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水性丙烯酸樹脂在油包水鉆井液中的作用

文檔作者：黃賢斌1，2 蔣官澄1，2 鄧正強(qiáng)1，2 文檔來(lái)源： 1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月27日
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第34 卷 第2 期
2017 年3 月
Vol. 34 No. 2
Mar. 2017
鉆 井 液 與 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi ： 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.005
水性丙烯酸樹脂在油包水鉆井液中的作用
黃賢斌1，2，　蔣官澄1，2，　鄧正強(qiáng)1，2
（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249 ；
2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102249）
黃賢斌，蔣官澄，鄧正強(qiáng). 水性丙烯酸樹脂在油包水鉆井液中的作用[J]. 鉆井液與完井液，2017，34（2）：26-32.
HUANG Xianbin, JIANG Guancheng, DENG Zhengqiang.Application of aqueous acrylic resin in invert emulsion drilling
fluids[J].Drilling Fluid &amp;amp; Completion Fluid，2017，34（2）：26-32.
摘要　現(xiàn)階段廣泛使用的油基鉆井液降濾失劑瀝青類和腐植酸類產(chǎn)品存在增黏嚴(yán)重、加量大、降濾失效果有限或抗
溫性能不理想等缺點(diǎn)。利用乳液聚合的方法，以苯乙烯、丙烯酸丁酯和丙烯酸作為單體，合成了一種水性丙烯酸樹脂材料
WAR，并使用紅外光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。熱重分析表明單劑抗溫可達(dá)237 ℃（失重2%）以上。分別在常規(guī)油基鉆井液
和無(wú)土相油基鉆井液體系中，從乳液穩(wěn)定性、流變性、降濾失性、封堵性和抗溫性5 個(gè)方面來(lái)綜合評(píng)價(jià)WAR。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
水性丙烯酸樹脂對(duì)穩(wěn)定乳液有非常積極的作用，放置24 h 后基漿乳化率依然可達(dá)100%；WAR 對(duì)油基鉆井液流變性影響較小，
具有突出的降濾失、封堵和抗溫性能：180 ℃高溫高壓濾失量可以降至5 mL 之內(nèi)，且濾餅致密；180 ℃老化16 h 后正向封
堵率可達(dá)75% 以上，反向封堵率可達(dá)70% 以上；與氧化瀝青進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，水性丙烯酸樹脂綜合性能優(yōu)于氧化瀝青。
此外，文中分析了水性丙烯酸樹脂在油包水鉆井液中的作用機(jī)理。
關(guān)鍵詞　降濾失劑；油基鉆井液；水性丙烯酸樹脂；乳液穩(wěn)定
中圖分類號(hào)：TE254.4　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　　　文章編號(hào)：1001-5620（2017）02-0026-07
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“復(fù)雜油氣井鉆井與完井基礎(chǔ)研究”（51221003）；國(guó)家“863”項(xiàng)目“海
上大位移井水平井鉆井液關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012AA091502）；國(guó)家“863”項(xiàng)目“致密氣藏高效鉆井技術(shù)研究”（2013AA064803）；
