李 宁 罗春芝，王怡迪

(中石油塔里木油田公司油气工程研究院，新疆 库尔勒 841000) (长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

钻井液温度稳定剂WDW的研制与应用

李 宁 罗春芝，王怡迪

(中石油塔里木油田公司油气工程研究院，新疆 库尔勒 841000) (长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

针对常用钻井液聚合物增粘剂及降滤失剂高温降解后导致钻井液流变性及滤失性发生很大变化的问题，在室内开展了钻井液温度稳定剂的研制。利用丙烯酰胺(AM)、2⁃丙烯酰胺基⁃2⁃甲基丙磺酸(AMPS)和苯乙烯基硫脲3种单体，采用自由基水溶液共聚法合成温度稳定剂(WDW)，评价了WDW对聚合物增粘剂、降滤失剂及磺化类降滤失剂抗温性的影响，并分析其作用机理。结果表明，该剂能提高聚合物增粘剂、降滤失剂及磺化类降滤失剂抗温能力10～20℃，有效地解决了磺化类降滤失剂高温交联问题。该剂应用在江汉油田、华北油田无固相钻井液体系中，取得了良好效果。

钻井液；温度稳定剂；自由基聚合；流变性；滤失量

随着石油的不断开采，深井、超深井钻井作业越来越多，井底温度越来越高。在高温作用下，聚合物分子及分子间会发生3种变化：聚合物分子链会发生断裂降解，使处理剂失去它原有的特性；聚合物分子中存在的各种不饱和键和活性基团会促使分子之间发生各种反应，产生高温交联，使钻井液增稠；高温影响聚合物处理剂与粘土之间的相互作用，即高温解吸附和高温去水化作用。上述3种状况导致钻井液流变性和滤失性发生明显变化，严重时钻井作业无法安全正常地进行。

基于高温对聚合物处理剂的影响及聚合物处理剂与粘土粒子相互作用的影响，要求温度稳定剂的分子结构应具备以下特点[1-4]：稳定剂分子主链及与亲水基团的连接键应有“C—C”、“C—N”和“C—S”等键，尽量避免分子中有易氧化的醚键和易水解的酯键；为使处理剂在高温下对粘土仍有较强吸附能力，稳定剂分子中应有阳离子，这样不仅能与有机处理剂形成络合物，还能与带负电荷的粘土表面发生牢固且受温度影响较小的静电吸附，而且阳离子的引入对抑制粘土颗粒的高温分散也会起相当大的作用；为了减轻高温去水化作用，稳定剂分子中的主要水化基团应选用亲水性强的离子基，如磺酸基(—SO3—)、磺甲基(—CH2SO3—)等，以保证稳定剂吸附在粘土颗粒表面后能形成较厚的水化膜，使钻井液具有较强的热稳定性。此外，稳定剂能与聚合物处理剂降解部分发生化学反应，提高降解部分的分子量，从而保证处理剂的作用效果。下面笔者对钻井液温度稳定剂WDW的研制与应用进行探讨。

1 温度稳定剂WDW的合成

选取丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸 (AMPS)和苯乙烯基硫脲3种单体合成三元共聚物作为钻井液温度稳定剂WDW。采用自由基水溶液共聚法合成聚合物。称取一定量的 AM和AMPS配制成水溶液，加入20%的NaOH溶液调节pH 为6.5左右,然后将配制好的溶液转移到四口瓶中，搅拌至完全溶解，再加入已溶解好的苯乙烯基硫脲,并升温到60℃，通氮气除氧30min，然后加入一定量的引发剂，恒温反应6h后取出产品，用丙酮浸泡24h，再用无水乙醇抽提、烘干、粉碎至100目以上即得样品。

2 温度稳定剂的WDW性能评价

2.1对聚合物增粘剂抗温性能的影响

在3%评价土浆中加入0.4%的聚合物增粘剂，高速搅拌20min后形成聚合物浆(80A51、KPAM)，在其中再加入0.5% WDW形成抗温试验浆。然后在不同温度下热滚16h后冷至室温，测定其流变性及滤失量。试验结果如表1所示。

