新型活度調(diào)節(jié)劑的合成與低活度水基鉆井液的應(yīng)用

孫方龍, 張承鈺

(1.中石化華北石油工程有限公司西部分公司, 新疆 巴州 841000; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院, 北京 100083)

眾所周知,頁(yè)巖由于其內(nèi)部富含黏土礦物,所以油氣鉆井過(guò)程中井壁失穩(wěn)一直是一個(gè)重大課題[1-3]。水基鉆井液中液相侵入周圍巖層導(dǎo)致巖層中黏土礦物吸水后水化分散膨脹導(dǎo)致井壁失穩(wěn)的技術(shù)問(wèn)題一直以來(lái)都是眾多學(xué)者研究的重心[4]。所以當(dāng)選用水基鉆井液時(shí),通常會(huì)研發(fā)應(yīng)用良好性能的抑制劑[5]。最早投入使用的頁(yè)巖抑制劑是高濃度鉀鹽,但過(guò)度使用鉀鹽會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染[6]。低分子陽(yáng)離子化胺類抑制劑具有強(qiáng)抑制性、低毒性和與其他陽(yáng)離子處理劑優(yōu)異的配伍性[7]。近幾十年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要開(kāi)展了大量胺類頁(yè)巖抑制劑的研發(fā)工作,從頁(yè)巖的抑制機(jī)理出發(fā),改善聚胺分子結(jié)構(gòu),研究了一系列新型胺類頁(yè)巖抑制劑,進(jìn)一步提高胺類抑制劑的抑制能力的同時(shí)降低了胺類抑制劑的生物毒性。王哲等[8]以甲基丙烯醇、小分子有機(jī)胺、2-丙烯酰胺-2-2甲基丙磺酸和二甲基二烯丙基氯化銨為單體合成了一種新型頁(yè)巖抑制劑LM-1,該抑制劑在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、垮塌以及起下鉆困難等問(wèn)題,施工過(guò)程順利,能夠滿足泥頁(yè)巖地層鉆井對(duì)抑制性能的要求。與此同時(shí),一些納米材料以及鋁酸鹽等也被用于頁(yè)巖抑制劑的研究[9]。

從水活度平衡入手,以杜南平衡理論為基礎(chǔ),通過(guò)降低鉆井液水活度形成井下與圍巖間的活度差以此來(lái)減少鉆井液中水分子向井壁運(yùn)移,達(dá)到減少黏土礦物水化膨脹的目的[10-13]。目前常用的活度調(diào)節(jié)劑分為無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)鹽和非鹽類三大類。無(wú)機(jī)鹽是最常用的活度調(diào)節(jié)劑,其降低離子活度效果好但存在周圍巖土層鹽污染問(wèn)題;低濃度有機(jī)鹽降低離子活度效果低于相對(duì)同濃度無(wú)機(jī)鹽,較高濃度有機(jī)鹽降低離子活度效果可觀,相對(duì)無(wú)機(jī)鹽污染較低;非鹽類環(huán)保性在常用活度調(diào)節(jié)劑中環(huán)保型最好但降低離子活度效果差,多元醇與鹽類復(fù)配使用可達(dá)到更好的降低離子活度效果[14-16]。

針對(duì)頁(yè)巖井壁失穩(wěn),將目光投向已被各個(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用的綠色材料低共熔溶劑(deep eutectic solvents, DES),致力研發(fā)出一種綠色處理劑[17-18]。低共熔溶劑具有價(jià)格便宜、制備簡(jiǎn)單、易回收使用、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)[19-23],目前研究報(bào)道的合成DES 的五種常用制備方法有加熱攪拌法、微波輻射法、真空蒸發(fā)法、超聲法和冷凍干燥法[24-28]。且該處理劑具有一劑雙效的作用,可以降低鉆井液離子活度的同時(shí)又可以有效抑制頁(yè)巖水化分散。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

