交联型油基钻井液降滤失剂的合成及性能评价.pdf

第2 9卷 第 1 期 2 0 1 2年 1月 钻井液与完井液 DRl LL I NG F LUI D CoMPL ETl oN F L Ul D 、 b1 ． 2 9 No ， l J a n．2 01 2 【 理论研究与应用技术 】 交联型油基钻井液降滤失剂的合成及性能评价 冯萍， 邱正松， 曹杰 中国石油大学 华东 石油工程学院，山东东营 冯萍等 ． 交联型油基钻井液降滤失剂的合成及性能评价 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 1 9 - 1 1 ，1 4 ． 摘要通过测试不同矿源腐植酸样品的特征常数 ／ 值，筛选出了腐植化程度高的腐植酸，然后采用不同碳 链长度的脂肪胺结合适量的交联剂对该腐植酸进行亲油改性和适度交联， 研制出了新型油基钻井液降滤失剂 S D F L 。 红外光谱分析表 明，新研制的S D F L中的一部分羧基被脂肪胺封闭 ； S D F L适用于白油基和合成基钻井液，能抗 2 0 0℃高温，抗岩屑 2 4 ％岩屑 、盐水 2 0 ％C a C1 ， 水溶液 污染能力强 ；与钻井液的配伍性好 ；可使油基钻井 液滤失量降低 8 5 ％ 以上， 对油基钻井液的流变性影响小， 降滤失性能优干中国产品， 与国外同类产品水平基本相当。 关键词 地层伤害 ； 油基钻井液 ；降滤失剂 ； 腐植酸 ； 脂肪胺交联 ； 高温高压滤失量 中图分类号T E 2 5 4 ．4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 2O 1 ． 0 0 0 9 ． 0 3 在油基钻井液的使用过程中，腐植酸类降滤失 剂具有价格便宜 、性能优 良等优点 ，例如 ，C o wa n 等用褐煤和磷脂制备油基钻井液降滤失剂，但该 方 法在合 成过程 中消耗 大量水 ，且效 率低 ，而且 磷脂的功能基团少，不利于引入其他功能基团 [ 1 。 C o a t e s 等 用腐植酸与有机脂肪胺或胺盐在油介质 中反应制备油基钻井液降滤失剂 ， 该方法的不足在 于 ，产物在油相 中分布不均匀 ，需要添加有机土等 分散剂，因此，产品对体系流变性影响很大，体系 的抗高温性能变差。基于上述原因，对于油基钻井 液降滤失剂的化学结构和制备过程进行了优化 ，采 用脂肪胺亲油改性腐植酸 『 6 】 ，同时加入适量的交联 剂，新研制出部分交联的腐植酸类油基降滤失剂产 品 S D F L，并对其进行 了评价。 1 实验 部分 1 - 1 主要原料和仪器 不同矿源的褐煤 ； C ～c ， 。 脂肪胺 ，二溴代烷 B r C H B r ， 环氧氯丙烷 ， 均为工业级 ； 氢氧化钠 ， 浓盐酸均为分析纯。 U V1 7 5 0 紫外分光光度讹 H Y N捏合机， P H S ． 2 5 数 显 p H计 ，2 0 1 1 鼓 风干燥 箱 ，电子天平 ，DF ． I I 磁力搅拌器 ，粉碎机。 1 ． 2 腐植酸的提取和筛选 将一定量褐煤加人 p H值为 1 2的氢氧化钠溶液 中，待泥沙沉淀后，移取上层清液，再用盐酸调节 p H值至 2 左右， 得到腐植酸沉淀， 干燥粉碎后备用。 配制浓度为 4 0 ～2 0 0 mg ／ L的腐植酸溶 液 ，以 O ．0 5 m o l／ L碳酸氢钠作溶剂，用紫外分光光度计测 试溶 液在 4 6 5 n i n 和 6 6 5 n m E 6 的吸光度 ，计 算 2 者的比值 ，该值是腐植酸的一个特征性 常数 ，可以表征样品的腐植化程度 [_ 。 1 ． 3 降滤失剂的合成 在捏合机 中加入少量 白油 ，升温至 5 5 ～6 5℃， 加入约 1 ． 5 mo l 的长链脂肪胺 ，混合均匀 ，再加入 适量的腐植酸， 搅拌反应 3 0 mi n ， 加入适量交联剂， 2h后取出产物 ，移人 1 0 0℃鼓风干燥箱 ，干燥 2h ， 研磨粉碎后 ，即得产品 S DF L 。 1 ． 4 S DFL的红外表 征 将 0 ． 2 g K Br 碾 碎 后 ，加 入 1 ～2 mg S DF L样 品，在红外灯下充分混合碾磨，压片，测试样品在 基金项目 国家 自然科学基金项 目 4 1 0 7 2 0 9 4 。 第一作者简介 冯萍， 高级工程师， 1 9 7 0 年生， 现在从事油气井化学与工程专业。 