表1 温度稳定剂对聚合物增粘剂性能影响

注：AV为表观粘度；PV为塑性粘度；YP为动切力；FL为API滤失量；h为泥饼厚度；80A51、KPAM分别为聚合物增粘剂。

从表1可以看出，在相同温度下聚合物浆中加入0.5% WDW后所形成的试验浆的表观粘度、塑性粘度、动切力均比聚合物浆大，滤失量明显下降。表明温度稳定剂提高了聚合物增粘剂的抗温性，使其抗温能力提高10～20℃。

2.2对聚合物降滤失剂抗温性的影响

在3%评价土浆中加入0.7%的聚合物降滤失剂，高速搅拌20min后形成聚合物浆，在其中加入0.5% WDW形成抗温试验浆。然后在不同温度下热滚16h后冷至室温，测定其流变性及滤失量。试验结果如表2所示。

表2 温度稳定剂对聚合物降滤失剂性能影响

注：NPAN、NH4HPAN、KHPAN分别为聚合物降滤失剂。

从表2可以看出，在相同温度下，在聚合物降滤失剂中加入0.5% WDW后，试验浆的滤失量较聚合物浆有明显下降，使其抗温能力提高10℃左右。

2.3对磺化类降滤失剂抗温性的影响

对磺化类降滤失剂抗温性影响与对聚合物降滤失剂抗温性影响的试验方法相似，只是磺化处理剂的加量为3%，试验结果如表3所示。从表3 可以看出，在评价土浆中加入磺化类处理剂后，随温度的增加，滤失量增加，表观粘度、塑性粘度及切力也增大，表明在高温时有交联现象，上述现象与作业现场的情况一致。在聚合物浆中加入0.5%的WDW后，滤失量略有下降，体系没有明显的增粘，表明温度稳定剂降低了磺化类降滤失剂的高温胶联程度。

表3 温度稳定剂对磺化类降滤失剂性能影响

3 现场应用

WDW研制成功后，先后在江汉、华北等油田应用。如该温度稳定剂应用到江汉松滋油田无固相聚合物钻井液体系中。当钻至3800m后，地层温度达到120℃以上，钻井液体系粘度、切力下降，携砂性能下降，滤失量上升，表明聚合物降解明显。现场补加聚合物处理剂，将钻井液体系流变性、滤失性调整到合理范围内，并添加0.5% WDW，钻井液性能稳定10d后性能略有变化，再补加少量聚合物处理剂及WDW，如此处理钻井液直至完井。钻井液处理前后性能如表4所示。

表4 WDW对现场无固相聚合物钻井液性能影响

注：聚合物*为120℃高温作用下降解后聚合物钻井液；Gel为钻井液初、终切力；Kf为钻井液润滑系数；ρ为钻井液密度。

从表4可以看出，无固相聚合物钻井液在井底温度为115℃时，流变性、滤失性和润滑性均能满足安全钻井要求；井底温度为120℃时，表观粘度、动切力及静切明显下降，钻井液携砂和悬砂能力下降；API滤失性及润滑系数明显上升。将聚合物钻井液性能调整到115℃井底温度时性能后再加0.5%WDW，井底温度为125℃时，流变性及润滑性明显提高，滤失量降低，表明WDW能提高无固相聚合物钻井液的抗温性，使钻井液性能较长时间保持稳定，减少了钻井液处理次数和难度。

[1]刘海军.硫脲衍生物类新型有机热稳定剂[J].塑料助剂，2010，81(3)：1-5.

[2]朱麟勇,常志英,李妙贞,等.部分水解聚丙烯酰胺在水溶液中得氧化-温度的影响[J].高分子材料科学与工程，2000,16(1)：113-116.

[3]Mohamed N A, Al-Magribi W M. N-(Substituted phenyl) itaconimides as Organic Stabilizers for Rigid Poly (vinyl chloride) against photo-degradation[J].Polymer Degradation and Stability, 2003,82(3):421-433.

[4]Sabaa M W, Mohamed N A, Yassin A A. Organic Thermal Stabilizers for Rigid Poly(vinyl chloride). Part Ⅸ:NBerzoyl-N-p-substituted Phenylthiourea Derivatives[J].Polymer Degradation and Stability, 2003,81(3):431-440.

[编辑] 李启栋

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.11.029

TE254 4

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16731409(2012)11N08803