抗高温有机硅降滤失剂制备及性能评价-辽宁化工2022年03期

摘      要：为了解决深井钻探过程中钻井液滤失量大、护壁性能差等问题，室内采用N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）为单体制备有机硅降滤失剂。该降滤失剂在温度不超过320 ℃时，质量损失小，在钻井液表现出优异的抗高温性能，与黏土表面羟基发生缩聚反应，对黏土吸附能力强，在高温下不易脱附，可有效地防止黏土聚集，达到降滤失的目的。

关  键  词：降滤失剂;聚合物;硅烷偶联剂;抗高温性能

中图分类号：TE254     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）03-0304-03

常规油气资源的持续开发使其逐渐衰竭，促使钻探工作向深部地层油气资源投入^[1]。我国深部地层油气资源分布广，主要分布在塔里木盆地、渤海湾、四川盆地等，储层深度超过5 000 m，地温梯度大，储层温度高于180 ℃，高温使岩石整体刚度降低、缝隙胶结强度变弱，进而破坏井眼应力分布平衡，易造成深井钻进过程中出现井壁失稳、卡钻等复杂事故^[2]。除此之外，高温对钻井液技术提出巨大挑战，高温造成钻井液处理剂分子断裂，造成钻井液黏度、切力降低，滤失量增大，护壁性能恶    化^[3]。采用降滤失剂降低钻井液的滤失量，减少滤液对黏土矿物含量高的地层的水化作用^{sCCi49LV3fcOauh6mt/UBQ==[4]}，同时避免地层的孔隙压力增大，提高钻井液液柱压力对井壁的有效支撑，避免钻井液密度过高而压漏地层。抗高温水基钻井液主要由水、膨润土、抑制剂、降滤失剂等组成。降滤失剂通过功能性基团（水化基团、吸附基团）吸附在黏土表面，并在其表面形成水化膜，在压差下易变形堵塞泥饼孔隙^[5]，降滤失剂含有刚性侧基使分子热运动阻力增大，使降滤失剂分子在高温下不易断裂，同时避免了黏土颗粒碰撞而聚集^[6]。有机硅降滤失剂含有硅羟基，可与黏土表面羟基发生缩聚反应，形成Si—O—Si，该键断裂能垒高，在高温下不易断裂，对黏土吸附能力   强^[7]。本文采用N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）为单体制备有机硅降滤失剂，并评价其性能。

1  实验部分

1.1  原料和仪器

NVP、AMPS、AM、A-151、过氧化苯甲酰（BPO）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、Na₂CO₃、NaCl和无水乙醇，均为市售分析纯试剂。

总有机碳分析仪、红外光谱仪、热重分析仪、高温滚子加热炉、六速旋转黏度计、高速搅拌器、中压失水仪、高温高压滤失仪、合成装置等。

1.2  有机硅降滤失剂的合成

将装有温度计、搅拌器、球形回流冷凝管的三口圆底烧瓶置于加热装置中，加入100 mL 有机溶剂DMF，依次加入6 g AM、2 g AMPS、2 g NVP、0.5 g A-151，在搅拌条件下充分溶解，升温至70 ℃，采用NaOH调节溶液pH值，在圆底烧瓶中通氮气0.5 h，确保无氧环境下逐步滴加少量的引发剂BPO，反应一段时间后得到粗产物。将粗产物过滤来除去溶剂，用无水乙醇洗涤后并烘干至恒重后粉碎，最终得到有机硅聚合物。

1.3  结构表征

将有机硅聚合物与KBr混合研磨均匀，压成薄片在红外光谱仪500～4 000 cm^-1波长下扫描得到红外光谱图。将有机硅聚合物置于热重分析仪中，并在氮气保护的作用下测试其热稳定性。

1.4  钻井液流变与滤失性能评价

淡水基浆配制：在装有400 mL淡水的杯中加入12 g纳基膨润土、1 g Na₂CO₃，高速搅拌30 min，并刮下附在杯壁上黏土，搅拌均匀后在密闭容器中养护24 h即得淡水基浆。

将不同量的有机硅聚合物降滤失剂加入上述基浆中，在10 000 r·min^-1下搅拌30 min后，按照   GB/T 16783—2014中测试方法对钻井液性能进行测试。

2  结果与讨论

2.1  结构表征

2.1.1  热重分析

有机硅聚合物热稳定性分析结果如图1所示。从图1可知，在温度不超过320 ℃时，有机硅聚合物质量损失仅为8.8%，有机硅聚合物中含有大量功能化基团吸附了空气中自由水发生蒸发以及少量的基团分解造成质量损失。在温度范围320～450 ℃，其质量损失超过50%，其原因为分子中的酰胺基、磺酸基、硅氧基断裂以及部分侧链与主链分开造成分子质量迅速下降。温度超过300 ℃之后，分子才开始明显分解，足以证明该聚合物具有优异的抗高温性能。