地址 山东省东营市东营区北一路 7 3 9号； 邮政编码 2 5 7 0 6 1；电话 1 3 1 2 7 2 4 8 8 2 3； E ma i l f e n g p i n g 8 7 8 6 1 3 0 1 6 3 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年1月 4 0 0 0 ～4 0 0 c m 的红外吸收光谱 。 1 ． 5 S D F L 降滤失性能评价 配制油基基浆配方如下 。 基本 配方2 ％ 主乳 化剂 2 ％ 氧化钙 1 ％辅 乳化剂 2 ％润湿剂 1 ％ 有机土 1 3 1 0mL白油 基本配方 1 2 5 g重晶石 2 3 2 4 0 mL白油 6 0 mLC a C 1 ， 水溶液 浓 度为 2 0 ％ 基本配方 1 2 5 g 2 5 0 g重晶石 4 2 4 0 mL合成基液 6 0 mL C a C 1 2 水溶液 浓 度为 2 0 ％ 基本配方 1 2 6 g重晶石 2 结果与讨论 2 ． 1 腐植酸优选 矿源 1 、矿源 2 、矿源 3褐煤所提取 的日 值为 1 ． 1 0 7 、0 ． 9 8 7和 0 ． 6 6 7 ，E佤 值 为 3 ． 5 5 9 、3 ． 6 8 8和 3 ．9 1 3 。由此可知，矿源 1 的腐植酸的E 值最大， 值最小，矿源 3的腐植酸的 值最小 ， E／ 值最大。说明矿源 3 褐煤的腐植化程度最高，所含 腐植酸的分子量最大，矿源 1 的褐煤所含腐植酸的 分子量最小。因此选取矿源 3 褐煤进行合成。 2 ． 2 S DF L 的红外表征 腐植酸及油基降滤失剂的红外谱图如图1 所示。 褥 图 1 油基降滤失剂 S D F L的红外谱图 腐植酸 H A 谱图中 1 7 0 5 c m 峰为羧基 一 C O O H 的吸收峰 ，S D F L在 1 7 0 7 c m- 的吸收峰变 小 ，在 1 6 4 9 c m 处出现酰胺基团的特征峰 J ，说 明腐植酸分子中的部分羧基与胺基反应生成酰胺， 同时 ，S DF L在 2 9 2 2 c m 和 2 8 5 4 c m 出现 甲基 和亚甲基的吸收峰，这说明腐植酸接枝长烷基链 成功。经过长链脂肪胺的改性，腐植酸的亲水基团 部分 消失 ，所 接人的长链烷基具有亲油性 ，因此 ， S D F L在油基钻井液中部分油溶或者油分散，亲油 性的腐植酸不会破坏钻井液性能 ，同时胶体 尺寸的 腐植酸能有效封堵泥饼中的微孔隙 ； 单个 c c c 单元的尺寸为 0 ．2 5 1 n m，在改性过程中，选择合适 的烷基链长度 ， 可增加腐植酸颗粒之问的油相黏度 ， 甚至在腐植酸颗粒间产生 自发交联，阻止油液进入 地层 ，实现超低滤失 ⋯ 。 2 ． 3 S D F L 的热稳定性分析 按照 2 、 4 配方配制 O B M基浆和 S B M 基浆， 在 2个试 验浆 中分别加入 4 ． 5 ％ 自制 S D F L降滤失 剂 ，分别 在 1 5 0 、1 8 0和 2 0 0℃下热滚 1 6 h ，测试 其高温高压降滤失效果，实验结果见表 1 和表 2 。 从表 1 和表 2可 以看出，加入 S DF L后 ，白油钻井 液和合成基钻井液的滤失量大大降低，滤液中无游 离水相，也可避免油气储层水敏伤害 ； S D F L的加 入有利于形成薄而韧的泥饼 。 表 1 S D F L在白油钻井液和合成基钻井液中的抗温性能 表 2 油基钻井液加入 S DF L后的高温高压滤失量mL 2 ． 4 S DF L的抗污 染性能 2 ． 4 ． 1 岩屑污染 按 2 配方配制油基基浆 ，加入 1 5 g S DF L，再 分别加入不 同加量的岩屑 ，考察油基钻井液的抗岩 屑污染性能 ，结果见表 3 。从表 3可 以看出，虽然 钻井液中岩屑增加，沉积在泥饼中的固相颗粒也增 加，致使泥饼增厚且致密度降低，但是 S D F L降滤 失剂仍能有效地封堵泥饼中的空隙，钻井液滤液中 保持无游离水相，高温高压滤失量仍然控制在 1 0 mL以下 ，表明加有 S DF L的油基钻井液具有 良好 的抗岩屑污染能力 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 9 卷 第 1 期 冯萍等交联型油基钻井液降滤失剂的合成及性能评价 表 3 加有 S D F L的油基钻井液的抗岩屑污染性能 表 5 S D F L对钻井液眭能的影响 2 ． 4 ． 