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user: 3. 结果与讨论 3.1. 红外光谱分析 利用Nicolet6700型傅里叶红外光谱仪对单体配比为65:25:5:5的聚合物进行结构表征，采用KBr压片法，扫描范围为4000~400 cm −1 ，分辨率为2 cm −1 ，扫描次数16次。由图2聚合物的红外光谱可知：3415.37 cm −1 处的特征吸收峰为AM中—NH 2 的N—H键的伸缩振动；3207.09 cm −1 处的吸收峰为O—H键的伸缩振动；2921.67，2821.32 cm −1 处的吸收峰为—CH 3 中C—H键的伸缩振动；1688.15 cm −1 处的吸收峰为C═O键的伸缩振动；15848.58 cm −1 处的吸收峰为—NH 2 中的N—H键的弯曲振动；1452.49 cm −1 处的吸收峰为C—H键的弯曲振动；1357.66 cm −1 处的吸收峰归属于DAC中的C—N键的伸缩振动；1299.81、1250.31 cm −1 处的吸收峰是APEG-500中的C—O—C键的伸缩振动；748.33 cm −1 处的吸收峰为DAC中C—Cl键的伸缩振动；此外，1037.53 cm −1 和1108.89 cm −1 处的吸收峰为AMPS中的 SO 3 2 − 的特征吸收峰；且在1645 cm −1 至1620 cm −1 没有—C═C—键的伸缩振动吸收峰，表明图1设计的4种单体都参加了聚合反应，合成的产物与目标产物一致。 图2. 目标聚合物的红外光谱 3.2. 聚合物单体配比对淡水基浆流变性能的影响 单体质量比直接决定着聚合物的分子链结构，从而影响聚合物的流变性能。利用溶液聚合法制备四元共聚物，考察了不同单体配比聚合物在淡水基浆中的流变性能(聚合物添加的质量分数为1.0%)，实验结果见表1。淡水基浆中未加入聚合物降滤失剂时，表观黏度、塑性黏度分别为6 mPa∙s、4 mPa∙s，动切力仅为1.92 Pa，API滤失量高达29.6 mL。而在淡水基浆中加入不同配比的聚合物后，其流变性能和降滤失性能均有明显提高，说明该聚合物在淡水基浆中不仅具有良好的降滤失性能，而且具有良好的增黏提切能力。当单体质量比为m(AM): m(AMPS): m(APEG-500): m(DAC) = 65:25:5:5时，钻井液的表观黏度、塑性黏度分别为31、18 mPa∙s，API滤失量为7.8 mL，与其他单体配比相比具有更优的降滤失性能，同时流变性能优良。因此，选择单体的最佳质量比为m(AM): m(AMPS): m(APEG-500): m(DAC) = 65:25:5:5时，合成的聚合物分子链中具有较多的功能基团，功能基团之间可以充分发挥其协同作用 [ 12 ] ，从而具有良好的流变性能和降滤失性能。 Table 1 The effect of polymer monomer mass ratios on the rheological properties of freshwater drilling flui m(AM): m(AMPS): m(APEG-500): m(DAC) 表观黏度/(mPa∙s) 塑性黏度/(mPa∙s) 动塑比/Pa 滤失量/mL 空白 6 4 1.92 29.6 70:20:5:5 36 21 10.53 10.6 65:25:5:5 31 18 12.50 7.8 60:25:5:10 32 16 12.45 12.6 60:25:10:5 34 20 15.32 9.8 60:30:5:5 30 20 11.49 8.7 表1. 聚合物单体配比对淡水基浆流变性能的影响 3.3. 聚合物质量分数对淡水基浆流变性能的影响 表2是聚合物质量分数对淡水基浆流变性能和降滤失性能的影响。由表2可知，随着聚合物加量的增加，淡水基浆的表观黏度、塑性黏度和动切力均有明显提高，API滤失量呈现不断减小的趋势；当聚合物质量分数为1.0%时，与未加聚合物的淡水基浆相比，表观黏度和塑性黏度分别由6 mPa∙s和4 mPa∙s增加到31 mPa∙s和18 mPa∙s，钻井液的API滤失量由29.6 mL降低至7.8 mL，动切力由1.92 Pa增加到12.45 Pa，表明聚合物具有良好的降滤失性能和增黏提切性能。当聚合物的质量分数增加到1.2%时，降滤失效果没有显著提高，但钻井液黏度和动切力均大幅度增加，致使其流变性能变差，所以当聚合物质量分数为1.0%时为宜。这主要是因为随着聚合物质量分数的增加，高分子链段之间缠绕越紧密，增大了高分子链的有效体积，从而使钻井液的黏度进一步增加，减少了钻井液的滤失量 [ 13 ]。此外聚合物大分子长链吸附于黏土颗粒表面形成的网状结构导致滤饼致密而韧，也能有效地控制钻井液API滤失量。 Table 2 The effect of polymer mass fraction on the rheological properties of freshwater drilling fluid 聚合物质量分数/% N Φ600 N Φ300 表观黏度/(mPa∙s) 塑性黏度/(mPa∙s) 动切力/Pa API滤失量/mL 0.0 12 8 6.0 4 1.92 29.6 0.5 30 21 15.0 9 5.75 9.6 0.7 47 32 23.5 15 8.14 8.9 1.0 62 44 31.0 18 12.45 7.8 1.2 103 72 51.5 31 19.63 7.5 表2. 