摘要

        以丙烯酰胺（AM）、烯丙基聚氧乙烯醚（APEG-1000）、对苯乙烯磺酸钠（SSS）、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵（DMAAC-18）为共聚单体，以偶氮二异丁脒盐酸盐（V50）为引发剂，制备一种抗温达220 ℃的水基钻井液降滤失剂，并采用FTIR，TG，SEM，EDS，AFM等方法对所制备的降滤失剂进行表征。采用单因素法优化得到最优合成条件为：单体配比n（AM）:n（APEG-1000）:n（SSS）:n（DMAAC-18）=110:3:10:1，引发剂V50用量为0.4%（w），反应温度为60 ℃，单体总含量为30%（w），反应时间为4 h，反应pH为8。实验结果表明，在淡水基浆中，降滤失剂加量为1.25%（w）时，中压（API）滤失量为7.3 mL，220 ℃老化后API滤失量为13.2 mL；与5%（w）SMP降滤失剂复配，淡水基浆+1.25%（w）降滤失剂+5%（w）SMP降滤失剂+0.5%（w）FA367包被剂，220 ℃老化后高温高压滤失量仅为13.6 mL。

        近年来发现的大型油气藏主要分布在深层和超深层，环境温度可能上升到200 ℃或更高，这就对高温高压下的钻井液提出了挑战。降滤失剂作为钻井液的重要添加剂，在安全、迅速、高效钻井中起着关键作用。降滤失剂的吸附基团吸附在黏土颗粒上，而水化基团则在黏土表面形成一层水化膜，保持黏土颗粒分散均匀从而堵塞孔洞缝隙，因此钻井液可在井壁上形成低渗透、致密的滤饼，从而稳定井壁，降低滤失量。可通过选择具有强吸附基团和抗温基团的单体，增强分子主链热稳定性的单体、及具有高温下抑制解吸附的单体合成降滤失剂。

        丙烯酰胺（AM）作为聚合物分子的主要单体，侧链上的酰胺基水化能力和吸附能力强；烯丙基聚氧乙烯醚（APEG-1000）在滤饼上通过氢键作用吸附；对苯乙烯磺酸钠（SSS）由于具有磺酸基团及空间位阻效应大的苯环，从而增强了降滤失剂的热稳定性，使钻井液可在一些深井中使用；十八烷基二甲基烯丙基氯化铵（DMAAC-18）带有正电氮离子疏水长链，可提高降滤失剂的抗温能力。

       本文选择AM，APEG-1000，SSS，DMAAC-18四种单体为结构单体，合成一种抗高温水基钻井液降滤失剂，研究了该降滤失剂的滤失性能、流变性能、热性能及吸附机理。

1. 实验部分

1.1 试剂与仪器

•  AM、SSS、NaOH、无水Na2CO3、偶氮二异丁脒盐酸盐（V50）：分析纯，成都科隆化工试剂厂；
• APEG-1000（1 000 g/mol）：工业品，江苏省海安石油化工厂；
• DMAAC-18：工业品，江苏富淼化学试剂厂。
• 六速旋转黏度计（ZNN-D6型）、泥浆失水量测定仪（ZNS-2型）、高温滚子加热炉（BRGL-7型）、高温高压失水仪（GGS71-A型）：青岛同春石油仪器有限公司；
• 傅里叶变换红外光谱仪（WQF520型）：北京瑞利分析仪器有限公司；
• TG-DTG同步分析仪（STA-449F3型）：耐驰（上海）机械仪器有限公司；
• 扫描电子显微镜（ZEISS EVO MA15型）：德国卡尔蔡司显微图像有限公司；
• 原子力显微镜（Dimension Icon型）：德国Bruker公司。

1.2 降滤失剂的合成

        采用水溶液聚合法，依次称取一定质量的AM，APEG-1000，SSS，DMAAC-18置于三口烧瓶中，并加入去离子水搅拌溶解后，用2 mol/L的NaOH溶液调节pH，向溶液中通氮气10 min后，设置水浴温度，待溶液体系达到反应温度，加入引发剂V50，搅拌溶解引发剂，溶液开始聚合反应，反应一段时间后，得到胶凝状聚合物，在无水乙醇中多次洗涤后，于真空烘箱中干燥，粉碎后得到白色粉末状降滤失剂。

