钻井液增黏剂SDA的合成与性能评价

雷鑫宇，陈　爽，王　林，杨世杰，于小荣，李　芹

(1.中国科学院成都有机化学有限公司，成都 610041; 2.中国石油长城钻探钻井液公司，辽宁盘锦 124010; 3.中海油田服务股份有限公司油田化学事业部，天津 300452; 4.西南石油大学化学化工学院，成都 610500)

钻井工程中通常采用添加适量钻井液增黏剂的方法以提高钻井液黏度，实现低固相含量下的快速钻进，从而保证井眼的清洁度[1-2]。目前，现场大量应用的钻井液增黏剂为FA367，其具有增黏程度高和抑制性强等优良特性，但在高温、高盐或高剪切下，增黏效果降低[3]。

本研究以阴离子耐温抗盐单体对苯乙烯基苯磺酸(SS)，阳离子耐温单体二烯丙基二甲基氯化铵(DMDAAC)和非离子单体丙烯酰胺(AM)为原料，采用水溶液聚合法合成钻井液增黏剂SDA;考察了单体质量比，单体用量，引发剂用量，体系pH，反应温度和反应时间对其性能的影响。

1　实验

1.1　仪器与原料

JJ-2型恒速搅拌器，ZNN-D6型六速旋转黏度计，FA1004型电子天平，HTP型滚子炉。

SS，DMDAAC，AM，均为分析纯，成都科龙化工试剂厂；钠膨润土、增黏剂FA367，均为工业品，西南石大金牛石油科技有限公司。

1.2　合成方法

向反应瓶中分别加入SS和适量蒸馏水，待溶解后再依次加入DMDAAC和AM，搅拌使其溶解。升温，缓慢加入一定量的引发剂过硫酸铵，搅拌，回流反应一定时间后得淡黄色黏稠物。用无水乙醇洗涤，75 ℃下烘干得淡黄色粉末，即为增黏剂SDA。

1.3　增黏剂SDA性能评价方法

SDA的性能评价参照标准SY/T 5661—1995《钻井液用增黏剂80A51》进行。基浆配方为：0.24%无水碳酸钠+4.00%钠膨润土，SDA在基浆中加量为0.30%。

2　最佳合成条件的确定

2.1　单体质量比

固定单体用量(质量分数，下同)30%，引发剂过硫酸铵用量0.12%，反应温度75 ℃，反应时间5 h，合成增黏剂SDA，考察单体质量比对SDA性能的影响，结果见图1。表1为不同单体质量比对应的代号。

表1　单体质量比对应代号

图1　单体质量比对SDA性能的影响

由图1可见，随着单体SS含量增加，表观黏度增加，当SS含量为40%～45%时，表观黏度和动切力值达最大，增黏效果最好。这可能是由于SS含量增加，其带负电荷的磺酸根离子的静电排斥作用和苯基的大侧基位阻效应，降低了聚合物自由基双基链终止几率，使SDA的平均相对分子质量增大，宏观上则表现为钻井液的表观黏度和动切力增加。

2.2　单体用量

固定其他条件，按照m(SS)∶m(DMDAAC)∶m(AM)= 4.5∶0.5∶5.0，配制不同单体用量的反应体系，合成增黏剂SDA，考察单体用量对SDA性能的影响，结果见图2。

图2　单体用量对SDA性能的影响

由图2可见，随着单体用量增加，钻井液的表观黏度和动切力增加，当单体用量为30%时，表观黏度和动切力值达最大。这可能由于，引发剂用量一定时，溶液中单体用量增加，自由基和单体分子间有效碰撞几率增大，链增长速率增快，SDA相对分子质量增大，增黏效果显著。

2.3　引发剂用量

固定其他条件，单体用量30%，考察引发剂用量对SDA性能的影响，结果见图3。

图3　引发剂用量对SDA性能的影响

根据自由基聚合的动力学方程分析，要提高SDA的平均相对分子质量，应尽量减少引发剂用量，但过低的引发剂用量，不足以提供足够的自由基活性中心，单体转化率偏低，也影响SDA的相对分子质量。由图3可见，引发剂用量为0.14%时，钻井液的表观黏度和动切力达最大。因此，引发剂用量以0.14%为宜。

2.4　反应温度

固定其他条件，引发剂用量0.14%，考察反应温度对SDA性能的影响，结果见图4。

图4　反应温度对SDA性能的影响

本实验使用的是单引发剂，因此引发剂分解温度要求较高，温度较低，单体扩散速率慢，链增长不明显，SDA相对分子质量不大；温度升高，引发剂的分解速率增大，聚合反应速率增大，SDA相对分子质量增大，但当温度达一定值后，受单体转化率限制，SDA相对分子质量变化不明显，增黏效果变化也不大。从图4看出，反应温度以75 ℃为宜。

2.5　反应时间

固定其他条件，反应温度75 ℃，考察反应时间对SDA性能的影响结果见图5。

图5　反应时间对SDA性能的影响

由图5可见，反应时间太短，SDA相对分子质量较低；反应时间延长，单体转化率提高，SDA相对分子质量提高，反应时间超过5 h，SDA的增黏效果不明显。因此，反应时间以5 h为宜。

2.5　体系pH

固定其他条件，用NaOH调节体系pH，反应时间5 h，考察体系pH对SDA性能的影响，结果见图6。

图6　体系pH对SDA性能的影响

由图6可见，体系pH较高时，链转移速度过大，SDA相对分子质量受影响，增黏果较差；体系pH较低时，会伴有支链或交联反应发生。因此，反应体系为中性或弱碱性时，SDA的增黏效果较好。

2.7　增黏剂SDA的耐温抗盐性能

用NaOH调节体系pH至7，按照最佳反应条件合成SDA，评价其耐温抗盐性能，并与增黏剂FA367比较，结果见表2、表3和表4。

表2　增黏剂耐温性能比较

表3　增黏剂抗Na+性能比较

表4　增黏剂抗Ca2+性能比较

由表2、表3和表4可见， SDA增黏效果较好，经140 ℃高温老化后，增黏效果略优于FA367；同时，SDA的抗盐性能优于FA367。

3　结论

(1)以SS，DMDAAC和AM，采用水溶液聚合法合成了钻井液增黏剂SDA。

(2)确定了SDA最佳合成条件：m(SS)∶m(DMDAAC)∶m(AM)=4.5∶0.5∶5.0，单体用量30%，引发剂用量0.14%，体系pH 7，反应温度75 ℃，反应时间5 h，在此条件下，使钻井液表观黏度达59 mPa·s，动切力达25 Pa，并具有较FA367更好的耐温抗盐性能。

[1]田发国,李建波,高建林,等.钻井液增粘提切剂YF-01的研制[J].精细石油化工进展,2009,10(3):4-7.

[2]陈大钧,陈馥,李建波,等.油气田应用化学[M].北京：石油工业出版社，2006：22-25.

[3]鄢捷年.钻井液工艺学[M]. 北京：中国石油大学出版社，2001:127-130.