聚合物质量分数对淡水基浆的流变性能影响 注：N Ф600 、N Ф300 分别为六速旋转黏度计600、300 r/min对应的读值。 3.4. 聚合物质量分数对饱和盐水基浆流变性能的影响 表3是聚合物质量分数对饱和盐水基浆流变性能和降滤失性能的影响。可以看出，当饱和盐水基浆中没有加入聚合物时，表观黏度、塑性黏度和动切力均非常低，API滤失量为118.6 mL，这主要是因为饱和盐水基浆中黏土颗粒相互聚结变大，表面积减小，黏土颗粒的分散受到抑制。随着聚合物质量分数的增加，钻井液的表观黏度、塑性黏度和动切力均明显提高，API滤失量明显降低；当质量分数为2.0%时，表观黏度为24.5 mPa∙s，塑性黏度为15 mPa∙s，动切力为9.12 Pa，API滤失量为9.6 mL。从数据可知，聚合物在饱和盐水基浆中具有良好的降滤失性能、流变性能和抗盐性能。在饱和盐水基浆中，两性聚合物侧链上的阴离子基团活性受电解质的压缩双电层影响较小 [ 14 ] [ 15 ]；另一方面，聚合物侧链中的非离子基团亲水性强且氢键作用使聚合物分子内和分子间缔合，能在黏土颗粒表面充分地水化而形成较厚的溶剂化层，减缓了聚合物的盐析效应，具有良好的溶解性，因此具有优异的抗盐性能 [ 16 ]。 Table 3 The effect of polymer mass fraction on the rheological properties of saturated brine drilling fluid 聚合物质量分数/% N Φ600 N Φ300 表观黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 动切力/Pa API滤失量/mL 0.0 10 7 5.0 3 1.92 118.6 0.5 21 14 10.5 7 3.36 50.5 1.0 35 24 17.5 11 6.24 29.8 1.5 44 31 22.0 13 8.64 14.7 2.0 49 34 24.5 15 9.12 9.6 表3. 聚合物质量分数对饱和盐水基浆流变性能的影响 3.5. 聚合物质量分数对复合盐水基浆流变性能的影响 表4是聚合物质量分数对复合盐水基浆流变性能和降滤失性能的影响。由表4可知，当聚合物质量分数为0.5%时，尽管表观黏度、塑性黏度和动切力与基浆相比增加并不明显，但是API滤失量由96.5 mL减小到31.2 mL，说明聚合物在复合盐水基浆中有良好的降滤失性能；当质量分数为2.0%时，聚合物具有良好的抗盐、抗钙性能。这主要是因为聚合物分子链上阳离子基团与黏土端面的静电作用，增强聚合物在复合盐水基浆中的抑制性； SO 3 2 − 具有较强水化能力和吸附能力，很好地吸附于黏土颗粒表面，提高了黏土表面电荷密度，使得ζ电位升高，避免了盐、钙侵入的压缩双电层影响，增大了黏土粒子间静电排斥力，提高了钻井液的静电稳定性，APEG-500中的长侧链通过伸入悬浮液而在空间上提高了钻井液中的护胶性，使得降滤失剂具有一定的抗盐、钙性 [ 17 ]。 Table 4 The effect of polymer mass fraction on the rheological properties of compound brine drilling fluid 聚合物质量分数/% N Φ600 N Φ300 表观黏度/(mPa∙s) 塑性黏度/(mPa∙s) 动切力/Pa API滤失量/mL 0.0 6 4 3.0 2 0.96 96.5 0.5 9 6 4.5 3 1.44 37.2 1.0 13 9 6.5 4 2.39 20.8 1.5 19 13 9.5 6 2.35 14.7 2.0 27 19 13.5 8 5.27 10.1 表4. 聚合物质量分数对复合盐水基浆流变性能的影响 3.6. 聚合物的抗温性能 表5是在淡水基浆中热滚老化温度对聚合物流变性能的影响，老化时间为16 h。从表5可知，随着热滚老化温度的增加，表观黏度和塑性黏度均呈逐渐减小的趋势，API滤失量逐渐增加，但是增加的幅度并不大；200℃与180℃热滚老化相比，API滤失量从9.8 mL增大为13.90 mL，表观黏度和塑性黏度分别从29 mPa∙s和19 mPa∙s降低到22 mPa∙s和14 mPa∙s，说明聚合物在200℃高温热滚后仍然维持相对良好的降滤失性能和流变性能。这主要是因为聚合物主链由C—C键构成，C—C的键能高，赋予分子主链优良的热稳定性，同时侧链中含 SO 3 2 − 、N + (CH 3 ) 3 Cl − 等热稳定性较好的官能团，从而提高了降滤失剂的热稳定性；另一方面，高温使得钻井液体系的布朗运动加剧，聚合物吸附作用阻止了黏土颗粒间的聚结，改善了黏土粒径分布和在钻井液中的分散性，使其在高温环境中仍具良好的降滤失性能，表现出良好的抗温性能 [ 18 ] [ 19 ]。 Table 5 The effect of aging temperature on the rheological properties of polyme 老化温度/℃ N Φ600 N Φ300 表观黏度/(mPa·s) 塑性黏度/(mPa·s) 动切力/Pa API滤失量/mL 未老化 103 72 51.5 31 19.63 7.5 150 75 51 37.5 24 12.93 8.4 160 69 46 34.5 23 11.01 9.1 180 58 40 29.0 19 9.58 9.8 200 56 37 22.0 14 7.66 13.9 表5. 老化温度对聚合物流变性能的影响