2.1.2  红外光谱分析

有机硅聚合物分子结构表征图见图2。

从图2可知，1 726 cm^-1处出现吡咯烷酮中的内酰胺中羰基的吸收峰;1 625、1 682 cm^-1处出现伯、仲酰胺基团中羰基的吸收双峰;1 038 cm^-1处出现磺酸基中S=O的吸收峰;1 332 cm^-1处出现硅氧基的振动吸收峰。这证明4种单体共聚成功，合成物即为目标产物。

2.2  有机硅聚合物在淡水钻井液中的性能

将不同量的有机硅聚合物降滤失剂加入基浆中，钻井液配制完后装入老化罐中，置于温度为200 ℃的高温滚子加热炉热滚16 h，50 ℃测其流变性以及175 ℃下测试其高温高压滤失量，结果见 表1。

从表1可知，随着有机硅聚合物降滤失剂加量增大，钻井液的黏度、切力增大，钻井液的滤失量逐步降低。当降滤失剂加量为3%，FL_API仅为6.2 mL，高温高压滤失量为21.2 mL，这表明该降滤失剂具有优异的降滤失效果，同时降滤失剂使钻井液在热滚前后黏度、切力变化小，说明降滤失剂分子在高温条件下无明显断裂，分子中含有磺酸基、杂环基团，使聚合物分子刚性提高，空间位阻增大，提高聚合物分子的抗高温性能。钻井液整体均匀，无水析出，无固相沉积，说明有机硅聚合物降滤失剂在高温下能有效地吸附在黏土表面，分子中硅氧基与黏土表面的羟基发生缩聚反应，形成Si—O—Si键，该键键能高，在高温下不易断裂，可有效地防止黏土聚集，达到降滤失的目的^[8]。

2.3  钻井液抗盐侵性能评价

将3%有机硅聚合物降滤失剂加入基浆中，配制好钻井液。向其中分别加入5%、10%、15%的NaCl，通过钻井液的流变性以及滤失量评价钻井液的抗盐性能。将钻井液置于温度为200 ℃的高温滚子加热炉热滚16 h，50 ℃测其流变性以及175 ℃下测试其高温高压滤失量，结果见表2。

从表2可知，随着NaCl加量增加，钻井液的黏度、切力下降，钻井液的滤失量增大。当NaCl加量为15%时，钻井液的FL_API仅为10.2 mL，高温高压滤失量为29.6 mL，这表明钻井液性能受盐侵的影响较小，由于有机硅聚合物刚性以及分子侧链含有大量的磺酸基使降滤失剂抗盐性能增强^[9]。

2.4  有机硅降滤失剂吸附性能评价

将不同量的有机硅聚合物降滤失剂加入基浆中，配制好的钻井液在温度为200 ℃热滚后，进行175 ℃下高温高压滤失量测试，采用总有机碳分析仪测量滤液中有机碳的含量，计算有机硅降滤失剂对黏土表面的吸附量，计算公式见文献^[10]。实验数据见图3。

随着降滤失剂加量增加，黏土表面的含碳分子吸附量逐步增大，当有机硅降滤失剂加量为3%时，其分子吸附量为82 mg·g^-1，分子侧链含有大量的酰胺基团，可有效吸附在黏土表面，硅羟基使分子牢固吸附在黏土表面，该吸附力属于化学吸附，具有抗高温性能;当有机硅降滤失剂加量超过3%时，其吸附量增加较为平缓，表明黏土表面吸附量趋于饱和。

3  结 论

本文采用AM、AMPS、NVP、A-151为合成单体制备有机硅降滤失剂，红外光谱分析表明合成产物即为目标产物，同时热重分析表明，该有机硅降滤失剂在温度不超过320 ℃时分子质量损失小于9%，未出现明显分子键断裂，表明有机硅降滤失剂具有优异的抗高温性能。

该降滤失剂加量小，在高温条件下可有效降低钻井液滤失量，使钻井液在热滚前后黏度、切力变化小，该降滤失剂具有优异的抗高温性能、降滤失性能。分子中含有磺酸基、杂环基团，使聚合物分子刚性提高，空间位阻增大，提高聚合物分子的抗高温性能。该聚合物降滤失剂分子中硅氧基与黏土表面的羟基发生缩聚反应，形成Si—O—Si键，在高温下不易断裂，可有效地防止黏土聚集，达到降滤失的目的。

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Synthesis and Performance evaluation of High

Temperature Resistant Silicone Fluid Loss Reducer

YOU Fu-chang， ZHOU Shu-sheng， HAN Yin-fu， FU He， GAO Yang

（Jingzhou Jiahua Technology Co.， Ltd.， Jingzhou Hubei 434000， China）

Abstract： In order to solve the problems such as large fluid loss and poor wall protection performance of drilling fluid in the process of deep well drilling， NVP， AMPS， AM and A-151 were used as monomers to prepare silicone fluid loss reducer. When the temperature did not exceed 320 ℃， the fluid loss reducer had low mass loss， excellent high-temperature resistance in drilling fluid， polycondensation reaction with hydroxyl on the surface of clay could happen， adsorption capacity to clay was strong， it was not easy to desorb at high temperature， which could effectively prevent clay aggregation and achieve the purpose of reducing filtration loss .

Key words： Fluid loss reducer; Polymer; Silane coupling agent; High temperature resistance