甘油、尿素,分析純濃度為99%;氯化膽堿,分析純濃度為98%,麥克林上海麥克林生化科技股份有限公司;鈉膨潤(rùn)土、乳液聚合物(DS-301)、低黏-纖維素(LV-PAC)、聚胺抑制劑、抗溫抗鹽聚合物降失水劑(RHPT-2),河南龍翔石油助劑公司產(chǎn)品;純堿Na2CO3,分析純;磺化褐煤,山東陽(yáng)谷黃河化工公司產(chǎn)品。

集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S,青島海通達(dá)專用儀器有限公司);智能水分活度測(cè)量?jī)x(HB-3D);傅里葉變換紅外光譜儀,Thermo Scientific Nicolet iS20;六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(MOD.ZNN-D6,青島創(chuàng)美儀器技術(shù)服務(wù)有限公司);多聯(lián)中壓濾失儀(SD4,青島海通達(dá)專用儀器有限公司);高溫滾子加熱爐(XGRL-4型,青島海通達(dá)專用儀器有限公司);高頻變速攪拌機(jī)(GJS-B12K型,青島百瑞達(dá)機(jī)械制造有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 活度調(diào)節(jié)劑的制備

將氯化膽堿和甘油、尿素,以摩爾質(zhì)量比為1:1:1進(jìn)行配制,放置在圓底燒杯中,用瓶蓋密封后,在80 ℃水浴加熱條件下連續(xù)磁力攪拌2 h(圖1),最終獲得均勻的澄清液體Urea-Gyl-DES。制備完成冷卻至室溫后分別放入不同環(huán)境中。將制備出的低共熔溶劑簡(jiǎn)稱為Urea-Gyl-DES。

圖1 DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為:①將與空氣接觸和不與空氣接觸的Urea-Gyl-DES分別放置在室溫(25 ℃左右)條件下;②將與空氣接觸和不與空氣接觸的Urea-Gyl-DES分別放置在40 ℃及以上條件下;③將與空氣接觸和不與空氣接觸的Urea-Gyl-DES分別放置在-5 ℃及以下條件下,并記錄其15天后的狀態(tài)。

1.2.2 活度調(diào)節(jié)劑性能評(píng)價(jià)

(1)活度測(cè)試。本文對(duì)該試劑不同濃度水溶液的進(jìn)行活度測(cè)試:配制待測(cè)溶液,充分?jǐn)嚢韬?靜置。采約7 mL樣品,將樣品杯置樣品倉(cāng),合上儀器蓋子,密封等待蒸汽達(dá)到平衡,按下測(cè)量鍵,等待嗡鳴聲響起,讀數(shù)記錄數(shù)據(jù),結(jié)束測(cè)量(圖2)。

圖2 HB-3D型智能水分活度測(cè)量?jī)x

(2)相對(duì)抑制率測(cè)試。①配制基漿和加樣漿:取350 mL蒸餾水,每份加入0.84 g Na2CO3和21.00 g鉆井液試驗(yàn)用鈉膨潤(rùn)土,在高速攪拌器上攪拌20 min。制備加樣漿時(shí)加入1.40 g試樣;②將漿體在室溫下密閉養(yǎng)護(hù)24 h,取試樣高速攪拌5 min,在室溫條件下按GB/T16783.1規(guī)定測(cè)定值。平行樣之間的誤差在±1.0 mPa·s,并取其算術(shù)平均值。

(1)

式中:X為相對(duì)抑制率,%;Φ100為基漿在直讀式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)100 r/min下的穩(wěn)定讀值;Φ′100為加樣漿在直讀式旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)100 r/min下的穩(wěn)定讀值。