2 抗盐水污染能力 按照 1 配方配制油基基浆，加入 1 5 g S D F L， 增加 2 0 ％ C a C 1 ， 水溶液加量 ，评价油基钻井液 的抗 盐水污染性能 ，结果见表 4 。从表 4可以看 出，在 不同油水比条件下，S D F L均具有 良好的降滤失效 果。虽然全油基钻井液黏度较小，体系中缺乏乳化 液体辅助封堵泥饼孔隙，基油相对容易通过泥饼缝 隙而漏失，但是其在 2 0 0 oC 老化后的高温高压滤失 量为 1 2 mL ，加有盐水的钻井液高温高压滤失量都 小于 1 0 m L ，并且滤液中无游离水相存在，说明该 油基钻井液抗地层水侵入能力强 。 表 4 加有 S DF L的油基钻井液抗盐水 2 0 ％C a C 1 2 污染性能 2 ． 5配伍 性 按 照 3 配 方 配 制 油 基 基 浆 ，加 入 0 、1 ． 5 ％、 3 ． O ％、4 ． 5 ％S D F L ，测试各油基钻井液 1 5 0℃热滚 前后 的流变参数和高 温高压滤失量 ，结果见表 5 。 从表 5 可知，降滤失效果随着 S D F L加量的增加而 增加，当 S D F L加量为 4 ．5 ％时，体系的滤失量降 至 5 mL。 另外 ， 加入 S DF L后 ， 体系的性能变化不大 ， 说明降滤失剂与体系的配伍性较好。 注 F L H T H P 在 1 5 0 o C、3 ． 5 MP a 下测定 。 2 ． 6 S D F L 与其他钻井液降滤失剂的对 比 按照 3 配方配制油基基浆，分别加入国内外同 类型降滤失剂 进口 改性褐煤 1 、国产改性褐煤 2 和国产改性褐煤 3 ，以及其他类型降滤失剂 改性 松香、油溶纤维和氧化沥青 ，在 1 5 0℃热滚后，测 试其流变性和降滤失l生 1 ，结果见表 6 。 表 6 S DF L与国内外油基钻井液降滤失剂的性能对比 从表 6 可 以看 出，在改性褐煤类产品中， S DF L 降滤失效果突出，性能与国外的优 良产 品接近，均 无游离水相，泥饼厚度也相近。与不同类型其它中 国产品对比， S D F L降滤失剂的高温高压滤失量最小； 其次是油溶纤维，但是油溶纤维对体系流变性的影 响很大，滤液含有 自由水 ，泥饼松 软 ；改性松香不 仅未降低体系的高温高压滤失量，反而使其增大， 可能是 由于改性松 香在常温下为固态，在 1 5 0 下 软化、溶解，不能有效封堵泥饼孔隙 ； 虽然氧化沥 青类的高温高压滤失量较低，但是受环境保护的影 响，其应用受到限制。 下转第l 4 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 2年1月 3 2 ． 5 ％膨润 土 4 ％S MP ． 1 4 ％S P NH 2 ％ PSC l 2 ％ SY． A01 0． 05 ％ S P一 8 0 0． 2％RH一 4 2 ％YX l 加重剂 4 3 ． O ％膨润土 3 ％S MP l 3 ％S P NH 0 ． 0 5 ％ 8OA51 0． 4％ K HPAN 2％ SY． A 01 2％ CX l 89 5 ％KC l 加重齐 0 5 3 ． 0 ％膨润土 0 ． 5 ％Na OHl ％K0H 3 ％ SM P一 1 6％ SPNH0． 4％K HP AN2 ％ S Y A01 2 ％C x． 1 8 9 3 ％KC I 1 5 ％Na C I 加重齐 0 表 1 钻井液计算黏度与实测黏度对比 4 结论 建立漏斗黏度与表观黏度之间的关系式 ，其理论依 据充分、使用方便。 2 ． 对漏斗黏度为 t 的钻井流体，其黏度值反映 了随漏斗剪切速率改变的表观黏度。 3 ． 当已知钻井流体的马氏漏斗黏度时 ，可利用 漏斗黏度与表观黏度的关系式估算其表观黏度，计 算结果可靠。 参 考 文 献 [ 1 ] 刘斌，毕勤成 ， 杨朝初 ， 等 ． 非圆小通道内非牛顿流体 一 氮气两相流型研究 [ J ] ． 化学工程，2 0 1 0 ，3 8 1 3 4 3 7 ． [ 2 ] 孙洪全，韩纪庆 ． 基于粒子的非牛顿流体模拟统一模型 [ J ] ． 哈尔滨工业大学学报，2 0 1 0 ， 4 2 7 1 1 0 4 1 1 0 7 ． [ 3 ] P i t t M J ． T h e Ma r s h F u n n e l a n d d r i l l i n g F l u i d Vi s c o s i t y A Ne w E q u a t i o n f o r F i e l d Us e [ J 】 ． S P E Dr i l l i n g a n d C o mp l e t i o n ，2 0 0 0 ，1 5 1 3 6 ． [ 4 ] 刘海军 ． 