國(guó)家自然科學(xué)石油化工聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目“頁(yè)巖氣鉆探中的井壁穩(wěn)定及高效鉆完井基礎(chǔ)研究”（U1262201）。
第一作者簡(jiǎn)介：黃賢斌，1988 年生，在讀博士研究生，國(guó)家公派加拿大阿爾伯塔大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)在讀博士，主要從事
油基鉆井液及油基鉆井液處理劑研發(fā)等研究。E-mail ：634640236@qq.com。
Application of Aqueous Acrylic Resin in Invert Emulsion Drilling Fluids
HUANG Xianbin1, 2, JIANG Guancheng1, 2, DENG Zhengqiang1, 2
(1. MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249;
2. State Key Laboratory of Oil and Gas Resource and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249)
Abstract Asphaltene and humic acid products widely used in oil base muds (OBMs) have deficiencies such as seriously viscosifying
the OBMs, high concentration requirement, limited filtration control performance and poor high temperature stability. An aqueous
acrylic resin, WAR, was developed for use in OBMs to solve these deficiencies. WAR was synthesized with monomers such as styrene,
butyl acrylate, and acrylic acid through emulsion polymerization, and was characterized with IR spectrometry. WAR remained stable
at 237 ℃ (weight loss by 2%), as proved by thermogravimetric analysis. WAR was evaluated in laboratory for its emulsion stability,
rheology, filtration control performance, plugging capacity and high temperature stability both in conventional OBMs and clay-free
OBMs. It was shown that WAR performed positively in stabilizing the properties of emulsions. Emulsions treated with WAR remained
their whole emulsibility after 24 h of standing. WAR had very slight effect on the rheology of OBMs, and appreciable filtration control
ability, plugging capacity and high temperature stability. HTHP filter loss tested at 180 ℃ was less than 5 mL, with the mud cake being
dense. After aging at 180 ° C for 16 h, the percentage of forward plugging was more than 75%, and that of backward plugging was moer