(3)頁(yè)巖滾動(dòng)回收率測(cè)試。①制備泥頁(yè)巖樣品:將巖屑敲碎,收集通過(guò)孔眼邊長(zhǎng)為3.35 mm而未通過(guò)孔眼邊長(zhǎng)為2.00 mm分樣篩巖屑,將篩析得到的巖屑置于(105±3) ℃恒溫干燥箱干燥4 h,取出放在空氣中冷卻24 h,備用。②測(cè)定蒸餾水和不同濃度試樣水溶液的泥頁(yè)巖回收率:稱取巖心顆粒50.0 g(精確至0.01 g),裝入盛有350 mL蒸餾水的陳化罐中,蓋緊。其中測(cè)定不同濃度試樣水溶液的泥頁(yè)巖回收率時(shí)在水中加入不同質(zhì)量的試樣。100 ℃滾動(dòng)16 h。取出陳化罐,冷至室溫。將罐內(nèi)的液體和巖樣全部?jī)A倒在孔眼邊長(zhǎng)為0.425 mm的分樣篩上,用自來(lái)水篩洗1 min。將篩余巖樣放入105 ℃±3 ℃的恒溫烘箱中烘4 h。取出冷卻,并在空氣中靜置24 h,然后進(jìn)行稱量(精確至0.01 g),按公式(2)計(jì)算滾動(dòng)回收率,要求巖屑的蒸餾水回收率小于15%。平行樣之間的誤差在±1.0%范圍內(nèi),并取其算術(shù)平均值。

(2)

式中:R為泥頁(yè)巖回收率,%;M1為滾動(dòng)前的巖屑質(zhì)量,g;M2為滾動(dòng)后篩余質(zhì)量,g。

1.2.3 Urea-Gyl-DES傅里葉紅外光譜分析

通過(guò)傅里葉變換紅外光譜 (FT-IR) 掃描所有DES系統(tǒng)及其組成成分,以評(píng)估獲得的 DES 是否由其成分之間的分子間相互作用合成和是否產(chǎn)生新的化合物。在干燥的環(huán)境中,將ATR附件置于光譜儀的光路中,掃描空氣背景,用滴管滴1滴液體于 ATR附件的晶體面上,然后采集樣品的紅外光譜,分辨率為4 cm-1,掃描次數(shù)為32次,測(cè)試波數(shù)范圍為400/600～4 000 cm-1。

1.2.4 鉆井液性能評(píng)價(jià)

分別先進(jìn)行基漿和鉆井液體系的配制。用量筒取定量去離子水倒入配漿桶里備用,加入0.25% Na2CO3和4%現(xiàn)場(chǎng)鈉膨潤(rùn)土,在攪拌器上攪拌4 h,靜止24 h后基漿配成完成備用。取350 mL水化好的基漿,按照配方加入不同質(zhì)量的處理劑,每種處理劑緩慢勻速倒入,在高速攪拌器上攪拌5 min使其充分溶解。加入所有處理劑后,取下漿杯,用密度計(jì)測(cè)量密度,根據(jù)式(3)加入不同重量的重晶石,在高速攪拌器上攪拌20 min,形成實(shí)驗(yàn)所需鉆井液體系并使鉆井液密度加重到目標(biāo)密度。

(3)

式中:W加為加重劑用量,t;V原為原鉆井液體積,m3;ρ加為加重劑密度,g/cm3;ρ重為加重后鉆井液密度,g/cm3;ρ原為原鉆井液密度,g/cm3。

選取兩種水基鉆井液體系:① 4%鈉土(現(xiàn)場(chǎng)土)+0.25%Na2CO3+0.3%DS301+0.3%RHPT-2+1.5%LV-PAC+0.5%聚胺+(0.3%～1.5%)Urea-Gyl-DES試劑+重晶石;② 4%鈉土+0.25%Na2CO3+0.3%DS301+0.2%RHPT-2+2%磺化褐煤+1%低黏PAC+(0.3%～1.5%)Urea-Gyl-DES+0.5%聚胺+重晶石。

將制備好的鉆井液倒入老化罐進(jìn)行老化,擰緊蓋子并用工具擰緊老化罐上的螺母。放入老化爐中,開(kāi)啟總電源、滾動(dòng)開(kāi)關(guān)與加熱開(kāi)關(guān),將加熱溫度調(diào)至目標(biāo)溫度。熱滾16 h,取出冷卻至室溫。測(cè)量老化后鉆井液性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 Urea-Gyl-DES穩(wěn)定性討論

穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)Urea-Gyl-DES儲(chǔ)存溫度的范圍為-5～45 ℃(圖3),溫度變化對(duì)于Urea-Gyl-DES形態(tài)無(wú)影響,在該溫度區(qū)間內(nèi)Urea-Gyl-DES流動(dòng)性與澄清度優(yōu)秀。由此可以得出,Urea-Gyl-DES在與氧氣接觸或者不與氧氣接觸的情況下在-5～45 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),其具有儲(chǔ)存條件要求低、穩(wěn)定性極好的特性。

