單乙醇胺對水基鉆井液體系中淀粉熱穩(wěn)定性的影響

NASIRI Alireza，NIK Mohammad Amin Sharif，HEIDARI Hamidreza，VALIZADEH Majid

（1. Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran; 2. School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran; 3. Department of Chemical and Petroleum Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran）

0 引言

要確保鉆井作業(yè)成功就要選擇適當(dāng)?shù)你@井液，作業(yè)中使用的鉆井液的組成根據(jù)具體情況和需求確定[1]。聚合物是鉆井液的添加劑之一，特殊的特性使它們成為鉆井液不可或缺的組分。由于在水中的溶解度較高，淀粉是廣泛應(yīng)用于鉆井工業(yè)中的天然聚合物。淀粉的主要作用是減少失水。此外，淀粉在水中會(huì)發(fā)生膨脹，能夠提高流體的黏度。淀粉的主要缺點(diǎn)之一是在高溫高壓條件下會(huì)失效。相關(guān)學(xué)者已經(jīng)就改善淀粉熱穩(wěn)定性進(jìn)行了許多研究[2]。ZHANG C G[3-4]首次使用預(yù)膠化淀粉作為添加劑來改善鉆井液流變性能。WURZBURG O B[5]研究利用醚化淀粉來提高鉆井液中淀粉的溶解度和鉆井液黏度。LIU X等[6-8]研究了通過增加支鏈淀粉的含量來提高淀粉熱穩(wěn)定性[6-8]。由于越來越多鉆進(jìn)深度較深、壓力和溫度較高的油藏得到開采[9]，需要進(jìn)一步提高鉆井液中淀粉的熱穩(wěn)定性。因此，本文嘗試通過添加新型添加劑單乙醇胺（MEA）來提高水基鉆井液體系中淀粉的熱穩(wěn)定性，并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

1.1 單乙醇胺制備

圖1 利用甲烷和空氣制備單乙醇胺的過程[10]

單乙醇胺是液氨與環(huán)氧乙烷反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)（見圖 1）。反應(yīng)過程中需要 5～7 MPa的系統(tǒng)壓力來保持氨以液體形式存在。氨分別與1個(gè)、2個(gè)或3個(gè)環(huán)氧乙烷分子反應(yīng)，生成單乙醇胺、二乙醇胺（DEA）和三乙醇胺（TEA）。氨與環(huán)氧乙烷的比例對反應(yīng)產(chǎn)物起決定性作用，增加氨的占比會(huì)產(chǎn)生更多的MEA。反應(yīng)結(jié)束后，從系統(tǒng)中除去過量的氨并蒸餾出水分。之后，如圖2所示，3種乙醇胺通過3個(gè)單獨(dú)的蒸餾步驟彼此分離[10-12]。單乙醇胺樣品如圖3所示。

圖2 MEA蒸餾提純步驟[10]

圖3 單乙醇胺樣品

1.2 鉆井液濾失速率測量

使用API壓濾裝置[13]確定鉆井液的濾失速率，即在室溫、0.69 MPa壓力下測量30 min內(nèi)鉆井液液相從標(biāo)準(zhǔn)濾紙通過的速度以及濾紙上泥餅的厚度。

1.3 淀粉結(jié)構(gòu)

淀粉主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉這兩種聚合物組成。占比約為 25%的直鏈淀粉具有線性網(wǎng)絡(luò)，如果在水中溶解會(huì)使流體凝膠化。占比約為 75%的支鏈淀粉具有分支形式網(wǎng)絡(luò)，不容易使流體凝膠化。通常，淀粉不能在低于94 ℃的溫度下改善鉆井液流變性，因?yàn)檫@是溶解淀粉顆粒和分離聚合物所需的最低溫度。實(shí)驗(yàn)表明，淀粉可以在121 ℃下保持其結(jié)構(gòu)完整性。在更高溫度下，直鏈淀粉和支鏈淀粉單體間的鍵斷裂并轉(zhuǎn)化成吡喃葡萄糖（C6H10O5）單體[2,14]，淀粉失效。

1.4 鉆井液樣品組成

在制備不同鉆井液樣品時(shí)均使用 350 mL濃度為4%的NaCl鹽水，均添加697.6 g重晶石用于提高鉆井液密度（密度均為2.16 g/cm3），均添加14 g淀粉用于改進(jìn)鉆井液的流變參數(shù)和降低鉆井液的濾失速率，溶解時(shí)間為20 min。不同鉆井液樣品中MEA濃度分別為0、0.5%、1.0%、2.0%和4.0%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 MEA對鉆井液流變性能和濾失速率的影響

賓漢塑性流變模型中的動(dòng)切力和塑性黏度是衡量流體壓力損失的有效參數(shù)，也是研究環(huán)空流體流動(dòng)特性的合適指標(biāo)，如果其值較低會(huì)降低鉆井液的攜屑能力和環(huán)空中鉆井液的性能。由圖4可知，在溫度為121、149和160 ℃時(shí)，隨著MEA濃度的增加塑性黏度先增加后降低，而在 177 ℃時(shí)則相反。這表明 MEA能夠?qū)⒌矸鄣哪蜏靥岣叩?60 ℃，顯著改善淀粉的熱穩(wěn)定性，且MEA最佳濃度為2%。由圖5可知，不含MEA的鉆井液只能在 121 ℃以下保持其性能，溫度升至149 ℃時(shí)鉆井液動(dòng)切力降為零。這說明不添加MEA時(shí)淀粉只能在低于121 ℃的溫度下發(fā)揮其功效。而添加MEA后鉆井液的動(dòng)切力提高。

