抗高溫油基鉆井液用提切劑的研制及性能評(píng)價(jià)

孫偉，彭潔，王倩，趙海峰，季亮

(1.中聯(lián)煤層氣國(guó)家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 102200；4.中石油煤層氣公司韓城分公司，陜西 韓城 715400)

與水基鉆井液相比，油基鉆井液具有防塌效果好、抗污染能力強(qiáng)、良好的熱穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性等特點(diǎn)。提切劑是油基鉆井液的核心處理劑之一，油基鉆井液的切力直接影響到攜巖效果、重晶石沉降、當(dāng)量循環(huán)密度、激動(dòng)壓力等。只有適當(dāng)控制切力并保持其穩(wěn)定，才能成功鉆探復(fù)雜井，尤其是深水井、高溫高壓井和安全密度窗口窄的井段[1-4]。國(guó)內(nèi)目前主要使用有機(jī)土作為增黏提切劑，改善其流變性能，提升對(duì)于加重材料及鉆屑的懸浮與攜帶能力，但有機(jī)土活化慢，降低了鉆井液的固相容量，易污染低滲透儲(chǔ)層，并且在高溫下易稠化，進(jìn)而導(dǎo)致油基鉆井液的使用壽命降低甚至使其失效[5-11]。為此，筆者以飽和脂肪酸二聚體、多元醇胺以及多烯多胺為原料，采用四元聚合法合成一種抗高溫油基鉆井液提切劑，并對(duì)其性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。通過測(cè)定不同油水比、提切劑含量等條件下的流變曲線來(lái)研究該提切劑對(duì)油基鉆井液切力的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明鉆井液切力大幅上升；通過設(shè)置溫度梯度(150～240 ℃)來(lái)測(cè)定提切劑的抗高溫性能，抗溫可達(dá)220 ℃；分析了其化學(xué)結(jié)構(gòu)、電穩(wěn)定性和降濾失性，并在油基和合成基鉆井液體系中評(píng)價(jià)提切劑對(duì)體系切力和其他性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 儀器與試劑

Ofite900型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，美國(guó)OFITE公司；FANN-23E型電穩(wěn)定性測(cè)試儀，美國(guó)Fann公司；GGS71-B型高溫高壓濾失儀，青島海通達(dá)專用儀器廠。

二聚酸(OA)，虹宇化工有限責(zé)任公司;二乙烯三胺(DETA)，桑菲經(jīng)貿(mào)有限公司；二乙醇胺(DEA)，仁恒化工有限公司；三乙醇胺(TEA)，仁恒化工有限公司。

1.2 提切劑的合成

使用純度98%二聚酸、二乙烯三胺和二乙醇胺在165 ℃條件下反應(yīng)，使用圓底四口燒瓶，將其放置在數(shù)顯控溫電加熱套上，安裝多功能攪拌器和溫度實(shí)時(shí)測(cè)量裝置。然后按n(二聚酸)∶n(二乙烯三胺)∶n(二乙醇胺)=1∶1∶0.34加入到四孔燒瓶中。調(diào)節(jié)電加熱套的溫控裝置升溫至165 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h，剛開始用低速攪拌，待反應(yīng)穩(wěn)定后調(diào)高攪拌速度，約200～300 r/min。待反應(yīng)結(jié)束，觀察合成物顏色及黏稠度，降溫至60 ℃出料。直接使用合成后的產(chǎn)品進(jìn)行表征及性能評(píng)價(jià)。提切劑的合成過程如圖1所示。

圖1 提切劑的合成過程

1.3 提切劑性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)配方為5#白油+CaCl2水溶液+乳化劑+合成的提切劑FPR-1+2%有機(jī)土+2%CaO+4%降濾失劑+400 g重晶石(ρ=1.5 g/cm3)。首先，配制不同油水比的基液，如10∶0(全油基)、8∶2、7∶3等，然后，將提切劑加入到基液中，分別對(duì)不同加量的提切劑做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，再使用旋轉(zhuǎn)黏度儀、HTHP濾失量測(cè)定儀、破乳電壓儀等儀器測(cè)試提切劑FPR-1的性能。

