一种梳状聚合物，用于改善受二氧化碳污染的水基钻井流体的流变性能和过滤性能

《Polymer》：A comb-shaped polymer for improving the rheological and filtration properties of CO2-contaminated water-based drilling fluids

　　

邓学飞|吕凯和|李健|孙金生|黄宁

中国石油大学（华东）石油工程学院，青岛266580，中国

摘要

非常规地层具有复杂的地质特征，通常含有石膏层和酸性气体（如H₂S和CO₂）。其中，CO₂污染尤为常见。然而，现有的耐温/盐处理剂无法有效解决这些问题。因此，本研究以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、二烯基二甲基铵氯化物和异戊基聚氧乙烯醚为原料制备了一种梳状聚合物（DN-1）。含有1 wt% DN-1的钻井液在200°C下对5290 mg/L的CO₃^2-/HCO₃^-具有稳定性，并且经过五次温度污染循环后仍保持效果。具体而言，DN-1可将CO₂污染后的钻井液的AV、YP和FL_API从27 mPa·s、15 Pa和41 mL分别降低到15 mPa·s、8 Pa和20 mL。同时，它还能将Zeta电位（绝对值）从13.8 mV提高到45 mV，并将颗粒大小从16.2 μm减小到8.21 μm。此外，在经过5次温度污染循环后，含有1 wt% DN-1的基础浆液的各项性质变化率均小于20%。此外，DN-1在降低粘度方面优于现有的商业产品，在CO₂污染的聚合物钻井液系统中达到了33.3%的降低率。机理研究表明，DN-1的梳状结构在钻井液内部径向延伸。当相邻颗粒的侧链接触时，产生的空间排斥作用分散了CO₂污染后形成的聚集粘土颗粒，破坏了由酸化引起的高粘度结构，显著改善了流体的流变性和过滤性能。因此，DN-1在CO₂污染环境及高温条件下具有巨大的应用潜力。

引言

钻井液具有稳定井筒、悬浮岩屑和提高机械钻速等功能，这些功能决定了钻井的成功与否[1],[2]。虽然基于油的钻井液在高温、高盐度、高钙含量和污染等复杂环境中表现良好，但其广泛应用受到成本高昂和环境污染严重的限制[3],[4]。相比之下，基于水的钻井液既经济又环保[5],[6],[7]。

随着常规油气资源的逐年枯竭，非常规油田已成为油田开发的重点[8],[9]。然而，非常规地层的地质条件十分复杂，经常面临石膏和酸性气体（如H₂S、CO₂等）的威胁，这些因素严重影响了钻井液的性能[10],[11],[12]。其中，CO₂污染是最常见的污染类型之一[13],[14]。当CO₂侵入钻井液时，首先会影响流体密度，可能导致井涌或爆炸[15],[16],[17]；其次，CO₂还会增加流体粘度[18],[19],[20]。因此，开发高性能的稀释剂对于减少钻井液中的CO₂污染至关重要。

目前，学者们对钻井液稀释剂进行了大量研究。研究表明，这些稀释剂具有优异的降粘性能，并能抵抗温度和盐分的影响[21],[22],[23]。例如，林等人[24]使用β-CD、DMAA、SSS和DMDAAC为原料合成了低粘度网络聚合物（DSD-β-CD）。含有3.5 wt%稀释剂的钻井液在240°C下老化16小时后的塑性粘度为5.4 mPa·s。刘等人[25]合成了纳米稀释剂（NRV），1 wt%的NRV可将钻井液粘度降低99.71%。然而，在CO₂污染条件下（酸性环境），纳米SiO₂会出现轻微团聚现象，失去了其纳米级特有表面面积的优势。庞等人[26]研究了一种能抵抗饱和盐（36 wt% NaCl溶液）的基于水的钻井液稀释剂。然而，CO₂污染抑制了酚羟基和AM/AMPS共聚物中酰胺基的解离，减弱了对粘土颗粒的静电吸附作用，甚至导致了部分脱附。此外，针对CO₂污染的钻井液处理方法也相对多样，许多学者提出了各种方法来解决CO₃^2-/HCO₃^-污染问题。例如，孙等人[27]发现加盐可以降低CO₂的溶解度，从而减少CO₂污染。白等人[28]开发了一种低损伤、抗CO₂污染的钻井液，该钻井液能承受150°C的高温，并具有良好的降低界面张力的能力。总之，尽管关于CO₂污染机制的研究较为广泛，但在抗CO₂污染聚合物方面的研究仍存在相当大的不足。

本研究以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、二烯基二甲基铵氯化物和异戊基聚氧乙烯醚为原料合成了梳状聚合物（DN-1）。该共聚物的核心设计在于优化功能基团（刚性基团、吸附基团、水合基团），并将其梳状结构整合到单个分子中。通过巧妙的分子结构设计，DN-1聚合物在高浓度CO₃^2-/HCO₃^-和高温环境下表现出优异的降粘和降滤效果。

章节摘录

材料

山东荣佳石化有限公司提供了膨润土。碳酸钠（Na₂CO₃）、硫酸钡（BaSO₄）和氢氧化钠（NaOH）从济南龙源实验仪器有限公司购买。丙烯酰胺（AM）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、二烯基二甲基铵氯化物（DMDAAC）和偶氮异丁腈（AIBA）从山东朗特化学有限公司购买。异戊基聚氧乙烯醚（TPEG）和溴化钾（KBr）的来源为……

DN-1的特性

DN-1的¹H NMR谱图如图4a所示。1.17 ppm处的峰属于TPEG的末端烷基氢（-CH₃）或DMDAAC和AMPS的甲基氢。TPEG中聚氧乙烯链的重复单元氢（-CH₂-CH₂-O-）的振动峰位于1.42 ppm处。2.28 ppm处的峰对应于AM和AMPS酰胺基附近的氢[32]。d峰（2.95 ppm）是DMDAAC中季铵盐附近氢的振动峰。

结论

本研究使用AM、AMPS、DMDAAC和TPEG-2400为原料制备了一种用于CO₂污染水基钻井液的梳状聚合物（DN-1）。该聚合物有效解决了CO₂污染后钻井液粘度和滤失率增加的问题。研究结果如下：

• (1)
  FTIR和NMR光谱证实了DN-1的成功合成。热重分析表明，DN-1在高温下表现出优异的热稳定性

CRediT作者贡献声明

吕凯和：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金申请。李健：监督、正式分析。邓学飞：撰写 – 原稿撰写、可视化、软件应用、方法设计、实验研究、概念构思。孙金生：监督。黄宁：验证、实验研究

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织没有财务和个人关系，对任何产品、服务或公司也没有任何形式的职业或其他个人利益，这些利益可能影响本文的观点或手稿的审查。

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52204023、52474022、52288101）的资助。