1.3 降滤失剂的结构表征

• 采用KBr混合压片，对试样进行FTIR表征；
• 采用热分析法，在氮气保护、升温速率为10 ℃/min、温度范围为40~600 ℃下，得到试样TG曲线。

1.4 钻井液基浆的配制

         量取一定的自来水，加入自来水质量4%的膨润土，再加入膨润土质量4%的无水Na2CO3，用恒速搅拌机在300 r/min转速下搅拌2 h，静置养护24 h后，得到淡水基浆。

1.5 钻井液流变性及滤失性

        按照GB/T 16783.1—2014规定的方法测定钻井液流变性和降滤失性。

将一定量的降滤失剂加入淡水基浆，高速搅拌溶解后，得到降滤失剂基浆。

取一定量配制好的降滤失剂基浆及用滚子加热炉滚动老化16 h后的降滤失剂基浆，高速搅拌均匀后，采用六速旋转黏度计测量流变参数，泥浆失水量测定仪测定中压（API）滤失量，高温高压失水仪测定高温高压（HTHP）滤失量。

2. 结果与讨论

2.1 抗高温钻井液降滤失剂合成条件优化

2.1.1 单体配比的优化

        反应单体配比对合成聚合物的官能团含量及官能团之间协同作用影响很大。恒定单体总含量为30%（w，占溶液的质量百分比，下同），引发剂用量为0.4%（w，占单体总质量的百分比，下同），反应温度为60 ℃，反应时间为4 h，反应pH=7，改变单体配比合成一系列降滤失剂产物。在淡水基浆中加入1.25%（w，淡水基浆的质量分数，下同）的降滤失剂，测定API滤失量，结果见表1。

       由表1可知，随着单体配比的改变，降滤失剂的降滤失性能也在改变；当单体配比为n（AM）:n（APEG-1000）:n（SSS）:n（DMAAC-18）=110:3:10:1时，API滤失量为7.4 mL，降滤失能力最好。说明在该单体配比下，制备的降滤失剂含有合适的官能团配比，降滤失剂分子官能团间具有良好的协同作用，可有效降低滤失量。

        条件：单体总含量 30%(w)，V50 引发剂用量 0.4%(w)，60 ℃，4 h，pH=7.

        AM：丙烯酰胺；APEG-1000：烯丙基聚乙烯醚；SSS：对苯乙烯磺酸钠；DMAAE-18：十八烷基二甲基烯丙基氯化铵；API：中等压力；V50：盐酸偶氮二异丁脒。

2.1.2 引发剂用量的优化

        引发剂用量通过控制自由基的数量，影响反应速率和聚合物分子量，从而影响聚合物降滤失效果。恒定单体配比n（AM）:n（APEG-1000）:n（SSS）:n（DMAAC-18）=110:3:10:1，单体总含量30%（w），反应温度60 ℃，反应时间4 h，反应pH=7，改变引发剂用量合成一系列降滤失剂产物。在淡水基浆中加入1.25%（w）的降滤失剂，测定API滤失量，结果见图1。

        由图1可知，当引发剂用量为0.4%（w）时，降滤失效果最好，API滤失量达到最低7.4 mL。这是因为当引发剂用量过少时，分解所产生的自由基数目过少，引发效率低，因此聚合物分子量低，降滤失效果差；当引发剂用量过多时，分解的自由基就过多，反应活性高，自由基相互终止速率亦增大，导致聚合速率较快，反应提前终止，聚合物分子量低。因此，确定引发剂用量为0.4%（w）。

2.1.3 反应温度的优化

        反应温度通过影响引发剂热分解、单体活性等因素，控制反应速率及聚合物分子量。恒定单体配比n（AM）:n（APEG-1000）:n（SSS）:n（DMAAC-18）=110:3:10:1，引发剂用量0.4%（w），单体总含量30%（w），反应时间4 h，反应pH=7，改变反应温度合成一系列降滤失剂产物。在淡水基浆中加入1.25%（w）的降滤失剂，测定API滤失量，结果见图2。

        由图2可知，当反应温度为60 ℃时，API滤失量为7.4 mL，降滤失效果最好。这是因为当反应温度较低时，引发剂分解速率慢，产生的自由基含量低，链增长速率减慢，使单体不能充分反应，聚合物分子量降低，影响降滤失剂性能。当反应温度较高时，引发剂分解速率加快，产生大量活性自由基，造成爆聚，反应提前终止，聚合物分子量也较低。因此，确定反应温度为60 ℃。