王高杰 （中石油冀东油田分公司勘探开发建设项目部，河北 唐山 063200）

王春亮 （中石油大港油田分公司滩海公司开发公司工艺研究所，天津 300280）

陈正涛 （中石油大港油田分公司第一采油厂工艺研究所，天津 300280）

在钻井过程中，由于压差作用的存在，钻井液中的水分不可避免地通过井壁滤失到地层中，造成钻井液失水。随着水分进入地层，钻井液中的黏土颗粒便附着在井壁上形成 “滤饼”［1－3］。由于滤饼黏附于井壁上要比原来的井壁致密得多，所以它阻止了钻井液的进一步滤失。但是滤失量［4－5］过大，易引起泥页岩水化膨胀和坍塌，造成井壁失稳。此外，滤失量增大的同时滤饼增厚，使得井径缩小，给旋转钻具造成较大的扭矩，起下钻时引起抽汲和压力波动，易造成压差卡钻。因此，适当控制滤失量是钻井液的重要性能之一。水溶性两性聚合物［6－10］具有溶解性好、抗高温、耐高价金属污染等特点，尤其是在改善钻井液流变性、稳定井壁有着阴离子型降滤失剂无可比拟的优点。笔者合成了一种新型水溶性两性聚合物，并对该聚合物在水基钻井液中的降滤失性能、抗温耐盐性能和流变性能进行了评价研究。

1 试验部分

1.1 原料和仪器

1）原料 甲基丙烯酸 （AR），丙烯酰胺 （AR），苯乙烯磺酸钠 （AR），二甲基二烯丙基氯化铵（AR），过硫酸钠 （AR），亚硫酸氢钠 （AR）。

2）仪器 三口烧瓶，恒温水浴锅，搅拌器，鼓风干燥烘箱。

1.2 新型水溶性两性聚合物的合成

在三口烧瓶中加入定量的水，按一定比例依次加入反应单体，并缓慢搅拌，使所有单体完全溶解以调节水溶液的pH值；将三口烧瓶放入恒温水浴锅中，在电动搅拌机搅拌下通入氮气 （N2）30min，并将水浴锅温度缓慢加热到指定温度，再加入定量的过硫酸钠和亚硫酸氢钠溶液，密闭反应到指定时间；取出反应所得粗产品经提纯后烘干，粉碎过筛得到白色粉末状的产品。

2 反应条件的合理优化

根据所选择的单体性质和反应产物性能需求，需要对反应条件进行合理优化。

2.1 反应温度

根据所选单体性质，聚合反应采用自由基共聚反应。自由基共聚反应温度低有利于得到较高相对分子质量的产物。随着温度的升高聚合反应的诱导期缩短相对分子质量趋于增加，但当反应温度过高时产物的相对分子质量大幅度降低且易出现爆聚。因此，将聚合试验反应温度控制在60～70℃，该次反应温度定在65℃。

2.2 反应时间

自由基共聚反应时间主要影响单体的转化率。反应初期随着反应时间的延长转化率逐渐增加，之后转化率的变化随时间上升趋于稳定。因此，过长的反应时间对合成转化率提高并不明显。将该次聚合试验反应时间控制在3～5h。

2.3 单体加量

单体加量的高低会影响聚合反应中单体连接方式，必须控制非功能性单体的加量，才能保证得到期望的合成产物。在该试验条件下，甲基丙烯酸 （AR），丙烯酰胺 （AR），苯乙烯磺酸钠 （AR），二甲基二烯丙基氯化铵 （AR），单体加量为1∶2.5∶1.5∶1。

2.4 引发剂加量

引发剂加量过多会引起端基封锁，降低合成产物分子量。该次试验引发剂质量分数控制在0.2%～0.4%。

3 性能评价

3.1 抗高温试验

按照4%膨润土＋0.3%碳酸钠配制基浆，分成6份，分别加入不同含量的合成聚合物，用高速搅拌机搅拌20min。然后在200℃下老化16h，测定其流变、降滤失性能。测试结果如表1所示。

表1 不同加量的合成聚合物老化前后性能对比

从表1可以看出，该聚合物具有较好的降滤失性能，在200℃滚动老化后仍能较好的控制钻井液的滤失量。随着聚合物加量的增加，钻井液的黏度有所上升，滤失量降低，当聚合物加量超过1.5%时，钻井液的滤失量降低不大，因此，合成聚合物的加量定为1.5%左右。

3.2 抗盐试验

1）4%盐水试验 用去离子水配制4%的膨润土基浆，加入4%的NaCl，高速搅拌20min，然后分成6份，分别加入不同量的合成聚合物，高速搅拌20min，测定其流变、降滤失性能。测试结果如表2所示。从表2可以看出，在4%的盐水基浆中，随着合成聚合物加量的增加，体系的黏度逐渐上升，滤失量逐渐下降。与淡水体系相比，加入4%的NaCl的盐水体系的基浆的黏度下降，滤失量升高。但是，随着合成聚合物的增加，滤失量急剧下降，当合成聚合物加量达到1.5%时，盐水体系的滤失量小于淡水体系，说明该合成聚合物具有较好的抗盐能力。

2）饱和盐水试验 用去离子水配制4%的膨润土基浆，加入NaCl直至饱和，高速搅拌20min，然后分成6份，分别加入不同量的合成聚合物，高速搅拌20min，测定其流变、降滤失性能。测试结果如表3所示。从表3可以看出，饱和盐水体系的整体趋势和4%的盐水体系类似，当合成聚合物加量达到1%时，饱和盐水条件下的滤失量和淡水体系下的基本一样，当合成聚合物加量继续增加时，滤失量继续下降，这说明该合成聚合物在盐水体系中的降滤失效果更好，更适应于盐水或者饱和盐水钻井液体系。

表2 加4%盐水条件下合成聚合物的性能

表3 饱和盐水条件下合成聚合物的性能

3.3 抗钙试验

用去离子水配制4%的膨润土基浆，向基浆中加入1.5%的合成聚合物，高速搅拌20min，然后分成4份，分别加入不同量的氯化钙，高速搅拌20min，测定其老化前后的流变、降滤失性能。测试结果如表4所示。

表4 聚合物处理后基浆抗钙污染结果

从表4可以看出，CaCl2的加入使得体系的黏度和滤失量都增加，且当CaCl2的加量达到1500mg／L时，体系的滤失量急剧增加，说明该合成聚合物在CaCl2浓度小于1500mg／L时效果较好，具有一定的抗钙能力。

3.4 防膨试验

制备100目的泥岩粉末10g，分成2份，分别在清水和1.5%的合成聚合物溶液下进行防膨试验。测试结果如图1所示。从图1可以看出，清水的最大膨胀量为0.9mm，而1.5%的合成聚合物溶液的最大膨胀量为0.37mm，远远小于清水的最大膨胀量。因此，该合成聚合物具有较好的防膨效果。

图1 合成聚合物的防膨效果

4 结论与建议

1）通过试验确定了该两性聚合物的最佳合成条件为：单体加量按1∶2.5∶1.5∶1，反应温度控制在65℃左右，反应时间4h。

2）该合成聚合物具有很好的抗温、抗盐、防膨以及一定的抗钙能力，且其更适应于饱和盐水钻井液体系。

3）当CaCl2浓度大于1500mg／L时，体系的滤失量较大，因此，可继续优化该合成聚合物的配比及反应条件，增强其抗钙能力。

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