1.4 提切劑的表征

1.4.1 紅外分析

圖2是聚合物FPR-1的紅外光譜。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在3 400 cm-1處出現(xiàn)一個(gè)尖峰是分子內(nèi)氫鍵—CO—NH—的特征吸收峰； 2 929 cm-1為—CH2—基團(tuán)的對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰；1 655 cm-1為羰基—C=O特征吸收峰；1 413 cm-1為—C—N—骨架振動(dòng)吸收峰；1 295 cm-1為醇胺中—C—O—鍵振動(dòng)吸收峰；1 191、1 134、1 025 cm-1等為羥基—OH不對(duì)稱伸縮振動(dòng)特征峰；分析表明FPR-1分子鏈上具有單體中存在的特征官能團(tuán)，說(shuō)明合成方案可行，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的分子結(jié)構(gòu)。

圖2 FPR-1紅外光譜

1.4.2 相對(duì)分子質(zhì)量分析

提切劑的相對(duì)分子質(zhì)量影響著提切劑的性能，本文中合成的提切劑相對(duì)分子質(zhì)量可以通過各個(gè)反應(yīng)物的相對(duì)分子質(zhì)量計(jì)算得到，其中，二聚酸的相對(duì)分子質(zhì)量為564.92，二乙烯三胺相對(duì)分子質(zhì)量為103.17，二乙醇胺相對(duì)分子質(zhì)量為105.14，三乙醇胺相對(duì)分子質(zhì)量為149.19，由提切劑反應(yīng)方程式可以計(jì)算，合成的提切劑相對(duì)分子質(zhì)量大約在1 000。從聚合物角度來(lái)看，由于FPR-1提切劑的相對(duì)分子質(zhì)量很小，加入之后不會(huì)影響油包水乳液的內(nèi)部摩擦力，所以不會(huì)增加鉆井液的塑性黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同油水比對(duì)基漿流變性及電穩(wěn)定性的影響

2.1.1 不同油水比對(duì)流變性的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在配制油基鉆井液的過程中，隨著不斷改變其油水比，其稀稠度也發(fā)生了變化，因此可以判定其流變性能也在發(fā)生變化，使用黏度計(jì)測(cè)得不同油水比的六速黏度并計(jì)算出表觀黏度、塑性黏度及動(dòng)切力，配方為5#白油+乳化劑+20%CaCl2水溶液+有機(jī)土+CaO+降濾失劑+重晶石(ρ=1.5 g/cm3)，測(cè)試溫度65 ℃，具體數(shù)據(jù)及分析如表1和圖3所示。

表1 不同油水比鉆井液基漿流變參數(shù)數(shù)據(jù)表

圖3 鉆井液的剪切應(yīng)力隨油水比的變化曲線

由表1和圖3可以看出，測(cè)得油基泥漿的剪切應(yīng)力(儀器讀數(shù))隨油水比的不斷降低而變大，增加趨勢(shì)由剛開始的緩慢升高，然后增長(zhǎng)速度變快，最后趨于穩(wěn)定，剪切應(yīng)力上升到某一固定值后，油水比繼續(xù)降低，剪切應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

此外，油水比在5∶5前后，鉆井液的剪切應(yīng)力讀數(shù)浮動(dòng)較大，剪切應(yīng)力變化較大，這是因?yàn)轶w系中水相高于油相之后，鉆井液中油滴被沖散，其黏滯性增強(qiáng)。

由圖4可知，油水比從10∶0降低到1∶9，其表觀黏度曲線和塑性黏度曲線持續(xù)上升，黏度變大，這說(shuō)明油水比居于中間偏大的比例為最佳，在保持較好的流動(dòng)性時(shí)，切力越大越有利于攜巖和控制固相含量。

圖4 不同油水比鉆井液基漿表觀黏度及塑性黏度變化

由圖5可知，鉆井液動(dòng)切力隨油水比的降低逐漸增大，在油水比等于5∶5前后變化較大，這是因?yàn)榱黧w從塑性流體變成了假塑性流體，油水比不斷降低，體系中的水相含量過多，已經(jīng)將鉆井液的油滴完全沖散，使鉆井液已由W/O型變成了O/W型乳狀液，所以油水比小于5∶5的情況不符合油基鉆井液體系的條件。

圖5 不同油水比鉆井液基漿動(dòng)切力變化

2.1.2 穩(wěn)定性測(cè)試分析

在油基鉆井液體系中，破乳電壓值越大，油包水乳液越穩(wěn)定，破乳電壓大于400 V表示體系復(fù)合穩(wěn)定指標(biāo)。具體測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。

從表2及圖6可知，隨著油水比的不斷減小，其破乳電壓不斷下降，當(dāng)油水比小于5∶5時(shí)，破乳電壓已低于400 V，油包水乳液被破壞，體系破乳，不能滿足鉆井液的穩(wěn)定性要求，所以油水比8∶2和9∶1為最佳。

