耐高温聚合物钻井液降滤失剂的合成及作用机理研究

摘要

为了提高目前油气勘探开发中使用的深井水基钻井液的耐高温性能，解决水基钻井液的高温不稳定难题，本文通过大量的文献研究分析，选择了通过提高水基钻井液处理剂的耐温耐盐性能，从而提高水基钻井液的高温稳定性的方法，采用分子结构设计的理论，通过对耐温性单体的优选，利用水溶液自由基共聚合方法，使用过硫酸钾作为引发剂、乙二胺四乙酸二钠盐(EDTA)作为络合剂，合成了2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠/N，N-二甲基丙烯酰胺/N-乙烯吡咯烷酮(AMPS/DMAM/NVP)三元共聚物，作为高温水基钻井液降滤失剂，对高温水基钻井液具有很好的降滤失及高温稳定作用。 一、AMPS/DMAM/NVP三元共聚物的合成与表征 AMPS/DMAMINVP三元共聚物的水溶液自由基共聚合实验采用四因素三水平正交实验方法，得到了最佳反应条件：络合剂EDTA用量0.1w.t.％(占总的单体质量分数)、单体配比AMPS:DMAM:NVP=3:6:1(摩尔比)、引发剂KPS用量0.2w.t.％(占总的单体质量分数)、反应温度75℃。并对合成的三元共聚物进行了分子结构、分子量、热稳定性等方面的表征，红外光谱表征证明了三元共聚物中各单体的存在以及各单体发生了共聚合反应；元素分析结果表明AMPS、DMAM两种单体反应活性较大，在三元共聚物中所占百分比较大；根据特性粘度表征结果，得到了三元共聚物的相对分子量大约为77.14万；TGA分析及特性粘度保留率表征方法表明三元共聚物具有较好的热稳定性能。 二、AMPS/DMAM/NVP三元共聚物在粘土颗粒表面的吸附以及对粘土分散体系流变性的影响 为了解释三元共聚物对水基钻井液的高温稳定机理，研究了三元共聚物在粘土颗粒表面的吸附行为，并以流变实验方法研究了三元共聚物的吸附对粘土颗粒间相互作用的影响。结果表明，三元共聚物在粘土颗粒表面发生了吸附，且吸附量随共聚物浓度的增加而增加，然后达到吸附平台；电解质的加入有利于吸附量的增加，并且双价金属离子的影响大于单价金属离子；此外，温度的升高不利于吸附的进行，吸附量降低。流变实验表明，共聚物水溶液流变曲线呈幂率流变模式，共聚物．粘土分散体系流变曲线呈Herschel-Bulkely流变模式，且共聚物对粘土分散体系具有很好的增粘作用；振荡实验表明，共聚物的加入增加了体系的粘性模量，而对体系的弹性模量贡献不大。电解质对各种体系的弹性及粘性性质均有明显的影响，而且双价金属离子的影响大于单价金属离子。 三、AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对泥浆的高温稳定及降滤失作用及作用机理分析 为了考察三元共聚物对泥浆的高温降滤失及稳定作用，200℃老化16h条件下，实验研究了三元共聚物对4w.t.％淡水泥浆、4w.t.％盐水泥浆的高温降滤失效果，并通过粒径分布、zeta电势等实验手段对其作用机理进行了分析。对于4w.t.％淡水泥浆，共聚物具有很好的降滤失和高温稳定作用，共聚物通过在粘土颗粒表面的吸附以及共聚物本身的疏水作用，对粘土颗粒起到静电和空间稳定作用，使粘土颗粒保持较好的粒径分布匹配，因此可以形成渗透率低的泥饼；再者，共聚物的增粘作用、物理堵塞作用等，都有利于滤失量的降低。对于4w.t.％盐水泥浆，共聚物浓度需要达到一定的浓度才能起到很好的降滤失效果，作用机理主要是：通过对粘土颗粒的空间和静电稳定作用使粘土颗粒保持较好的粒径分布匹配，以及共聚物的物理堵塞作用等。而对于共聚物本身的耐温耐盐性能，文中从分子结构的角度加以解释。 四、AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对泥浆的高温降滤失性能对比评价 实验选取了进口样品Driscal D降滤失剂作为对比处理剂，考察了200℃老化16h条件下AMPS/DMAM/NVP三元共聚物、Driscal D对各种类型泥浆的降滤失效果。结果表明三元共聚物对淡水泥浆、4w.t.％盐水泥浆、复合盐水泥浆及人工海水泥浆b的降滤失效果均优于Driscal D，说明在该相同条件下，三元共聚物具有更好的耐温、耐盐、抗钙镁离子污染能力，而对人工海水a的降滤失效果略低于Driscal D，说明三元共聚物更适用于较低膨润土含量的泥浆。此外，240℃老化16h条件下考察了两者对淡水泥浆和饱和盐水泥浆的降滤失效果，结果表明240℃条件下三元共聚物仍具有很好的耐温耐盐能力，具有很好的降滤失效果，基本能耐饱和盐水。