than 70%. Compared with oxidized asphalt, the aqueous acrylic resin had better overall performance as an OBM additive. The working
mechanism of the aqueous acrylic resin in invert emulsion drilling fluids is also analyzed in this paper.
Key words Aqueous acrylic resin; Acrylic resin; Additive for oil base mud; Emulsion stabilization; Filter loss reducer
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
黃賢斌第 34 卷 第 2 期 等：水性丙烯酸樹脂在油包水鉆井液中的作用 27
0　引言
鉆井工程的發(fā)展對(duì)鉆井液的性能提出了更高的
要求，而鉆井液性能的提升取決于鉆井液添加劑的
研發(fā)。目前國(guó)內(nèi)外的油基鉆井液降濾失劑或封堵劑
廣泛使用腐植酸類[1-2]（褐煤類）和氧化瀝青類[3-5]
產(chǎn)品。腐植酸是一種天然大分子化合物，通常呈親
水性，需要對(duì)其進(jìn)行改性方才可作為油基鉆井液的
添加劑。由于腐植酸的原料來(lái)源廣、價(jià)格低廉，腐
植酸類處理劑應(yīng)用較為廣泛。馮萍等人[6] 使用長(zhǎng)
鏈脂肪酸與腐植酸在白油中進(jìn)行反應(yīng)，制備了油基
鉆井液降濾失劑SDFL，其具有較好的降濾失效果。
高海洋[7] 等人使用胺化合物對(duì)腐植酸進(jìn)行親油改
性，之后再對(duì)該產(chǎn)物進(jìn)行高溫裂解加工，制備了油
基鉆井液降濾失劑XNTROL200，該降濾失劑能夠
抗220 ℃高溫，加量為3%～5%。但是腐植酸類
產(chǎn)品在高溫、高密度油基鉆井液體系中的加量較大，
降濾失效果有限，且不適用于對(duì)處理劑性能要求苛
刻的無(wú)土相油基鉆井液；而氧化瀝青是一種親油膠
體，會(huì)增大鉆井液的黏度，對(duì)機(jī)械鉆速產(chǎn)生不利的
影響[8]。
丙烯酸樹脂是一種非晶體結(jié)構(gòu)的大分子，由
丙烯酸酯類、甲基丙烯酸酯類及其它烯屬單體共
聚而成，目前該材料主要用作涂料、水墨油墨等行
業(yè)。哈里伯頓旗下白勞德公司的ADAPTA[9-10] 是
一種丙烯酸樹脂材料，該材料具有非常好的降濾失
效果和抗溫能力，通常在無(wú)土相油基鉆井液體系
中取代瀝青類材料作為降濾失劑和封堵劑，也可以
用在有土相油基鉆井液中。水性丙烯酸樹脂是通
過(guò)在丙烯酸樹脂側(cè)鏈上引入羧基等親水性的基團(tuán)而
形成的。理論上，親水性的增強(qiáng)會(huì)給水性丙烯酸
樹脂帶來(lái)與常規(guī)丙烯酸樹脂不同的性質(zhì)：不僅可以
充當(dāng)降濾失劑和封堵劑，還可以發(fā)揮固體乳化劑的
作用，有利于穩(wěn)定乳液。但是在鉆井液方面，國(guó)內(nèi)
外對(duì)水性丙烯酸樹脂的研究還很少，水性丙烯酸樹
脂對(duì)油基鉆井液性能的綜合影響還有待做進(jìn)一步的
研究。
筆者合成了一種水性丙烯酸樹脂，通過(guò)紅外光
譜分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后分別在有土相和無(wú)土相油
包水鉆井液中對(duì)其性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，最后利用
該材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)解釋其在油基鉆井液中發(fā)揮作
用的原因。
1　實(shí)驗(yàn)部分
1.1　實(shí)驗(yàn)藥品與儀器
1）實(shí)驗(yàn)藥品。十二烷基聯(lián)苯醚二磺酸鈉2A1，
壬基酚聚氧乙烯醚NP-10，美國(guó)DOW 公司；苯乙
烯，丙烯酸丁酯，丙烯酸，無(wú)水硫酸鈉，過(guò)硫酸
鉀，乙醇，氨水，氧化鈣，氯化鈣，分析純，均為
市售產(chǎn)品；有機(jī)土GELTONE，乳化劑EZ-MUL 和