马氏漏斗及钻井液黏度 油田应用的新方程 国外油田工程 ，2 0 0 1 ，1 7 1 2 2 8 3 1 ． [ 5 ] 金业权 ． 非牛顿流体漏斗黏度与塑形黏度的实验研究 [ J ] ． 西部探矿工程，2 0 0 4 ， 2 3 7 ． 3 8 ． [ 6 ]6 刘崇建 ． 准确测定三参数非牛顿液体的流变参数 [ J ] _ 西 南石油学院学报，1 9 8 4； 4 3 3 4 3 ． [ 7 】 刘孝 ，刘崇建 ，舒秋贵 ，等 ． 利用漏斗黏度计测定幂律 流体的流变参数 [ J ] ． 天然气工业 ，2 0 0 3 ，2 3 4 4 7 5 0 ． [ 8 ] 刘孝良， 刘崇建， 谢应权，等 ． 利用漏斗黏度计测定塑性 流体的流变参数 [ J ] _ 天然气工业，2 0 0 4 ，2 4 1 4 7 ． 4 9 ． 1 ． 基于漏斗几何特征及其黏度测定原理 ，可以 收稿日 2 0 1 1 1 1 ． 2 5 ；H G F 1 2 0 1 F 3 ；编辑 付碉颖 上接第1 1 页 3 结论 1 ． 通过酰胺化和适度交联的新方法 ，研制出新 型油基钻井液用降滤失剂 S D F L； 红外光谱分析表 明，腐植酸的部分羧酸基和脂肪胺反应生成酰胺， 实现了腐植酸改性设计 目的。 2 ． 新研制的油基降滤失剂 S DF L适用于白油基 钻井液和合成基钻井液，能抗温 2 0 0℃ ； 抗岩屑、 地层水污染能力强 ； 与体系配伍性好。 3 ． 新研制的油基降滤失剂 S D F L优于 目 前国内 使用的油基降滤失剂产品，降滤失作用效果接近国 外 同类产品。 参 考 文 献 F l u i d L o s s B a s e d Mu d s [ R] ． s P E 7 7 4 4 6 ． 2 0 0 2 ． B e a mi n He r z h a f t ． Op t i mi z a t i o n o f S B M F o r mu l a t i o n s f 0 r Mi n i mu m Da ma g e [ R ] ． ． 6 4 9 8 1 ． 2 0 0 1 ． An d r e s Ol e a s ，Co l l i n s E，Os u i i ，e t a 1 ． E n t r a n c e P r e s s u r e o f Oi l Ba s e d Mu d i n t o S h a l eEf _f e c t o f S h a l e．W a t e r Ac t i v i t y ， a n d Mu d P r o p e r t i e s [ R ] ． - 1 1 6 3 6 4 ． 2 0 0 8 ． Co wa n，J a c k C，Gr a n q u i s t ，e t a 1 ． 0r g a n o p h i l i c P o l y p h e n o l i c Ac i dAd d u c t s ． C． A． 1 2 8 5 7 4 6．1 9 91 ． J a c q u e l i n e A Co a t e s ， J o h n M ， F a a r ， M a r g a r e t H． ． F l u i d Lo s s - - Re d u c i n g Ad d i t i v e s f o r Oi l ．． Ba s e d W e l l W o r k i ng Fl u i d s ． U． S． 9 4 1 9 8 3，1 9 9 0 ． 黄雪静 ． 一种多功能钻井液处理剂的研制与评价 [ J 1 ． 钻 井液与完井液，2 0 0 8 ，2 5 4 2 6 ． 2 8 ． 顾志忙 ，胡澄．傅里叶变换红外光谱和核磁共振法对 土壤中腐殖酸的表征 [ J ] ． 分析化学研究简报，2 0 0 0 ，2 8 3 3 1 4 ． 3 1 7 ． [ 1 】 A s t o n M，Mi h a l i k P， T u n b r i d g e ，e t a 1 ． T o wa r d s Z e r o 收稿 日期2 0 1 1 - 0 9 0 6 ；HG F I 1 0 1 N4 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m