目录

文摘

英文文摘

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第一章前言

1.1研究背景及意义

1.1.1高温对水基钻井液的影响

1.1.2抗高温钻井液处理剂的一般要求

1.2耐温聚合物的合成研究进展

1.2.1聚合物的合成思路及方法

1.2.2聚合物结构控制

1.2.3聚合物热稳定性评价方法

1.2.4研究现状

1.3聚合物与粘土相互作用研究进展

1.3.1聚合物在粘土颗粒表面的吸附

1.3.2聚合物-粘土分散体系流变性研究

1.3.3聚合物对粘土分散体系聚结稳定性的影响

1.4聚合物-粘土分散体系的高温稳定性作用机理研究

1.5存在问题

1.6本文研究思路及内容

第二章AMPS/DMAM/NVP三元共聚物合成与表征

2.1实验原料与试剂

2.2实验仪器及设备

2.3聚合物合成

2.3.1单体选择

2.3.2 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物正交合成实验

2.4 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物表征

2.4.1 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物分子量表征

2.4.2 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物元素分析

2.4.3 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物结构红外光谱分析

2.4.4 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物热稳定性分析

2.5小结

第三章AMPS/DMAM/NVP三元共聚物在粘土表面的吸附

3.1实验仪器及药品

3.2实验方法

3.3共聚物在粘土颗粒表面的吸附

3.4共聚物在粘土颗粒表面吸附的影响因素

3.4.1 NaCl对共聚物在粘土颗粒表面吸附的影响

3.4.2 CaCl2对共聚物在粘土颗粒表面吸附的影响

3.4.3温度对共聚物在粘土颗粒表面吸附的影响

3.5小结

第四章AMPS/DMAM/NVP三元共聚物水溶液及共聚物-粘土分散体系流变性研究

4.1实验材料及试剂

4.2实验仪器及设备

4.3 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物水溶液及共聚物-粘土分散体系流变性

4.3.1 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物水溶液及共聚物-粘土分散体系配制

4.3.2 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物水溶液及共聚物-粘土分散体系流型曲线

4.3.3 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物水溶液及共聚物-粘土分散体系粘弹性

4.4电解质对AMPS/DMAM/NVP三元共聚物水溶液及共聚物-粘土分散体系流变性的影响

4.4.1实验方法

4.4.2 NaCl的影响

4.4.3 CaCl2的影响

4.5 小结

第五章AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对粘土分散体系的高温稳定及降滤失作用

5.1 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对4w.t.％淡水粘土分散体系的高温稳定及降滤失作用

5.1.1 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对4w.t.％淡水泥浆高温老化前后滤失及流变性能的影响

5.1.2 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对粘土颗粒粒径分布的影响

5.1.3 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对粘土颗粒zeta电位的影响

5.1.4 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对淡水基浆的降滤失及高温稳定作用机理分析

5.2 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对4w.t.％盐水粘土分散体系的高温稳定及降滤失作用

5.2.1 AMPS/DMAM/NVP三元共聚物对4w.t.％盐水泥浆高温老化前后滤失及流变性能的影响

5.2.2共聚物对4w.t.％盐水分散体系的高温稳定作用机理分析

5.3共聚物对不同泥浆体系的降滤失效果评价

5.3.1对淡水泥浆的降滤失效果评价

5.3.2对4w.t.％盐水泥浆的降滤失效果评价

5.3.3对复合盐水泥浆的降滤失效果评价

5.3.4对人工海水基浆的降滤失效果评价

5.3.5对饱和盐水泥浆的降滤失效果评价

5.4小结

第六章结论

参考文献

致谢