Factant，氧化瀝青Barablok，提切劑（流型調(diào)節(jié)劑）
RHEOMOD，哈里伯頓白勞德公司；重晶石（密度
為4.2 g/cm3），四川正蓉公司；5# 白油，煤油，北
京金潤(rùn)石油化工公司。
2）實(shí)驗(yàn)儀器。粉末真密度分析儀，TD-2200，
北京彼奧德公司；接觸角測(cè)量?jī)x，JC2000D，上海
中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司；傅立葉變換紅外光譜
儀，Nicolet6700， 美國(guó)Thermo Fisher Scientific 公
司；破乳電壓測(cè)試儀，F(xiàn)ann23D，美國(guó)FANN 公司；
ZNN-D6B 型電動(dòng)六速黏度計(jì)，SD4 型常溫常壓濾
失儀，71-A 型高溫高壓失水儀，GW300 型滾子加
熱爐，青島同春石油儀器有限公司；JHMD-II 型高
溫高壓巖心動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)，荊州現(xiàn)代石油科技
公司；電子天平，感量0.001 g。
1.2　實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1　水性丙烯酸樹脂的合成及表征
1）合成方法。使用5%NaOH 溶液分別對(duì)單體
苯乙烯、丙烯酸丁酯進(jìn)行洗滌，直至無(wú)色，目的是
去除阻聚劑。然后用蒸餾水洗滌至中性，使用分液
漏斗進(jìn)行油水分離。清洗過(guò)的單體分別通過(guò)帶無(wú)水
硫酸鈉的砂芯漏斗去除水分。精確稱量280 g 苯乙
烯、100 g 丙烯酸丁酯、20 g 丙烯酸、2.5 g 乳化劑
2A1， 3.0 g 乳化劑NP-10，加入到盛有100 mL 蒸
餾水的燒杯中，使用剪切乳化機(jī)配制成預(yù)乳液。在
帶有回流冷凝管、攪拌機(jī)的四口反應(yīng)瓶中加入300
mL 蒸餾水，0.2 g 過(guò)硫酸鉀，待過(guò)硫酸鉀溶解后加
入三分之一質(zhì)量的預(yù)乳液，300 r/min 條件下攪拌，
升溫至（65±3） ℃。將剩余三分之二的預(yù)乳液和
90 g 1.0% 過(guò)硫酸鉀溶液混合均勻，逐滴滴加至燒
瓶中，2～3 h 滴完后，繼續(xù)攪拌，保溫2 h。滴加
氨水中和至pH 值為8。使用孔徑為0.125 mm 的篩
網(wǎng)過(guò)濾出膠粒，先后用乙醇和蒸餾水洗滌，烘干，
粉碎，過(guò)0.154 mm 的篩，漏出部分為水性丙烯酸
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
28 鉆　井　液　與　完　井　液 2017 年 3 月
樹脂（Waterborne acrylic resin， WAR）粉末，可以
作為油基鉆井液添加劑使用。
2）理化性能測(cè)試。使用粉末真密度分析儀測(cè)
試樣品的真密度；將10 g 樣品粉末在10 MPa 條件
下壓制10 min，加工成薄片，使用400 目（0.038
5 mm）砂紙打磨光滑，然后使用接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)
定蒸餾水在該薄片表面的接觸角。
3）結(jié)構(gòu)表征。使用瑪瑙研缽把樣品進(jìn)行進(jìn)一
步研磨，使用傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)水性丙烯酸
樹脂粉末樣品進(jìn)行表征。
4）熱重分析。高純氬氣環(huán)境下，在室溫至
500 ℃范圍內(nèi)對(duì)固體粉末樣品進(jìn)行熱重分析實(shí)驗(yàn)，
升溫速率為15 ℃ /min。
1.2.2　白油基鉆井液基漿或體系的配制方法
①配制一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaCl2 溶液；②將一定
量的主、輔乳化劑和提切劑（如有）加入到白油中，
高速攪拌至完全溶解；③在高速攪拌杯中將①和②
溶液按一定體積比混合，以5 000 r/min 高速攪拌
10 min ；④加入一定質(zhì)量的有機(jī)土、氧化瀝青（如
