抗高溫磺化瀝青降濾失劑的室內研究

羅春芝，趙世貴（長江大學化學與環境工程學院，湖北 荊州 434023）

由于天然瀝青在水基鉆井液中分散性差，不能直接用于水基鉆井液中做降濾失劑及防塌抑制劑。將天然瀝青進行磺化，引入親水的磺酸基，提高瀝青水化分散性。當磺化瀝青的親水端吸附在泥頁巖界面上時，親油端可覆蓋在泥頁巖表面，改善泥餅質量，降低鉆井液濾失量，阻止頁巖顆粒的水化分散起到防塌作用；同時，親油部分又能填充孔喉和裂縫起到封堵作用［1］。由于磺化瀝青的降濾失性、防塌抑制性及抗溫抗鹽性與瀝青、磺化試劑、反應溫度和催化劑等因素關系很大［2～6］，尤其是磺化度對產品抗溫抗鹽性能影響很大。為了提高產品的抗溫抗鹽性，筆者改變傳統的普通攪拌反應工藝為捏合擠壓反應釜來合成樣品，使原料直接充分接觸。引入催化劑，便于降低反應溫度，提高反應速度，防止煤油揮發。引入溶劑油［7］煤油，防止瀝青成團，以便于瀝青與發煙硫酸充分反應。室內選擇不同軟化點的瀝青、在不同原料比、溫度及催化劑加量的條件下合成磺化瀝青，按中石化鉆井液用瀝青類處理劑標準［8］進行評價，優選出最佳瀝青原料及最佳反應條件，指導該類產品的生產及應用。

1 樣品的合成

1.1 主要原料

軟化點為135℃的瀝青A、軟化點為125℃的瀝青B和軟化點為110℃的瀝青C，均為阿聯酋進口工業級瀝青；0號柴油，吉林石化生產的工業級；催化劑LFG－1為自制樣品；發煙硫酸，上海振興化工化學純；NaOH，武漢中天化工化學純。

1.2 合成方法

首先稱取一定量的瀝青、0號柴油和催化劑LFG－1于捏合機中加熱捏合，待達到反應溫度后加入發煙硫酸，恒溫捏合反應4h后用NaOH調節至pH＝10，再反應1h后倒出產物，冷卻粉碎后即得到樣品。

1.3 瀝青的優選

選擇軟化點為135℃的瀝青A，軟化點為125℃的瀝青B，軟化點為110℃的瀝青C為原料瀝青，50g發煙硫酸，5g催化劑LFG－1、12.5g溶劑油，在不同溫度下合成9個樣品。并按照鉆井液用瀝青類處理劑技術標準Q／SHCG 3－2011檢測其各項性能，以高溫高壓濾失量（FLHTHP）為優選指標評價其降濾失作用。樣品配方及性能見表1。由表1可以看出，由瀝青C在不同條件下合成的磺化瀝青的FLHTHP都小于25ml，而且分散性、水溶性、油溶性等都能達到標準要求，而且在溫度為40℃、NaOH加量為95g時降濾失作用最好，故選用軟化點為110℃的瀝青C為最佳瀝青。

表1 瀝青對合成樣品質量的影響

1.4 樣品的合成及優選

選用瀝青C為瀝青原料，改變原料配比（瀝青、發煙硫酸和0號柴油）、反應溫度和催化劑的加量，按照正交試驗法合成9個樣品（見表2）。按標準Q／SHCG 3－2011檢測其FLHTHP、觀察濾餅質量（見表3），以此優選出最佳試驗配方。

表2 樣品合成正交試驗表

表3 高溫高壓濾失量及濾餅的現象

對試驗結果進行正交分析（見表4）可以看出，原料配比的極差最大，說明原料配比是影響反應的主要因素，其次是溫度和催化劑加量。各因素濾失量最小的水平為40℃、原料配比為12∶8∶1、催化劑加量為7.5g。在9組試驗中，沒有該產品，因此需要追加樣品合成。檢測追加樣品的FLHTHP為19.2ml，比15＃樣品濾失量大。從表4中可以看出，15＃樣品不僅濾失量最小，并且濾餅質量和在泥漿中的分散性也最好。所以仍選15＃為最佳樣品。

