摘要

以丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、对苯乙烯磺酸钠（SSS）和二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）为合成单体，以自由基聚合法合成了水基钻井液用降滤失剂（PAASDA）。利用FTIR, ¹H NMR, DTA-TG, SEM等方法对PAASDA的结构和热稳定进行了表征。采用单因素法确定了适宜的合成条件为：m(AM):m(AMPS):m(SSS):m(AA):m(DMDAAC)=30:40:8:15:7,引发剂用量0.6%（w）。高温老化实验结果表明：在盐水基浆中PAASDA加量为2.0%（w）时，可抗180℃高温；在不同老化温度下滤失性能均比其他磺化降滤失剂优异；在复合盐水聚磺钻井液体系中，老化后滤失量为2.2mL,高温高压滤失量为8.2mL,相比常用抗盐降滤失剂，滤失量可降低72.7%，降滤失效果更佳。

随着现代石油工业的迅速发展，油气勘探逐渐进入更深的地层。在钻井过程中，钻井液可以悬浮岩屑，冷却钻头，控制地层压力。目前国内外的水基钻井液降滤失剂主要以改性天然产物和人工合成高分子聚合物降滤失剂为主。其中，两性离子聚合物降滤失剂由于具有优良的配伍性、吸附性及稳定性等优点，将成为今后人工合成高分子聚合物降滤失剂研究开发的主要方向。

深井高温会导致常规降滤失剂交联或降解，使钻井液流变性能和滤失量无法控制。高压会对钻井液密度产生影响，使井壁失稳、塌陷和压差卡钻。因此，迫切需要研制一种性能优良的钻井液降滤失剂。Huang等用丙烯酰胺（AM）/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）/二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）/对苯乙烯磺酸钠（SSS）合成的降滤失剂在淡水基浆中高温老化达到240℃，DMDAAC的阳离子性保证了聚合物在高温下具有足够的吸附基团，带有刚性苯环结构的SSS由于具有磺酸基团及较大的空间位阻效应，从而增强了降滤失剂的抑制性和热稳定性。全红平等用AM/烯丙基聚乙二醇（APEG）/丙烯酸（AA）/SSS合成的降滤失剂中引入的AA中含有羧基，可增加水化基团吸附能力，提高聚合物降滤失性能和稳定性。

本文采用自由基水溶液聚合法，以AA，AMPS，SSS，DMDAAC，AM为原料，（NH₄）2S₂O₈-NaHSO₃为引发剂，合成了一种抗温、抗盐、强抑制性降滤失剂PAASDA。利用单因素法确定了合成PAASDA的适宜条件，同时采用FTIR, ¹H NMR, DTA-TG, SEM等方法分析了PAASDA的结构和降滤失性能。

1. 实验部分

1.1 主要试剂与仪器

AM，AA，（NH₄）2S₂O8，NaHSO3，CaCl2，NaCl，甲酸钠，无水碳酸钠，无水乙醇：AR，成都科龙化工试剂厂；

AMPS：工业品，塞恩化学技术有限公司；

DMDAAC：60%（w）水溶液，阿拉丁试剂有限公司；

SSS：工业品，上海笛博化学品技术有限公司；

二级膨润土：新疆中非夏子街膨润土有限公司；

磺化降滤失剂（SMP-3）、抗盐降滤失剂（HL-60）、提黏剂（PAC-HV）、辅助提黏剂（CMS）、稀释剂（SMT）、阳离子乳化沥青粉（FT-1）、超细目碳酸钙粉（QS-2）、重晶石：工业品，任丘市高科化工有限公司。

WQF520型傅里叶变换红外光谱仪：北京瑞利分析仪器有限公司；

ZNS型常温中压滤失仪：青岛宏祥石油机械制造有限公司；

Bruker AVANCE Ⅲ HD 400型核磁共振波谱仪：布鲁克公司；

STA-449F3型热重-热差同步分析仪：德国NETZSCH公司；

QUANTA-450型环境扫描电子显微镜：美国FEI公司；

GGS42-2型高温高压滤失仪：青岛同春石油仪器有限公司；

NDJ-8S型数字黏度计：上海佑科仪器仪表有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 PAASDA的合成