需要）、水性丙烯酸樹脂（如需要）和氧化鈣，以
5 000 r/min 高速攪拌20 min ；⑤若為體系，則使用
重晶石加重至所需密度，在5 000 r/min 下高速攪
拌30 min。
1.2.3　乳液穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)
1）電穩(wěn)定性ES 測(cè)定。使用電穩(wěn)定性測(cè)試儀
對(duì)待測(cè)液進(jìn)行測(cè)定，記錄待測(cè)液的破乳電壓值。
2）乳化率實(shí)驗(yàn)。將待測(cè)液裝入具塞的100 mL
量筒至100 mL 刻度處，觀察一段時(shí)間后上層油的
體積V，計(jì)算乳化率η。
1.2.4　鉆井液流變性和濾失性實(shí)驗(yàn)
根據(jù)GB/T 16783.2—2012《石油天然氣工業(yè)
鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 第2 部分 油基鉆井液》，測(cè)定待測(cè)
液的性能。
1.2.5　封堵率實(shí)驗(yàn)
將滲透率為200×10-3 mD 左右的人造巖心首
先飽和蒸餾水處理，使用JHMD-II 型高溫高壓巖
心動(dòng)態(tài)損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)，利用煤油驅(qū)替蒸餾水，測(cè)定
巖心的初始滲透率K0 ；然后，利用待測(cè)液對(duì)巖心
的一個(gè)端面進(jìn)行動(dòng)態(tài)污染，時(shí)間為2.5 h，溫度為
60 ℃，壓力為3.5 MPa ；規(guī)定待測(cè)液接觸的巖心一
端流向另一端的方向?yàn)檎?，利用煤油?qū)替，測(cè)定
污染后巖心的正向滲透率K1。取另一支巖心，重
復(fù)污染實(shí)驗(yàn)，測(cè)定污染后的反向滲透率K2。測(cè)定
正向和反向封堵率。
1.2.6　抗溫實(shí)驗(yàn)（高溫老化處理）
在規(guī)定的溫度下，使用滾子老化爐對(duì)待測(cè)液進(jìn)
行老化處理16 h。將待測(cè)液轉(zhuǎn)入高攪杯，高速攪拌
待測(cè)液20 min，對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行所需要的上述實(shí)
驗(yàn)測(cè)試。
2　結(jié)果與討論
2.1　樣品理化性質(zhì)、紅外光譜表征及熱重分析
水性丙烯酸樹脂樣品外觀為白色粉末，密度為
1.028 g/cm3，不溶于水，不溶于白油，與蒸餾水的
接觸角為121°，在油中易分散。該樣品具有較低
的密度和良好的親油性，有利于在油中的懸浮和分
散。圖1 為合成的水性丙烯酸樹脂的紅外光譜圖。
圖1　合成的水性丙烯酸樹脂樣品的紅外光譜圖
由圖1 可以看出，3 429 cm-1 說(shuō)明有羥基的
存在， 來(lái)源于單體中丙烯酸的—COOH 基團(tuán)；
3 000～3 100 cm-1 峰來(lái)自烯烴的C—H 的伸縮振動(dòng)
和芳環(huán)上的C—H 伸縮振動(dòng)；2 928 cm-1 附近是甲
基和亞甲基的伸縮振動(dòng)峰；1 715 cm-1 附近是酯羰
基C ═ O 的伸縮振動(dòng)峰（受—OH 影響），為第一
強(qiáng)峰，1 234 cm-1 附近說(shuō)明有C—O—C 存在，可
證明有酯基；1 452 cm-1 來(lái)自烷烴的C—H 彎曲振
動(dòng)；700 cm-1 和761 cm-1 的雙峰，說(shuō)明苯環(huán)具有5
個(gè)H，是單取代苯，來(lái)自苯乙烯的芳環(huán)。可見(jiàn)，反
應(yīng)后形成的水性丙烯酸樹脂具有酯基和親水性的
—COOH。堿性條件下，酯基一定程度上水解，增
加材料本身的親水性。水性丙烯酸樹脂的熱重分析
曲線見(jiàn)圖2。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
黃賢斌第 34 卷 第 2 期 等：水性丙烯酸樹脂在油包水鉆井液中的作用 29
圖2　水性丙烯酸樹脂熱重分析曲線
由圖2 可以看出，溫度為197.1 ℃時(shí)，質(zhì)量
