油基鉆井液主乳化劑的合成及性能評(píng)價(jià)

丁 磊，羅春芝，肖瑞雪 （長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

馬來(lái)松香是由松香和馬來(lái)酸酐反應(yīng)得到的，主要用于制造油墨、油漆、涂料、膠黏劑等［1－3］。隨著我國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)的全面鋪開(kāi)，油基鉆井液得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［4］，而油基鉆井液的關(guān)鍵在于主乳化劑的選擇。研究表明，馬來(lái)松香可作為油基鉆井液的主乳化劑［5］，但其乳化性能與松香的軟化點(diǎn)、原料比及合成條件關(guān)系很大。為此，筆者在室內(nèi)選擇不同軟化點(diǎn)的松香，在一定條件下合成了一系列馬來(lái)松香樣品，再?gòu)闹袃?yōu)選出乳化性能最好的樣品并確定其軟化點(diǎn)。并以此為基礎(chǔ)，改變松香與馬來(lái)酸酐的比例，合成了一系列馬來(lái)松香樣品，并對(duì)其乳化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 樣品合成及其物性分析

1.1 主要原料

松香 （工業(yè)級(jí)）；馬來(lái)酸酐 （工業(yè)級(jí)）；丙三醇 （工業(yè)級(jí)）；CaO （工業(yè)級(jí)）。

1.2 合成方法

首先稱(chēng)取一定量的松香于三口燒瓶中，將三口燒瓶放于油浴鍋中加熱，待松香完全熔化后，向三口燒瓶中加入馬來(lái)酸酐，當(dāng)溫度上升到176℃左右時(shí)添加丙三醇，然后使溫度上升到200～203℃，加入催化劑，恒溫反應(yīng)4h，反應(yīng)結(jié)束后，倒出反應(yīng)產(chǎn)物，冷卻并粉碎后即得到馬來(lái)松香樣品。

1.3 松香軟化點(diǎn)的確定

選用不同軟化點(diǎn)的松香為原料，合成5個(gè)馬來(lái)松香樣品。在油基鉆井液基本配方中加入3%樣品配制成油基鉆井液體系，以濾失量和破乳電壓為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià) （見(jiàn)表1）。由表1可知，以軟化點(diǎn)為124℃的松香為原材料合成的馬來(lái)松香樣品配制的油基鉆井液濾失量最小，破乳電壓最高，由此可以看出該樣品的乳化性能最好。因此，選擇軟化點(diǎn)為124℃的松香為最佳松香。

表1 不同軟化點(diǎn)松香對(duì)馬來(lái)松香性能的影響

1.4 原料配比的確定

改變松香及馬來(lái)酸酐的摩爾數(shù)比，其他條件保持一致，合成7個(gè)樣品。在油基鉆井液基本配方中加入3%樣品配制成油基鉆井液體系，以濾失量和破乳電壓為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)（見(jiàn)表2）。從表2可以看出，隨著松香和馬來(lái)酸酐摩爾比的增加，鉆井液濾失量先下降后上升，破乳電壓先上升后下降，流變性參數(shù)基本呈上升趨勢(shì)。當(dāng)松香和馬來(lái)酸酐摩爾比為2.4∶1時(shí)，合成樣品所配制出的油基鉆井液體系的濾失量最小，破乳電壓最大，流變性也能很好滿足現(xiàn)場(chǎng)鉆井要求。因此，松香和馬來(lái)酸酐最佳原料比為2.4∶1。

表2 原料配比對(duì)馬來(lái)松香性能的影響

1.5 樣品紅外光譜分析

對(duì)合成樣品進(jìn)行了紅外光譜分析 （見(jiàn)圖1）。從圖1可以看出：2939.95cm－1為—CH3伸 縮 振 動(dòng)峰，1694.98cm－1為C═ C伸縮振動(dòng)峰，1354.03～1041.89cm－1為環(huán)酸酐伸縮振動(dòng)峰，3372.11cm－1為—OH 伸縮振動(dòng)峰，1602.33cm－1為C═ O的伸縮振動(dòng)峰。該樣品的紅外光譜圖與馬來(lái)松香標(biāo)準(zhǔn)譜圖相符，從而證實(shí)該樣品為馬來(lái)松香。

2 性能評(píng)價(jià)