2 加量對模擬聚合物鉆井液體系性能影響

在模擬聚合物鉆井液體系中，分別加入不同加量的15＃和FT－1，在150℃下滾動16h后，評價其對鉆井液體系的性能影響（見表5、表6）。由表5可以看出，15＃加量為3%時FLHTHP為11.0ml，加量為4%時FLHTHP為10.8ml，FLHTHP下降不大，考慮鉆井液成本，最佳加量選3%。FT－1加量為3%時FLHTHP為12.4ml，加量為4%時FLHTHP為11.4ml，超過4%時FLHTHP下降不大，故其最佳加量選4%。

表4 正交表分析

表5 15＃加量對模擬聚合物鉆井液體系性能影響

表6 FT－1加量對模擬聚合物鉆井液體系性能影響

3 抗鹽性

在模擬聚合物鉆井液中加入不同加量的鹽（NaCl），評價鹽對其流變性及濾失量的影響。同理，在模擬聚合物鉆井液中分別加入3%15＃和3%FT－1，再加入不同加量的鹽，評價鹽對其流變性和濾失量的影響。試驗結果見表7。

表7 NaCl對鉆井液性能影響

由表7可以看出，隨著鹽加量的增加，模擬聚合物鉆井液和加有樣品的模擬聚合物鉆井液的API濾失量FLAPI、FLHTHP均增加；表觀黏度和動切力均下降。鹽的加量小于15%時，FLHTHP的增加都比較緩慢，但加有15＃和FT－1的鉆井液體系的黏度、切力及濾失量的變化明顯小一些。鹽的加量達到20%時，15＃和FT－1的FLHTHP都明顯增加；表明15＃和FT－1的抗鹽性能達到15%，能提高聚合物鉆井液性能的穩定性。

4 抗溫性

將加有3%15＃和FT－1的模擬聚合物鉆井液體系分別在140、150、160、170和180℃下熱滾16h，然后測定鉆井液的流變性、API濾失量和相應溫度下的FLHTHP。試驗結果見表8。

表8 抗溫性對比

從表8中可以看出，溫度在140～150℃時，15＃和FT－1的流變性和濾失量變化很小；溫度在160～170℃時，流變性參數略有下降，濾失量略增加；FT－1的高溫高壓濾失量明顯增加，表明其抗溫能力為150℃。溫度超過180℃時，15＃的API濾失量和高溫高壓濾失量增加很明顯，表明15＃抗溫能力為170℃。

5 結論

1）合成樣品的最佳條件為：軟化點為110℃的瀝青C、反應溫度為40℃、瀝青與發煙硫酸和溶劑油的比例為12∶8∶1、催化劑的加量為2%。

2）按標準Q／SHCG 3－2011檢測15＃樣品的各項性能均達到標準要求，而且高溫高壓濾失量只有17.2ml，遠小于標準（≤25.0ml）要求，表現出很強的降濾失性。

3）對比評價15＃樣品與現場使用的FT－1在模擬聚合鉆井液中的最佳加量、抗鹽性和抗溫性，結果為：15＃最佳加量3%（11.0ml），FT－1為4%（11.4ml）；15＃抗鹽為15%，FT－1抗鹽也為15%；15＃抗溫為170℃，FT－1為150℃。

4）15＃樣品最佳加量比FT－1少1%，抗溫性比FT－1高出20℃。由此可以看出15＃比現場常用的產品高溫高壓降濾失性和抗溫好，具有很好的推廣應用價值。

［1］鄢捷年.鉆井液工藝學［M］.東營：中國石油大學出版社，2011.

［2］Rodriguez－Valverde M A，Cabrerizo－Vilchez M A.Stability of highly charged particles：bitumen－in－water dispersions［J］.Colloids and Surfaces，2003，222：233～251.

［3］曹建喜.磺化瀝青的使用性能與原料瀝青化學組成的關系［J］.石油瀝青，1995（2）：26～27.

［4］蔣官澄，李濤江，都捷年，等.原料瀝青對磺化瀝青產品性能的影響［J］.油田化學，1995，12（4）：308～311.

［5］馬廣華.高軟化點瀝青分散體系的制備及穩定性研究［D］.東營：中國石油大學（華東），2013.

［6］胡金鵬，雷恒永，趙善波，等.關于鉆井液用磺化瀝青FT－1產品技術指標的探討［J］.鉆井液與完井液，2010，27（6）：85～88.

［7］王天貴，薛東峰，劉偉.粉狀磺化瀝青的質量改進［J］.河南化工，1996（3）：17～18.

［8］Q／SHCG 3－2011，鉆井液用瀝青類處理劑技術要求［S］.