分?jǐn)?shù)為99.0% ；溫度為237.3 ℃時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為
98.0% ；溫度為337.2 ℃時(shí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%。由
此可以推斷得出，丙烯酸樹脂單劑具有優(yōu)異的抗溫
性能。
2.2　穩(wěn)定乳液作用
首先配制有土相白油基鉆井液基漿（1#）和無(wú)
土相白油基鉆井液基漿（2#），測(cè)定其破乳電壓和
24 h 乳化率；其次，配制過(guò)程中加入水性丙烯酸
樹脂材料，再次測(cè)定破乳電壓和24 h 乳化率；與
油基鉆井液添加劑氧化瀝青Barablok 做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，
并評(píng)價(jià)抗溫性能，結(jié)果見(jiàn)表1。
1#　油水比（5# 白油︰25%CaCl2）=8︰2+3%
EZ-MUL+0.5%Factant+1%有機(jī)土GELTONE+
3%CaO
2#　油水比（5# 白油︰25%CaCl2）=8︰2+3%EZMUL+
0.5%Factant+0.5%提切劑RHEOMOD+
3%CaO
表1　水性丙烯酸樹脂粉末WAR 對(duì)油基鉆井液
基漿乳化穩(wěn)定性能影響
配方
ES/
V
不同溫度老化16 h 后ES/V 24 h 乳
150 ℃ 180 ℃ 210 ℃ 化率 /%
1# 350 287 204 169 85.5
1#+1%Barablok 398 321 239 187 89.2
1#+1%WAR 563 478 401 339 100
2# 320 234 184 152 76.1
2#+1%Barablok 351 308 213 209 86.2
2#+1%WAR 551 423 334 260 100
由表1 可知，加入氧化瀝青或是水性丙烯酸樹
脂粉末均能提高油基鉆井液基漿的破乳電壓和乳化
率；相比于氧化瀝青，水性丙烯酸樹脂材料對(duì)破乳
電壓和乳化率的提升率要高出很多；隨著老化溫度
的升高，加入氧化瀝青和水性丙烯酸樹脂的基漿的
破乳電壓和乳化率均一定程度降低，但是加入水性
丙烯酸樹脂的基漿的乳化率和破乳電壓始終比氧化
瀝青高。這說(shuō)明，丙烯酸樹脂材料對(duì)于穩(wěn)定乳液有
非常積極的作用，并能抗一定高溫。
加入水性丙烯酸樹脂粉末的W/O 鉆井液是一
種Pickering 乳液[11]，乳液穩(wěn)定機(jī)理可從以下幾個(gè)
方面來(lái)解釋：①合成過(guò)程所需的單體是油溶性的，
合成后的產(chǎn)品水性丙烯酸樹脂具有良好的親油性，
由于親油性大于親水性，大部分樹脂顆粒處于油相
中（見(jiàn)圖3），導(dǎo)致油水界面彎曲（見(jiàn)圖4），有利
于形成W/O 型乳液；②粒子在界面上排列[12]，空
間上阻隔了分散相（水相）的碰撞聚并（見(jiàn)圖4），
可增強(qiáng)乳液穩(wěn)定性；③與瀝青類親油材料不同，由
于單體丙烯酸具有—COOH 親水結(jié)構(gòu)，水性丙烯
酸樹脂的親水性比瀝青類好，這樣部分親油部分親
水，樹脂顆粒和油水兩端都存在較強(qiáng)的作用力，使
乳化膜強(qiáng)度更高[13]。
圖3　水性丙烯酸樹脂/ 油/ 水三相接觸角
圖4　水性丙烯酸樹脂在油水界面分布模型
2.3　對(duì)鉆井液基本性能影響
在1# 和2# 配方基礎(chǔ)上，分別配制有土相和無(wú)
土相白油基鉆井液體系（配方3# 和配方4#），測(cè)定
加入瀝青類和水性聚丙烯酸樹脂后鉆井液的基本性
能，180 ℃老化16 h 后再次測(cè)定，測(cè)試在50 ℃下
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
30 鉆　井　液　與　完　井　液 2017 年 3 月
進(jìn)行，結(jié)果見(jiàn)表2 和表3。
3#　1#+重晶石（ρ=2.1 g/cm3）
4#　2#+ 重晶石（ρ=2.1 g/cm3）
表2　氧化瀝青和水性丙烯酸樹脂對(duì)
有土相油基鉆井液的性能影響
配方
實(shí)驗(yàn)
條件
PV/
mPa·s
YP/
Pa
YP/PV/
Pa/mPa·s
Gel/
Pa/Pa
FL/
mL
FLHTHP/
mL
