井液配制過程用量過多、耗資過大等問題，將氧化石墨烯(GO)與C3H5NO、DMDAAC、AMPS、醋酸乙烯酯(VAC)進行共聚，研制出含有氧化石墨烯的降濾失產品GOJ。實驗得出，GOJ降濾失性能好，在配制鉆井液過程只需添加少量的GPJ，便能夠使API濾失量降低70%，并且在高溫下表現(xiàn)出優(yōu)良的降濾失能力以及耐鹽侵蝕能力。在180～220 ℃范圍內GOJ降濾失能力要比國外產品Driscal-D高出許多。此外還能夠通過控制氧化石墨烯的占比值來調控GOJ的耐溫能力，當GOJ中氧化石墨烯占比上調至0.32%時，其承受高溫能力可上調20 ℃左右。即高溫條件下氧化石墨烯的占比越高，GOJ的降濾失能力也就越強。因此石墨烯降濾失劑可作為優(yōu)良的鉆井液添加劑為鉆井現(xiàn)場提供相關需求。

4.2 無機/有機復合納米

現(xiàn)有降濾失劑以合成聚合物類和天然高分子改性類居多，但容易因高溫下降解而失效，但無機/有機復合納米材料將無機材料的熱穩(wěn)定能力及剛性與有機材料所具有較高柔韌度的特點相結合，有效地解決了這一難題。蘇俊霖等[25]以 —C—C— 鍵為分子主鏈，無機納米SiO2為聯(lián)接基，采用細乳化聚合法研制出性能較為突出的無機/有機復合納米降濾失劑NFL-1，利用KH570對無機納米SiO2表面改性，—C—C— 鍵分子主鏈上吸附基團為酰胺基(20%～30%)、疏水化基團為苯乙烯基(0.5%～5%)、主水化基團為磺酸基(40%～50%)、次水化基團為羧基(10%～15%)。180 ℃老化16 h，API濾失量由40 mL降至7.8 mL，200 ℃時降至 8.6 mL，220 ℃時降至10 mL。此后，有學者[26]以相同原理合成NFL-2，180 ℃濾失量為8.0 mL，200 ℃下為10.0 mL，220 ℃僅12.0 mL，這是由于在高溫狀態(tài)時納米SiO2的穩(wěn)定性以及兩種降濾失劑的成膜阻水作用使其在220 ℃高溫下仍表現(xiàn)出優(yōu)異的降濾失性。除此之外，NFL-2的抗鈣能力顯著，熱穩(wěn)定性較好。

4.3 OSP降濾失劑

2016年國外開發(fā)出一種新產品[27]：OSP降濾失劑含有較為特別的微凝膠結構。不僅在油基鉆井液擁有著較好的分散性，在合成基鉆井液中亦是如此，因此被重點關注。當降濾失劑發(fā)揮作用時，此類顆粒將形成薄狀泥餅，且容易發(fā)生形變，泥餅中的聚合物顆粒能夠對地層中的孔隙進行封堵，從而有效降低鉆井液濾失量。此外在外切力條件作用下，聚合物顆粒將會發(fā)生形狀變化，并且縮小體積，使得聚合物易被再次回收利用，進而減輕對油層的污染。

5 結論

丙烯酰胺類降濾失劑具有抗溫能力強、抗鹽效果突出、降濾失作用明顯等特征，并且制作成本低廉、制作方法簡單，可通過引入不同基團使得共聚物具有不同的特點，從而不斷完善降濾失劑的基本性能。

(1)AM多元聚合物降濾失劑可增加粘稠度、減小鉆井液減阻力并且具有一定的絮凝作用，高溫降濾失性能也比較出色，但在熱穩(wěn)定性、耐鹽能力以及剪切狀態(tài)下的穩(wěn)定性等方面稍有欠缺，建議今后加強對聚合物改性方面進行研究。

(2)對于AMPS多元聚合物降濾失劑來說，其熱穩(wěn)定性較AM有明顯提高，同時還表現(xiàn)出較強的抗堿、抗酸、耐鹽等特性，但其在高溫狀態(tài)下降濾失能力相對較弱，因此在提高降濾失性方面仍需繼續(xù)探索。

(3)當前，在AM-AMPS多元聚合物降濾失劑的研究方面較為廣泛，不僅熱穩(wěn)定性強，降濾失性、耐鹽抗酸堿能力也比較出色，但合成步驟較為繁瑣，筆者建議向精簡合成步驟、簡化研制方法方向研究，以便在鉆井現(xiàn)場進行推廣。

(4)對于新型降濾失劑石墨烯材料、無機/有機復合納米和油溶性聚合物降濾失劑，其耐高溫和降濾失性以及回收性都有良好的效果，但現(xiàn)階段我國對此類降濾失劑研究較少，還需要進一步發(fā)展。