用于水基钻井液滤失控制的耐高温高盐支化聚合物

《Gels》：Development of a High-Temperature and High-SalinityResistant Branched Polymer for Controlling Fluid Loss of Water-Based Drilling Fluids

　　

常规降滤失剂缺乏耐热和耐盐性，且在膨润土基钻井液中表现出显著的增粘效应，这些问题会在钻井作业中引发严重问题。研究人员以BPEI1800为支化核，以DMAA、AMPS、DMDAAC和AN为单体，合成了一种支化降滤失剂BPJ。BPJ表现出良好的热稳定性，在235 °C时热降解程度较低。BPJ在钻井液中可热稳定至220 °C，并能耐受饱和NaCl、10% KCl和5% CaCl₂。与商业降滤失剂相比，BPJ具有更好的降滤失性和更低的增粘性。在220 °C和36 wt% NaCl条件下，BPJ能强烈吸附于膨润土表面；磺酸基团增强了静电排斥，维持了膨润土良好的胶体稳定性，并进一步抑制了膨润土颗粒的聚集和有害分散。BPJ与膨润土具有协同作用，有助于形成不透水泥饼，从而实现高效滤失控制。该研究为深层和超深层高温高压钻井液用降滤失剂的开发提供了一种新途径。

随着油气勘探向深层和超深层发展，井深超过6000 m的钻井作业日益重要，井下温度常超过200 °C甚至达到220 °C。常规降滤失剂因热稳定性和抗盐性不足，在高温高盐条件下流变行为失控、滤失量增大，易引发井壁坍塌、卡钻和井喷等事故。现有天然改性降滤失剂含醚键、糖苷键等弱键，难以承受超高温；线性合成聚合物虽可耐温至220 °C，但在淡水基浆中显著增粘，导致泵送困难。为此，研究人员以BPEI1800为支化核，通过水溶液自由基聚合将DMAA、AMPS、DMDAAC和AN共聚，制备了支化降滤失剂BPJ，并与线性聚合物LPJ及商业产品对比，系统评价其流变性能、滤失性能和抗温抗盐性能。该研究发表于《Gels》。

在关键技术与方法方面，研究人员采用水溶液自由基聚合法，以BPEI1800为支化核，DMAA、AMPS、DMDAAC、AN为单体合成BPJ；相同配方不加BPEI1800合成线性聚合物LPJ。利用FTIR、TGA、TEM和GPC表征聚合物结构、热稳定性和分子量；按API标准使用六速旋转粘度计和中压/高温高压滤失仪测定流变参数、FL_API和FL_HTHP；采用TOC分析仪测定BPJ在膨润土上的吸附量；使用Zeta电位仪和激光粒度仪评价分散稳定性；采用SEM和EDS观察滤饼形貌与元素组成。商业降滤失剂DS-1、DS-2、Driscal D和SMP-1在相同配方和测试条件下作为对比。

2.1 BPJ的表征
FTIR证实聚合物链上存在酰胺、磺酸、季铵和腈基等特征官能团；TGA显示BPJ在235 °C以下分解有限，具备超高温应用潜力；TEM显示BPJ呈不规则多边形或准球形致密结构，而LPJ呈线性链状结构；GPC表明二者分子量相近，说明性能差异主要源于支化结构而非分子量差异。

2.2 BPJ的性能评价
2.2.1 BPJ浓度对FWBDFs性能的影响
随BPJ浓度增大，AV、PV、YP升高，FL_API和FL_HTHP（180 °C，3.5 MPa）降低；2.5 wt%为最优加量，可兼顾流变性能与降滤失性能。

2.2.2 耐温性能
220 °C热滚后BPJ-FWBDFs仍保持合适的流变性能和滤失性能；240 °C老化后AV、PV、YP显著下降，表明BPJ发生明显热降解，因此其最高有效耐温温度为220 °C。

2.2.3 耐盐性能
在饱和NaCl、10% KCl和5% CaCl₂条件下，BPJ在220 °C老化后FL_HTHP（180 °C，3.5 MPa）分别为39.8、40.6和45.8 mL，表明BPJ具有良好的抗盐和抗钙性能。