ES/
V
空白
老化前54 11 0.204 4.5/7.5 8.2 1 120
老化后61 11 0.180 4.0/6.5 14.6 734
1%
Barablok
老化前59 13 0.220 5.0/7.5 2.4 1 158
老化后69 14 0.203 6.0/8.5 8.4 761
2%
Barablok
老化前64 15 0.234 5.5/7.5 2.2 1 201
老化后72 18 0.250 6.5/9.0 7.6 812
1%WAR
老化前55 12 0.218 5.0/7.5 1.0 2 047
老化后62 13 0.210 5.5/8.0 2.8 1 541
2%WAR
老化前61 15 0.246 5.0/7.5 0.4 2 047
老化后63 15 0.238 5.5/8.0 2.0 1 578
注：FLHTHP 的測(cè)定溫度為180 ℃。
表3　水性丙烯酸樹脂對(duì)無(wú)土相油基鉆井液的性能影響
WAR/
%
實(shí)驗(yàn)
條件
PV/
mPa·s
YP/
Pa
YP/PV/
Pa/mPa·s
Gel/
Pa/Pa
FL/
mL
FLHTHP/
mL
ES/
V
0
前50 12 0.240 5.5/9.0 10.8 842
后52 13 0.250 5.0/8.5 24.4 683
1
前53 13 0.245 5.5/9.0 0.8 1 812
后55 14 0.255 6.0/10.5 4.4 1 248
2
前54 13 0.241 5.5/9.0 0.4 1 820
后54 15 0.278 6.0/10.5 3.8 1 351
注：FLHTHP 的測(cè)定溫度為180 ℃。
據(jù)表2 和表3 可見(jiàn)，對(duì)于2 種體系，加入氧化
瀝青或水性丙烯酸樹脂之后，油基鉆井液體系的表
觀黏度和塑性黏度均有一定程度的增大，但是后者
的增幅很小，前者的增幅較大；對(duì)于降低API 濾
失量，2 者均有較好的作用，但是經(jīng)180 ℃高溫老
化之后，氧化瀝青的作用明顯不足，高溫高壓濾失
量較大，而水性丙烯酸樹脂的高溫降濾失效果好；
加入水性丙烯酸樹脂后體系破乳電壓值明顯增大，
對(duì)于無(wú)土相體系（4#），由于沒(méi)有有機(jī)土等親油膠
體的存在，乳液穩(wěn)定性能不如有土相體系（3#），
但是加入水性丙烯酸樹脂后，乳液穩(wěn)定性增大，表
現(xiàn)為ES 值明顯增大。相比水性丙烯酸樹脂，氧化
瀝青雖可以提升破乳電壓，但是效果不明顯，這與
2.2 中結(jié)論一致。
加入水性丙烯酸樹脂之后，體系的黏度略微
增大，原因可能是水性丙烯酸樹脂支鏈結(jié)構(gòu)上的
酯基在堿性環(huán)境下部分水解，加之具有親水性的
—COOH 基團(tuán)，2 者均造成分子部分溶于內(nèi)相，增
大內(nèi)相黏度，從而導(dǎo)致體系黏度增大。水性丙烯酸
樹脂種類繁多，對(duì)于某種水性丙烯酸樹脂而言，由
于單體種類和比例的不同，性能差異也會(huì)較大。文
中合成的水性丙烯酸樹脂材料，可形成支鏈結(jié)構(gòu)的
丙烯酸丁酯單體比例適中，雖然具有一定的堿溶性，
但是由于鉆井液堿性相對(duì)較低，不具備有效水解水
性丙烯酸樹脂的能力；而且鉆井液內(nèi)相鹽度較高
（CaCl2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%），抑制水解反應(yīng)和水性丙
烯酸樹脂的溶解；丙烯酸單體比例小，親水性的基
團(tuán)—COOH有限。故該材料對(duì)鉆井液黏度影響較小。
對(duì)于水性丙烯酸樹脂來(lái)講，其降低濾失的作
用主要?dú)w因于，加入丙烯酸樹脂后，鉆井液濾餅質(zhì)
量有很大的提高（見(jiàn)圖5 和圖6）。老化前后，加
入水性丙烯酸樹脂的體系（3#+1%WAR）濾餅很薄
且致密（圖5b 和圖6b），而加入氧化瀝青的體系
（3#+1% Barablok）濾餅不僅厚，而且松軟（圖5a、
圖6a）。
a）氧化瀝青 b）水性丙烯酸樹脂
圖5　有土相油基鉆井液API 濾餅
a）氧化瀝青 b）水性丙烯酸樹脂
圖6　有土相油基鉆井液HTHP 濾餅
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
