聚合物拓扑结构和序列结构影响其流变调节能力的机理及结构优化研究

Drilling fluids play significant role in safe and effective drilling process. As one of the important parameters for describing drilling fluid property, rheology is key factor that affects suspending and carrying drilling cuttings, transferring pumping power and penetrating rate. With strategic target development for oil and gas in China towards complex and unconventional formation, more stringent requirements for drilling fluids were expected. The disadvantages of rheology modifiers such as poor stability, weak temperature resistant and low salt- and calcium- tolerant ability have become increasingly obvious. Though a variety of monomers have been used in preparing rheology modifier, the impact of structure on rheology is rarely reported. However, polymer structure is one of the main factors governing the property of polymer, which directly influences the research of effective and economical rheology modifier. Therein, a series of polymers with same composition but different structure including random linear, block linear, comb-like, star-like and hyperbranched were prepared. The influence of topology and sequence control of polymer on rheology was studied. On the basis of DLVO theory, the relationship among polymer structure, rheological regulation ability and microscopic interactions were deep analyzed by utilizing Atom Force Microscopy. Furthermore, combining with the influence of composition, a brand-new method to prepare effective rheology modifier is to build. This research is of great significance to getting comprehensive knowledge of mechanism for properties of rheology modifier, innovating the idea for designing rheology modifier and decreasing the cost of drilling process.

钻井液是钻井过程安全高效进行的重要保障，流变性作为描述钻井液性能的重要参数，是影响悬浮及携带岩屑、传递泵功率、钻速等的重要因素。随着我国油气战略目标向复杂及非常规油气推进，对钻井液性能提出了更严苛的要求，钻井液流变调节剂稳定性差、抗温及抗盐钙性不足甚至失效等问题日益凸显。虽然目前流变调节剂组成单元种类丰富，但却很少报道结构对性能的影响。而结构是影响聚合物性能的主要因素，直接影响高效、经济型流变调节剂的研发。鉴于此，本研究采用多种活性聚合方法，制备组成相同而结构不同的系列无规线形、嵌段线形、梳状、星型及超支化聚合物；研究拓扑结构及序列结构对流变性的影响；根据DLVO理论并借助原子力显微镜深入探索聚合物结构-流变调节能力-微观作用之间的关系；进而结合组成影响规律，建立研制高效流变调节剂新方法。本研究对充分认识流变调节剂性能影响机制、创新钻井液用处理剂设计理念及降低钻井作业成本具有重要的意义。

聚合物拓扑结构及序列结构是影响聚合物性能的主要因素。本项目研究了几种常见单体合成系列无规线形、嵌段线形、梳状、星型及超支化聚合物的制备方法，探索了拓扑结构及序列结构对流变性的影响，对充分认识流变调节剂性能影响机制、创新钻井液用处理剂设计理念及降低钻井作业成本具有重要的意义。由于流变性、降滤失性均是钻井液体系的重要性能，因此本项目将二者结合起来进行了研究。我们通过RAFT活性聚合方法制备了组成相同而结构不同的系列线性聚合物，发现嵌段共聚物更有利于钻井液体系结构力的提高，而无规共聚物主要增加塑性粘度。增加聚合物分子量可以提高钻井液粘度，但对降滤失性能的提高影响相对较小。通过以PVA作为主链，接枝单体，合成了一种梳状聚合物流变调节剂，在180 ℃下，可在2 wt % CaCl2污染的水基基浆中使用，老化后的基浆依然能够增粘，并显示良好的降滤失性。纳米材料具有良好的热稳定性和小尺寸特点。我们以二氧化硅为核心，接枝单体，合成了两种不同尺寸的星型有机/无机杂化材料。结果表明星型材料的粘度较低，具有显著抗高温、高钙的能力。小尺寸（80-150 μm）材料在240 ℃下，11 wt % CaCl2或饱和NaCl污染的条件下，使基浆保持较低粘度，并具有良好的降滤失性能。大尺寸（200-500 μm）材料，依然保持较低的粘度，抗温和抗盐能力进一步提升。在240 ℃下，抗CaCl2能力提升到22 wt %；当温度上升到250 ℃，依然能够在11 wt % CaCl2或饱和NaCl污染条件下使用。优选一种支化剂与单体制备了一种超支化流变调节剂。与星型结构材料类似，该材料粘度较小，老化及被盐钙污染后粘度降低，但依然能够保持良好的降滤失能力。本研究从聚合物的拓扑结构及序列结构出发，对聚合物调节流变及降滤失性能开展了大量的研究，并进行深入分析。研发的产品类型丰富，理论研究深入，为钻井液处理剂的研发提供了新思路，同时也为抗高温高盐钙钻井液处理剂的研发打下了坚实基础。