基于温敏聚合物的水基钻井液恒流变特性研究

The project intends to synthesize a class of temperature-sensitive polymer rheology modifiers, which has an amphiphilic molecular structure. Temperature changes can alter the aggregation behavior of polymer molecules in water, thereby adjusting the contribution to the system viscosity and shear stress of polymer. On this basis, new water-based drilling fluid system with constant rheology is constructed through other preferred treatment agents and system optimization. The rheology of the system is insensitive to temperature, and viscosity and shear stress of drilling fluid system changes very little with temperature, which is particularly suitable for deepwater drilling. Meanwhile, the effect of temperature on the hydrophilic - hydrophobic properties, aggregation behavior of polymer molecules is studied. And the effect of temperature on the interactions between polymer molecular and the main components of drilling fluid is also investigated. Finally, the relationship between polymer molecular structure and rheological control effect is established. The regulation mechanism of rheological properties through temperature sensitive polymer is investigated. By studying this project, the temperature-sensitive polymer rheology modifiers is developed, and the application and regulation mechanism of rheology modifiers in drilling fluid rheology is investigated. The new water-based drilling fluid system which is finally constructed, has the advantage of rheological parameters insensitive to temperature, controllable rheological properties, excellent resistance to temperature performance, wide application, etc. This drilling fluid system has potential applications in the field of deepwater drilling.

本项目拟合成一类具有温敏效应的聚合物型流变调节剂，这种聚合物分子具有两亲结构，温度变化可改变聚合物分子在水中的聚集行为，从而调节聚合物对于钻井液体系黏度和切力的贡献大小，以此为基础，通过其他处理剂优选和体系优化，构建具有恒流变特性的新型水基钻井液体系，该体系的流变性能对温度不敏感，体系的黏度和切力随温度变化很小，特别适合于海洋深水钻井。同时，通过研究温度对聚合物分子的亲水-疏水性能、聚集行为，以及与钻井液各主要组分之间相互作用的影响，建立聚合物分子结构与体系流变性调控效果之间的关系，探讨温敏聚合物对体系流变性的调控机理。通过本项目的研究，开发温敏聚合物型流变调节剂，探讨其在钻井液流变性调控中的应用和机理，最终构建具有流变参数对温度变化不敏感、流变性能可控、抗温性能优良、适用范围广等优点的新型水基钻井液体系，在海洋深水钻井领域具有应用潜力。

针对海洋深水钻井中井筒温度分布范围宽，导致水基钻井液流变性能变化大，会引起当量循环密度高、井漏、压力控制难等一系列问题，借助交叉学科新理论，开展了温敏型高效流型调节剂的研制及其对水基钻井液流变性的调控机理研究。首先研制出了两类具有温敏增稠效应的聚合物分子，系统评价了这两类聚合物的分子结构对粘度/温度响应的影响，从中优选出了一种温敏聚合物作为高效流型调节剂，系统研究了温敏聚合物分子结构、浓度等因素对其黏度/温度响应的影响；研究了膨润土、降滤失剂、加重剂等添加剂对黏度/温度响应的影响，并构建了一套在10℃至100℃范围内，主要流变参数对温度不敏感的钻井液体系；分析了温敏聚合物对钻井液流变性的调节机理。主要体现在以下方面：.（1）基于温敏单体和亲水单体优选、聚合物分子结构优化设计、反应条件优化等，研制出了己内酰胺类温敏聚合物和异丙基丙烯酰胺类温敏聚合物两类具有温度敏感效应的聚合物分子，通过红外光谱、核磁共振仪、元素分析仪、凝胶渗透色谱等对温敏聚合物进行分子结构表征及分子量测定。.（2）在较宽温度范围内（4℃至120℃）对两类温敏聚合物在水和钻井液中进行黏度/温度变化评价，筛选出了在10℃至100℃范围内，适合钻井液体系中不同膨润土加量的温敏聚合物SDKP，研究了钻井液膨润土、加重剂等对SDKP温敏流变性能的影响，并通过降滤失剂、抑制剂、封堵防塌剂等优选，构建出了流变性能在10℃至100℃范围内主要流变参数对温度不敏感的恒流变性水基钻井液体系（CRDF体系），并对该体系进行了系统的性能评价，包括温敏流变性能、高温稳定性、抗污染性能、抑制性、润滑性、加重性能等。.（3）采用变温紫外-可见光实验，对温敏聚合物亲水-疏水性能表征，并测定不同温敏单体含量的SDKP系列聚合物溶液出现微相变所对应的浊点（LCST）；从温敏聚合物溶液的变温核磁共振氢谱测试、流变性测试、动态光散射仪测试和环境扫描电镜测试四方面来研究温度变化对温敏聚合物的缔合行为的影响。