2.4 抗高温钻井液降滤失剂机理研究

2.4.1 滤饼微观形貌

       滤饼的微观结构有助于揭示降滤失剂的作用机制。将配制好的淡水基浆和降滤失剂加量为1.25%（w）的基浆在220 ℃老化前后进行API滤失量测定，测定30 min的API滤失量后，取下滤饼，用去离子水冲洗掉表面悬浮松弛的黏土颗粒，自然烘干后，剪下一小块喷金处理。图8为滤饼的SEM照片。

        由图8a可知，钻井液基浆滤饼表面凹凸不平且整体疏松多孔，有微裂缝及大颗粒孔隙，膨润土颗粒聚集和堆叠形成的微孔结构为流体侵入地层提供了侵入通道，并导致滤失量增大。

       由图8b可知，在老化前加入聚合物降滤失剂后，钻井液的滤饼变得平滑，且没有明显的大颗粒黏土和孔隙，颗粒与颗粒之间堆积紧密。

        由图8c可知，淡水基浆老化后，出现了明显的裂缝，表面有明显的黏土大颗粒，颗粒间疏松。

        由图8d可知，加入降滤失剂的滤饼表面裂缝和孔洞消失，表面相对平滑且无明显大颗粒黏土聚集，形成的滤饼较为紧密。这主要是因为降滤失剂以碳链为主，侧链上含有众多的磺酸根基团和聚氧乙烯醚基团，磺酸根基团电荷密度高，水化能力强；聚氧乙烯醚基团与黏土的吸附作用交联成网络结构，包裹在黏土颗粒上，降滤失剂支链化结构又阻止了颗粒间的聚集，能够形成致密的结构，降低泥浆失水。

2.4.2 滤饼表面元素分布

        膨润土的晶体结构是由两个SiO2氧片夹一个铝氧片组成，这被称为2:1型黏土矿物。氧原子分布在膨润土结晶层的上方和下方，层间通过弱分子间力连接，因此降滤失剂分子易进入黏土层间，使晶格膨胀并增强胶体活性。将220 ℃老化后的淡水基浆滤饼和降滤失剂基浆滤饼，用去离子水冲洗掉表面悬浮黏土颗粒，取一小块干燥后，对滤饼表面元素进行EDS表征，进一步研究降滤失剂与膨润土之间的相互作用机理。图9为滤饼表面元素EDS谱图。

        由图9a1~a3可知，基浆滤饼的表面元素主要为铝、氧和硅，是组成膨润土的主要元素。

        由图9b1~b6可知，在降滤失剂滤饼表面除了铝、氧、硅元素，还存在降滤失剂分子的特征元素（碳、硫和氮），表明降滤失剂在膨润土表面吸附成功。

2.4.3 降滤失剂在类黏土表面的吸附

        降滤失剂与黏土之间的相互作用直接影响钻井液性能，降滤失剂必须吸附到黏土表面才能保持黏土分散。黏土的主要组成蒙脱石与云母片的晶体构造相同，所以选取云母片为试样载体。取1.25%（w）聚合物溶液和在220 ℃老化后聚合物溶液，滴加到云母片上，烘干后，借助AFM观察降滤失剂吸附形态，结果见图10。

        由图10a，b可知，聚合物在类黏土表面互相堆叠并连接成三维网格，并形成一层聚合物薄膜，膜的厚度为831.7 nm，膜的粗糙度仅为11.0 nm。说明老化前聚合物表面较为平滑，聚合物在类黏土表面吸附均匀。

        由图10c，d可知，与未老化的三维形貌不同，经过220 ℃高温老化后，分子在类黏土表面吸附时，分子凝结使纵向粗糙度增加到30.3 nm，膜的粗糙度更大，但载体上仍然有一层吸附膜，膜的厚度减小到705.7 nm。这是因为分子侧链的聚氧乙烯基醚及酰胺基团与类黏土表面羟基形成氢键，通过吸附作用形成了层状聚合物膜；在经过高温老化后，聚合物出现堆叠，是因为聚合物的主链出现了热降解，分子结构发生改变，导致分子聚集，但苯环上的磺酸基团抑制了水解作用，水化作用依然存在，带有疏水长链的氮离子在高温下仍能吸附水分子形成水化膜，使得在类黏土表面上吸附依然稳固，因此聚合物在高温下仍具有降滤失性。

1. 结论

       1）以AM，APEG-1000，SSS，DMAAC-18为单体，采用自由基水溶液聚合反应合成一种四元共聚物，最优合成条件为：单体配比n（AM）:n（APEG-1000）:n（SSS）:n（DMAAC-18）=110:3:10:1，反应温度60 ℃，反应时间4 h，单体总含量30%（w），引发剂用量0.4%（w），反应pH=8。

       2）降滤失剂在水基钻井液中的最佳用量为1.25%（w），API滤失量为7.3 mL，220 ℃老化后的API滤失量为13.2 mL；在聚磺酸钻井液体系中，与油田常用磺化降滤失剂SMP复配后，220 ℃老化后的HTHP滤失量仅为13.6 mL，表明降滤失剂的抗温和配伍性良好。

       3）对滤饼进行SEM，EDS表征，对聚合物溶液进行AFM表征，表征结果显示，降滤失剂具有较强的吸附作用；用AFM可直观看出聚合物溶液在类黏土表明形成了一层聚合物薄膜，有效降低了滤失量。