在室温下，将2.57g AMPS，1.29g AA，0.69g SSS加入烧杯，用20mL纯水使它们完全溶解，滴加氢氧化钠水溶液30%（w）至溶液pH=7。再将1.0g DMDAAC 60%（w）和3.43g AM依次加纯水中，搅拌均匀使所有单体完全溶解。再加入0.034g （NH₄）₂S₂O₈ 和0.017g NaHSO₃作为引发剂，搅拌均匀，通氮气10min，用保鲜膜密封，放入50℃的恒温水浴锅中，反应6h后，得到透明胶状聚合物。用无水乙醇多次洗涤后剪切造粒，烘干研磨得白色粉末即为PAASDA。

1.2.2 结构表征

采用红外光谱仪对PAASDA进行FTIR光谱分析，波数范围为500~4000cm^-1，分辨率2cm^-1,扫描次数为16，KBr压片。采用核磁共振波谱仪对降滤失剂PAASDA进行¹H NMR表征，结合FTIR光谱确定分子结构。

1.2.3 高温稳定性分析

      采用同步综合热分析仪对降滤失剂PAASDA稳定性进行考察，氮气氛围，升温区间50~450℃，升温速率10℃/min。

1.2.4 钻井液基浆的配置

     按Q/SH 0049-2007规定的方法配置钻井液基浆。在1000mL去离子水中加入2.4g无水碳酸钠和40g钠膨润土，高速搅拌20min后，养护24h，即得盐水基浆。复合盐水聚磺钻井液的配方见表1.

1.2.5 降滤失性能及流变参数评价

      按GB/T 16783.1-2014规定的方法测试降滤失性能。

      滤失实验：将试样加入不同基浆中，采用中压滤失仪测定常温中压滤失量（FL_API），实验条件为室温、0.69MPa;采用高温高压滤失仪测定高温高压滤失量（FL_HTHP）,实验条件为180℃、3.5MPa。

     老化实验：采用滚子加热炉对不同基浆进行高温老化处理，考察基浆热稳定性能，老化温度200℃，氮气氛围下老化16h。

1.2.6 微观滤饼形貌

    采用环境扫描电子显微镜观察试样的微观形貌。

2. 结果与讨论

2.1 降滤失剂PAASDA合成条件的影响

  采用单因素法，以淡水基浆为测试样，降滤失剂加量为基浆质量的0.6%，以FL_API为评价依据，确定最优合成条件。

2.1.1 单体配比

  采用三组单因素实验优化单体配比。固定m(SSS):m(DMDAAC):m(AA)，考察m(AMPS):m(AM)；固定m(AMPS):m(AM):m(AA)，考察m(SSS):m(DMDAAC)；固定m(AMPS):m(AM):m(SSS):m(DMDAAC)，考察AA的加量。

2.1.1.1 AMPS与AM配比

  AM起主链骨架的作用，在单体配比中所占比例较大；AMPS引入共聚物中会显著改善共聚物的抗温抗盐性能。固定m(SSS):m(AA):m(DMDAAC)=8:15:7，考察m(AM):m(AMPS)对PAASDA在淡水基浆中降滤失性能的影响见图1。由图1可以看出，随着m(AM):m(AMPS)的减小，PAASDA在淡水基浆中的滤失量先降低后增大，说明AMPS对PAASDA的降滤失性能影响较大。这是由于AMPS单体上含有磺酸基团，且AMPS聚合活性高，能够参与反应，所以随着AMPS加量的增加，磺酸基团增多，使得聚合物水化能力增强，有利于改善钻井液的造浆性能，进而降低在淡水基浆中的滤失量。但当AMPS的加量超过40%（w）时，滤失量有所上升，这是由于AMPS过度聚合引起的，考虑经济成本，确定最优比例m(AM):m(AMPS)=3:4，AMPS加量为40%（w）。

2.1.1.2 SSS与DMDAAC配比

  SSS含有磺酸基团和刚性结构苯环，具有很好的热稳定性；DMDAAC是季铵类阳离子单体，能增强聚合物在黏土颗粒上的吸附能力。固定m(AM):m(AMPS):m(AA)=6:8:3，考察m(SSS):m(DMDAAC)对PAASDA在淡水基浆中降滤失性能的影响见表2。由表2可以看出，改变m(SSS):m(DMDAAC)，PAASDA在淡水基浆中部分出现絮凝现象，这是由于DMDAAC含有阳离子，而黏土颗粒一般带有负电荷，在静电力的作用下，黏土与聚合物相互吸附。当DMDAAC加量较多时，PAASDA分子中阳离子含量较高，使得黏土颗粒过多的吸附在聚合物上，发生聚集絮凝。当DMDAAC加量为7%（w）时，聚合物上的阳离子和黏土颗粒适度絮凝，FL_API最低，所以确定DMDAAC加量为7%（w）。