圖1 樣品的紅外光譜圖

2.1 乳化性能

室內(nèi)選擇油田現(xiàn)場(chǎng)常用的環(huán)烷酸鈣、EZ－MUL（哈里伯頓）和市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的馬來(lái)松香1、馬來(lái)松香2進(jìn)行乳化性能對(duì)比評(píng)價(jià)。在油基鉆井液基本配方中分別加入3%的主乳化劑配制成油基鉆井液，在120℃條件下滾動(dòng)老化16h，以濾失量和破乳電壓為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)不同主乳化劑的乳化性能 （見(jiàn)表3）。從表3可以看出，與其他幾種乳化劑相比較，以合成樣品為主乳化劑的油基鉆井液流變性參數(shù)能滿足安全鉆井要求，濾失量最小，破乳電壓最高，鉆井液最穩(wěn)定，說(shuō)明合成樣品的乳化性能最好。

表3 不同乳化劑對(duì)油基鉆井液體系性能的影響

2.2 樣品加量對(duì)油基鉆井液體系性能的影響

在油基鉆井液基本配方中加入不同加量的樣品配制出不同油基鉆井液，在120℃下滾動(dòng)老化16h，以濾失量和破乳電壓為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)樣品加量對(duì)油基鉆井液體系性能的影響 （見(jiàn)表4）。從表4可以看出，隨樣品加量的增加，鉆井液濾失量、破乳電壓先下降后上升，流變性參數(shù)變化不大。當(dāng)樣品加量為2.5%～3.5%時(shí)，鉆井液的API濾失量及高溫高壓濾失量均較低，破乳電壓較大，流變性也能滿足鉆井要求。因此確定樣品的最佳加量在2.5%～3.5%之間。

表4 樣品加量對(duì)油基鉆井液體系性能的影響

2.3 抗溫性能

在油基鉆井液基本配方中加入3%樣品配制成油基鉆井液，在不同溫度下滾動(dòng)老化16h，以濾失量和破乳電壓為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)溫度對(duì)樣品乳化性能影響 （見(jiàn)表5）。從表5可以看出，隨溫度的升高，鉆井液流變性變化很小，濾失量略有增加，破乳電壓稍下降。溫度為150℃時(shí)，鉆井液各項(xiàng)性能仍均能滿足要求；溫度為160℃時(shí)，鉆井液各項(xiàng)性都有下降，但還能滿足鉆井要求，這表明以合成樣品為主乳化劑的油基鉆井液的抗溫性能較好。

表5 溫度對(duì)樣品乳化性能影響

2.4 抗鹽性能

在油基鉆井液基本配方中加入3%樣品配制成油基鉆井液，在該鉆井液中加入不同加量的NaCl，在120℃下滾動(dòng)老化16h，以濾失量和破乳電壓為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)NaCl對(duì)樣品乳化性能的影響 （見(jiàn)表6）。從表6可以看出，隨NaCl加量增加，鉆井液流變性參數(shù)變化不大，濾失量增大，破乳電壓下降。只是當(dāng)NaCl加量超過(guò)10%時(shí)，濾失量增大到不能滿足安全鉆井要求，破乳電壓也接近臨界值，表明鉆井液穩(wěn)定性受到一定影響。總體而言，以合成樣品為主乳化劑的油基鉆井液的抗鹽性能較好。

表6 鹽加量對(duì)油基鉆井液性能的影響

3 結(jié) 論

（1）樣品最佳合成條件為：松香軟化點(diǎn)為124℃；松香與馬來(lái)酸酐的摩爾比為2.4∶1。

（2）與常用油基鉆井液乳化劑及市售的馬來(lái)松香相比，合成樣品的乳化性能最好。

（3）合成樣品加量為2.5%～3.5%時(shí)，油基鉆井液的流變性能很好地滿足鉆井要求。

（4）以合成樣品為主乳化劑的油基鉆井液的抗溫、抗鹽性能較好。

［1］宋湛謙 .利用松脂資源發(fā)展精細(xì)化工 ［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，1994，14（1）：68－73.

［2］張廣友，張晉康，黃希壩 .松香為原料表面活性劑的合成與發(fā)展趨勢(shì) ［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，1993，13（1）：89－96.

［3］趙小紅，梁柏林 .以應(yīng)用性能為導(dǎo)向的熔融法微波輔助加熱合成馬來(lái)松香 ［J］.應(yīng)用化工，2011，40（10）：1800－1803.

［4］王中華 .頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)及選用原則 ［J］.中外能源，2012，17（4）：43－47.

［5］張國(guó)運(yùn) .松香系列表面活性劑的合成和應(yīng)用 ［J］.日用化學(xué)工業(yè)，2004，34（2）：105－107.