圖3 Urea-DES狀態(tài)變化

2.2 Urea-Gyl-DES應(yīng)用性能評(píng)價(jià)

2.2.1 水活度評(píng)價(jià)

不同濃度Urea-Gyl-DES水溶液活度如表1所示,觀察其濃度與各個(gè)應(yīng)用性能表征數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

由表1可知,Urea-Gyl-DES水溶液的活度隨濃度上升而逐漸下降,當(dāng)濃度達(dá)到20%時(shí)活度可降到0.936。其中值得一提的是,當(dāng)Urea-Gyl-DES加量濃度低于10%時(shí)其降活效果與目前現(xiàn)場(chǎng)常用水基鉆井液降活試劑的降活效果相似,且效果相對(duì)其他試劑來(lái)說(shuō)效果略強(qiáng)。

表1 不同濃度Urea-Gyl-DES水溶液活度

2.2.2 相對(duì)抑制率評(píng)價(jià)

Urea-Gyl-DES加量不同時(shí)的相對(duì)抑制率如表2所示,觀察其濃度與各個(gè)應(yīng)用性能表征數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

由表2可知,當(dāng)Urea-Gyl-DES加量為0.5%時(shí)其相對(duì)抑制率便可達(dá)到100%,由此可見(jiàn)其抑制鈉膨潤(rùn)土水化分散的效果很強(qiáng)。

圖4 Urea-Gyl-DES合成分子式

2.2.3 頁(yè)巖滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià)

Urea-Gyl-DES加量不同時(shí)的頁(yè)巖滾動(dòng)回收率如表3所示,觀察其濃度與各個(gè)應(yīng)用性能表征數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

由表3可知,當(dāng)加量在0～0.2%頁(yè)巖滾動(dòng)回收率隨試劑濃度的上升而快速上升,當(dāng)加量達(dá)到3%后一次頁(yè)巖滾動(dòng)回收率為98.04%,幾乎達(dá)到清水的1.5倍。當(dāng)加量達(dá)到3%后二次頁(yè)巖滾動(dòng)回收率為78.08%,大概達(dá)到清水的2.4倍。當(dāng)加量超過(guò)0.2%后頁(yè)巖滾動(dòng)回收率幾乎無(wú)大幅度變化。

表2 Urea-Gyl-DES加量不同時(shí)的相對(duì)抑制率

表3 Urea-Gyl-DES加量不同時(shí)的頁(yè)巖滾動(dòng)回收率

2.3 傅里葉紅外光譜分析

一般通過(guò)DES 共晶體系中氫鍵網(wǎng)絡(luò)的形成來(lái)判斷是否成功合成了DES。表征DES 合成的方法有物理形態(tài)學(xué)分析、FT-IR光譜分析。Urea-Gyl-DES合成分子式如圖4所示。

2.3.1 氯化膽堿

氯化膽堿紅外光譜圖如圖5所示,氯化膽堿傅里葉紅外光譜譜圖上,3 230.73 cm-1尖銳型峰為典型羥基O—H伸縮振動(dòng),3 025.9 cm-1尖銳型峰為N—H伸縮振動(dòng),2 923.89 cm-1和2 853.19 cm-1為飽和碳上C—H伸縮振動(dòng)。

圖5 氯化膽堿紅外光譜

2.3.2 尿素

尿素紅外光譜圖如圖6所示,尿素傅里葉紅外光譜譜圖上,3 443.75 cm-1、3 346.67 cm-1為N—H伸縮振動(dòng),1 683.17 cm-1為O—H伸縮振動(dòng)區(qū)。

圖6 尿素紅外光譜

2.3.3 甘油

甘油紅外光譜圖如圖7所示,甘油傅里葉紅外光譜譜圖上,3 287.17 cm-1為O—H伸縮振動(dòng),2 931.17 cm-1為—CH2伸縮振動(dòng)區(qū),2 878.42 cm-1為—CHO伸縮振動(dòng)區(qū)。