2.2.4 与线性聚合物LPJ的对比
在FWBDFs中加入2.5 wt%时，LPJ-FWBDFs的AV和PV分别升至106.0 mPa·s和96.0 mPa·s，而BPJ-FWBDFs仅为58.0 mPa·s和52.0 mPa·s；BPJ在滤失控制方面也略优于LPJ，说明支化结构降低了增粘效应并改善了降滤失性能。

2.2.5 与其他降滤失剂的对比
在相同配方和测试条件下，DS-2和Driscal D显著提高SWBDFs粘度，SMP-1出现老化后增稠趋势；BPJ的增粘效应低于DS-2和Driscal D，且在所有测试添加剂中FL_HTHP（180 °C，3.5 MPa）最低，表现出最好的高温高盐降滤失能力。

2.3 吸附能力分析
TOC测定显示，BPJ在淡水浆和饱和盐水浆中均能有效吸附于膨润土表面；220 °C老化后，BPJ在淡水浆和饱和盐水浆中的吸附容量保持率分别为66.32%和64.78%，说明其在高温高盐条件下仍保持较强吸附能力。

2.4 Zeta电位分析
加入2.5% BPJ后，淡水浆Zeta电位从老化前的-30.6 mV和老化后的-20.8 mV分别变为-53.6 mV和-45.4 mV；饱和盐水浆中Zeta电位从-9.68 mV和-7.26 mV恢复至-46.4 mV和-38.8 mV。这表明BPJ通过吸附增强膨润土颗粒表面电荷密度和静电排斥，改善胶体稳定性。

2.5 粒径分布分析
220 °C老化后，淡水浆D₅₀从36.8 μm增至65.9 μm，表明黏土发生聚集；加入BPJ后粒径增幅减小。饱和盐水浆老化前D₅₀为60.9 μm，老化后降至33.6 μm，表明黏土发生过度分散；BPJ-SWBDFs的D₅₀保持相对稳定，说明BPJ能抑制聚集和过度分散，维持有利于形成致密泥饼的粒径分布。

2.6 泥饼分析
SEM观察显示，BPJ-FWBDFs形成厚度0.86 mm的致密泥饼，无可见孔洞或裂缝；饱和盐水条件下泥饼表面均匀致密，220 °C老化后厚度增至1.89 mm，但仍无明显孔缝和连续渗流通道，有利于降低滤失量。

2.7 EDS分析
EDS元素分析显示，淡水浆泥饼以O、Si、Al为主，加入BPJ后C、N、O、S信号显著增强；饱和盐水浆老化后Na和Cl富集，Si、Al、Mg信号较弱，加入BPJ后C、N、O、S含量再次升高，证明BPJ在高温高盐条件下仍能吸附于黏土表面。

讨论部分指出，BPJ通过吸附增加黏土表面电荷密度和静电排斥，抑制颗粒严重聚集和有害分散，维持有利于紧密堆积的粒径分布，从而促进致密低渗滤饼形成；其磺酸基团增强静电排斥，季铵和酰胺基团提供有效吸附位点，二者共同维持膨润土胶体稳定性。研究结论可译为：研究人员研制了支化聚合物降滤失剂BPJ，以克服常规添加剂耐温耐盐性差和过度增粘的问题。FTIR验证了预期官能团，TGA表明BPJ在氮气气氛下具有抗热分解能力。确定最优加量为2.5 wt%。BPJ在220 °C和饱和NaCl、10 wt% KCl、5 wt% CaCl₂条件下保持有效；在220 °C和36 wt% NaCl条件下，BPJ在所评价商业添加剂中增粘最低、滤失控制最好。界面表征表明BPJ在膨润土表面保持明显吸附，有助于维持表面水化和颗粒间静电排斥，限制严重聚集和过度分散，维持有利于紧密堆积的粒径分布，促进致密低渗滤饼形成，从而在高温高盐条件下显著改善滤失控制。BPJ的多功能结构使其在滤失控制、抗盐性和流变稳定性方面具有潜在优势，合成路线基于常规聚合技术和商业单体，易于放大；但研究主要在实验室条件下进行，仍需现场试验评价其在复杂地质环境中的适应性，并评估生产成本、工业规模合成和环境影响。