圖4 不同MEA濃度和溫度條件下的塑性黏度

由圖6可知，總體上表觀黏度隨著MEA濃度的增加而增加，且MEA最佳濃度為2%。

靜切力用于表征鉆井液形成凝膠的能力，反映了其懸浮能力。由圖7和圖8可知，添加MEA后鉆井液的初切和終切均增加。

圖5 不同MEA濃度和溫度條件下的動(dòng)切力

圖6 不同MEA濃度和溫度條件下的表觀黏度

圖7 不同MEA濃度和溫度條件下的初切

圖8 不同MEA濃度和溫度條件下的終切

考慮到鉆井液 pH值較低會(huì)導(dǎo)致管道和鉆井設(shè)備的腐蝕并增加鉆井液黏度，為保證鉆井作業(yè)成功，有必要監(jiān)測鉆井液pH值。由于MEA被認(rèn)為是胺基的弱堿，所以會(huì)將鉆井液pH值提高到9～10。圖9顯示，增加 MEA濃度會(huì)使鉆井液 pH值增加，溫度高于160 ℃后MEA的功效減弱。

圖9 不同MEA濃度和溫度條件下的pH值

鉆井液的濾失速率是鉆井液性能的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。濾失速率大會(huì)增加泥餅的厚度，可能會(huì)影響鉆井作業(yè)，甚至?xí)?dǎo)致卡鉆。如圖 10所示，不添加 MEA時(shí)，淀粉只能在不超過121 ℃的條件下控制濾失速率，在較高溫度下則失效。而添加 MEA后，在 160 ℃時(shí)鉆井液濾失量也顯著降低，且MEA濃度為2%時(shí)效果最好。由圖11可知，與不添加MEA時(shí)相比，添加2%的MEA后泥餅厚度顯著減小。

圖10 不同MEA濃度和溫度條件下的濾失量

圖11 160 ℃下不含和含MEA鉆井液的濾失量及泥餅厚度

2.2 高溫對含MEA鉆井液黏度的影響

為了研究高溫對含MEA鉆井液黏度的影響，使用了一種高溫高壓裝置——Fann 50黏度計(jì)測定黏度。實(shí)驗(yàn)中壓力為1 MPa，恒定轉(zhuǎn)速150 r/min，溫度在1 h內(nèi)從24 ℃升至160 ℃。如圖12所示，在溫度升高到54 ℃的過程中，含不同濃度MEA的鉆井液黏度都有所降低。隨著溫度繼續(xù)升高，淀粉完全溶解在水中，因此鉆井液黏度顯著增加。與不含 MEA的鉆井液相比，MEA的存在不僅增加了鉆井液黏度，還增加了水中淀粉反應(yīng)的速度。隨著溫度進(jìn)一步升高，將破壞淀粉與MEA之間的單體鍵，導(dǎo)致鉆井液黏度下降，但與不含MEA時(shí)相比，含MEA鉆井液黏度下降更緩慢。在160 ℃條件下，含 MEA鉆井液的黏度最低降低到 49 mPa·s，而不含MEA鉆井液的黏度降至20 mPa·s。因此，MEA可以提高淀粉在較高溫度下的熱穩(wěn)定性。這可能是由于MEA屬于胺，羥基官能團(tuán)產(chǎn)生氫鍵并與聚合物鏈交聯(lián)，能夠在高溫下強(qiáng)化聚合物并避免其被破壞。此外，MEA濃度為1%～2%時(shí)，鉆井液具有較高的最大黏度，在溫度較高時(shí)黏度值仍較高，且下降緩慢。

圖12 不同MEA濃度和溫度條件下的鉆井液黏度

2.3 討論

實(shí)驗(yàn)研究表明，MEA對提高淀粉的熱穩(wěn)定性具有重要作用。在含淀粉的鉆井液中，淀粉結(jié)構(gòu)中的 OH基團(tuán)與周圍的水分子形成氫鍵，防止聚合物單體的斷裂并增加了淀粉的熱穩(wěn)定性。在高于121 ℃的溫度下，因?yàn)榫酆衔飭误w在較高溫度下失去強(qiáng)度，鉆井液將失去其穩(wěn)定性且流變性能變差。而MEA具有兩種類型的氫鍵：N—H和O—H。與高負(fù)電荷的氧、氮原子共價(jià)鍵合的氫原子可獲得強(qiáng)正電荷，從而產(chǎn)生高強(qiáng)度氫鍵。添加MEA后，構(gòu)建了淀粉聚合物現(xiàn)有OH基團(tuán)與水分子之間的氫鍵，從而加強(qiáng)了淀粉聚合物附近的氫鍵，提高其熱穩(wěn)定性。MEA具有三維氫鍵結(jié)構(gòu)，因此添加MEA后可以形成淀粉聚合物三維網(wǎng)絡(luò)，從而增加鉆井液黏度。如圖4—圖10所示，在MEA濃度為4%時(shí)，鉆井液的流變性能變差、濾失速率增大?？赡苁且?yàn)镸EA的主要作用機(jī)理是改善和加強(qiáng)淀粉聚合物周圍的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，但是其濃度增加至一定值后不僅不會(huì)改善氫鍵結(jié)構(gòu)，反而會(huì)分解氫鍵并降低淀粉熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

單乙醇胺可用作水基鉆井液的新型添加劑以提高淀粉的熱穩(wěn)定性。由于與淀粉形成氫鍵，單乙醇胺可以提高淀粉的熱穩(wěn)定性，并防止其在較高溫度下被破壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加單乙醇胺可以改善鉆井液的流變參數(shù)（包括表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、靜切力等），顯著減小鉆井液的濾失速率和泥餅厚度，還能將淀粉的耐溫提高至160 ℃。對于本文所使用的鉆井液樣品，單乙醇胺的最佳濃度為1%～2%。

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