表2 不同油水比油基鉆井液的破乳電壓數(shù)據(jù)表

圖6 不同油水比油基鉆井液的破乳電壓

2.2 提切劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)油基鉆井液的影響

在測(cè)試提切劑FPR-1加量對(duì)鉆井液性能影響的實(shí)驗(yàn)中，主要考慮了在油基鉆井液中分別加入了0、1%、2%、3%、4%的FPR-1提切劑，測(cè)出其流變性與電穩(wěn)定性，優(yōu)選出提切劑發(fā)揮作用的最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3及圖7可分析出提切劑加量對(duì)油基鉆井液切力(動(dòng)靜切力)大小的影響，在提切劑加量小于2%時(shí)，鉆井液動(dòng)切力與靜切力增加不顯著，從提切劑w(FPR-1)=0時(shí)的切力為6.132，w(FPR-1)=1%時(shí)的切力為7.154，提切效果不明顯；當(dāng)提切劑加量大于2%時(shí)，動(dòng)切力與靜切力均急劇增加，提升到13以上，提切效果顯著，且加入提切劑之后，油基體系的破乳電壓也保持較高數(shù)值的穩(wěn)定，均處于1 400 V左右，滿足要求。

表3 FPR-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)流變性與電穩(wěn)定性影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖7 FPR-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鉆井液切力的影響

2.3 提切劑的抗溫性能評(píng)價(jià)

為了考察FPR-1提切劑在鉆井液中的抗溫性能，在油基鉆井液體系中加入FPR-1提切劑，由2.2中實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析出2%的提切劑加量能起到良好的提切效果，因此選用2%這個(gè)量是最合適的。在抗溫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，選取了150、180、200、220、240 ℃ 5個(gè)老化溫度條件。配方為320 mL 5#白油+6%乳化劑+2%提切劑+2%有機(jī)土+80 mL 20%CaCl2水溶液+4%降濾失劑+2%CaO+400 g重晶石(油水比80∶20；密度1.5 g/cm3)。

表4為不同老化溫度對(duì)提切劑和鉆井液體系的影響，圖8是動(dòng)切力變化趨勢(shì)。

表4 不同老化溫度對(duì)提切劑和鉆井液體系的影響

圖8 動(dòng)切力變化趨勢(shì)

由表4和圖8所示，加入提切劑FPR-1后，油基鉆井液的表觀黏度AV，塑性黏度PV和動(dòng)切力YP均大幅度增加，提切效果十分明顯。然后，經(jīng)過不同溫度條件下的熱滾，提切效果仍然明顯，說(shuō)明加入提切劑后該油基體系在不同溫度下性能穩(wěn)定。由此看出，在不同溫度下，該提切劑在發(fā)揮作用的同時(shí)并沒有破壞體系整體的穩(wěn)定性。在溫度升高到240 ℃時(shí)，鉆井液中加入的提切劑空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到了破壞，提切劑受高溫分解失效，因此，提切劑FPR-1抗溫可達(dá)220 ℃。

3 結(jié) 論

a.以飽和脂肪酸二聚體、多元醇胺以及多烯多胺為原料，采用四元聚合的方法合成了一種抗高溫油基用提切劑FPR-1，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明合成的聚合物提切劑與實(shí)驗(yàn)初期的設(shè)計(jì)一致。

b.測(cè)定不同油水比條件下的各個(gè)油基鉆井液流變參數(shù)及其電穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)分析得到油水比8∶2為最佳。然后，對(duì)提切劑加量進(jìn)行梯度測(cè)試，優(yōu)選出能達(dá)到很好提切效果的提切劑最少加量為2%，此時(shí)的靜切力Φ6/Φ3=13/12，破乳電壓約1 400 V，提切效果顯著。

c.研制的提切劑FPR-1能有效提高油基鉆井液體系的表觀黏度、塑性黏度及動(dòng)切力，加入提切劑FPR-1后，測(cè)試的油基鉆井液流變性能良好，破乳電壓Es升高，HTHP濾失量變小，且該提切劑能使體系有較高的剪切稀釋性，有利于鉆井過程中的破巖和返排時(shí)攜帶巖屑。另外，該提切劑的熱穩(wěn)定性十分好，加入該提切劑后，鉆井液體系抗溫可高達(dá)220 ℃，不影響體系的整體穩(wěn)定性，對(duì)鉆探深井、高溫高壓井以及復(fù)雜井有重要指導(dǎo)作用，是一種良好的油基鉆井液用提切材料。