黃賢斌第 34 卷 第 2 期 等：水性丙烯酸樹脂在油包水鉆井液中的作用 31
由圖5、圖6 可以看出，水性丙烯酸樹脂能夠
提高濾餅的質(zhì)量，從而減少濾失量。究其原因，很
可能是由于水性丙烯酸樹脂聚合物的黏附作用和成
膜作用[14-15]。水性丙烯酸樹脂細(xì)顆粒初始是分布在
乳液體系中，在壓差作用下，濾紙附近的顆粒由于
瞬時(shí)濾失而迅速靠近，受擠壓被迫變形，然后顆粒
之間相互聚并，最后聚合物分子鏈擴(kuò)散纏繞形成膜。
此外，樹脂顆粒的存在使濾餅中其他顆粒之間（比
如重晶石）的作用力增大，從而增強(qiáng)濾餅的致密性。
2.4　封堵性能和抗溫性能分析
為了排除重晶石對(duì)巖心的封堵作用，采用不加
重的基漿來(lái)進(jìn)行封堵實(shí)驗(yàn)。分別測(cè)定老化前后，油
基鉆井液基漿（有土相和無(wú)土相2 種基漿）和加入
水性丙烯酸樹脂后的基漿的封堵性能，并與氧化瀝
青做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。老化條件為180 ℃、16 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)
果如圖7。
注：同一顏色的左右2 個(gè)柱形分別代表老化前和老化
后（180 ℃、16 h）
圖7　老化前后Barablok 和WAR 對(duì)2 種基漿封堵率的影響
由圖7 可見(jiàn)，3# 配方和4# 配方基漿的封堵效
果均較差，加入瀝青類材料Barablok 后，封堵率
有明顯的上升，但是高溫老化后，封堵率降低較明
顯；但加入水性丙烯酸樹脂后，封堵率的上升比瀝
青類更明顯，高溫老化之后，封堵率下降程度比瀝
青類要小。對(duì)于老化前后，水性丙烯酸樹脂封堵之
后巖心的反向封堵率與正向封堵率較接近。反向封
堵率大意味著顆粒在巖心孔隙中更加穩(wěn)定，不易被
液流沖走。因此，水性丙烯酸樹脂材料不僅封堵率
高、抗溫性好，封堵強(qiáng)度也大。
瀝青材料由于具有極性的官能團(tuán)，在巖石表面
具有很強(qiáng)的吸附作用，但是瀝青類內(nèi)聚力低，表現(xiàn)
為抗壓縮拉伸強(qiáng)度低，且耐溶劑性差，在礦物油中
容易失去強(qiáng)度，導(dǎo)致封堵效果較差。而水性丙烯酸
樹脂在巖石孔隙中不僅具有良好的附著力，而且具
有韌性的結(jié)構(gòu)，不易失去強(qiáng)度。所以水性丙烯酸樹
脂類材料是一種性能好的油基鉆井液封堵劑。
由以上實(shí)驗(yàn)均可見(jiàn)，水性丙烯酸樹脂具有十分
優(yōu)異的抗溫性能，歸其原因，在于本論文中合成的
水性丙烯酸樹脂材料是由具有不飽和雙鍵的單體共
聚而成，主鏈結(jié)構(gòu)為碳碳單鍵，不含雙鍵，且不具
有易氧化和水解基團(tuán)，十分穩(wěn)定[16-17]。
3　結(jié)論
1. 利用乳液聚合的方法，以苯乙烯、丙烯酸
丁酯和丙烯酸作為單體，合成了水性丙烯酸樹脂
WAR。紅外光譜表征實(shí)驗(yàn)表明，WAR 具有—COOH
和酯基基團(tuán)，這均會(huì)提升WAR 的親水性。
2. 乳液穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)表明，WAR 可以提高油基鉆
井液基漿的破乳電壓和乳化率，對(duì)穩(wěn)定乳液有十分
積極的作用；WAR 會(huì)略微增大油基鉆井液的黏度，
對(duì)鉆井液流變性的影響很小； WAR 具有優(yōu)良的封
堵性能，可以很大程度地降低油基鉆井液的常溫中
壓和高溫高壓濾失量。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，WAR 在穩(wěn)
定乳液、降濾失、封堵和抗溫性能方面均優(yōu)于氧化
瀝青。
3. WAR 通過(guò)改善濾餅質(zhì)量來(lái)降低濾失量。
WAR 具有好的抗溫能力，原因在于主鏈結(jié)構(gòu)為碳
碳單鍵，不含雙鍵，不含易氧化或易水解基團(tuán)。
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（收稿日期2016-12-11；HGF=1702N2；編輯　王小娜）

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