圖7 甘油紅外光譜

2.3.4 Urea-Gyl-DES

圖8 Urea-Gyl-DES紅外光譜

2.4 Urea-Gyl-DES與水基鉆井液體系適配度評(píng)價(jià)

2.4.1 Urea-Gyl-DES與聚胺鉆井液體系適配度評(píng)價(jià)

利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和多聯(lián)中壓濾失儀測(cè)量120 ℃條件下老化后聚胺鉆井液與加入不同濃度Urea-Gyl-DES的漿液流變性與中壓失水量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4中數(shù)據(jù)可得,在聚胺鉆井液體系中加入0.3%、0.5%、0.7%的Urea-Gyl-DES,觀察其老化后的漿液性能變化可以發(fā)現(xiàn)加入U(xiǎn)rea-Gyl-DES的鉆井液觸變性和表觀黏度變強(qiáng)且動(dòng)塑比更趨于最優(yōu)范圍0.36～0.48 Pa/(mPa·s),同時(shí)可以觀察到該試劑對(duì)鉆井液API失水量無(wú)惡性影響。由此可以得出該試劑與聚胺鉆井液體系適配度良好。

表4 120 ℃下Urea-Gyl-DES加量不同對(duì)于聚胺鉆井液體系的影響

2.4.2 Urea-Gyl-DES與聚磺鉆井液體系適配度評(píng)價(jià)

利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和多聯(lián)中壓濾失儀分別測(cè)量120 ℃條件下老化后聚磺鉆井液體系與加入不同濃度Urea-Gyl-DES的漿液流變性與中壓失水量,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5中數(shù)據(jù)可得,在聚磺鉆井液體系中加入0.3%、0.5%、0.7%的Urea-Gyl-DES,觀察其在120 ℃條件下老化后的漿液性能變化可以發(fā)現(xiàn)加入U(xiǎn)rea-Gyl-DES的鉆井液觸變性和表觀黏度變強(qiáng),同時(shí)可以觀察到該試劑對(duì)鉆井液API失水量無(wú)惡性影響。由此可以得出該試劑與聚磺鉆井液體系適配度良好,對(duì)體系影響較少。

表5 120 ℃下Urea-Gyl-DES加量不同對(duì)于聚磺鉆井液體系的影響

3 總結(jié)與展望

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論。

(1)Urea-Gyl-DES具有良好的降低水溶液離子活度、抑制膨潤(rùn)土水化分散和抑制泥頁(yè)巖水化分散的特性。

(2)該試劑通過(guò)傅里葉變換紅外光譜 (FT-IR) 掃描其組成成分表征共晶體系中氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成且無(wú)新化合物產(chǎn)生。

(3)將Urea-Gyl-DES分別加入水基鉆井液中,其抗溫性能良好且與水基鉆井液體系適配度良好。所以該試劑應(yīng)用前景良好。

同時(shí),隨著環(huán)保意識(shí)與環(huán)保政策發(fā)展,兼顧經(jīng)濟(jì)效益,高性能水基鉆井液優(yōu)化的必要性與日俱增。DES擁有成本低、制備更簡(jiǎn)單、可生物降解并具有100%原子利用率和生物相容性及無(wú)毒無(wú)害等綠色特性,這正符合我國(guó)鉆探綠色發(fā)展理念,應(yīng)大力挖掘DES在鉆井中的價(jià)值。并且從杜南理論及其延伸理論出發(fā),利用低活度水基鉆井液達(dá)到井壁穩(wěn)定的應(yīng)用取得了很多好的效果,本文對(duì)目前常用的水活度調(diào)節(jié)劑進(jìn)行梳理與歸納發(fā)現(xiàn)目前常用活度調(diào)節(jié)劑單體較為單一,所以,活度調(diào)節(jié)劑方向仍需進(jìn)一步研發(fā)。應(yīng)擴(kuò)大原料范圍,開(kāi)發(fā)以環(huán)保性能為立足點(diǎn)的新型降低離子活度度試劑和抗高溫抑制劑。