油基增黏提切劑VSSI的制備和性能評價

(中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北 三河 065201) (天津中海油服化學有限公司，天津 300450)

增黏提切劑是油基鉆井液的關鍵處理劑。已有許多學者對油基鉆井液增黏劑進行了研究[1～4]，現報道的增黏提切劑普遍為高分子類提切劑[5～12]，以改性丙烯酸類提切劑、苯乙烯類提切劑為主，這些提切劑的普遍特點是在分子中引入了適量的極性基團，其極性基團通過靜電引力、氫鍵和其他基團的相互作用，形成較穩定、比表面積較大的網絡結構，并且增黏提切劑分子中的長烷基直鏈之間也可以通過締合作用形成網絡結構。下面，筆者采用二聚脂肪酸和二乙烯三胺制備油基鉆井液增黏提切劑VSSI。

1 增黏提切劑VSSI的制備

1.1 試驗試劑

二聚脂防酸(CAS 61788-89-4，工業級，北京欣賽維化學科技有限公司)；二乙烯三胺(CAS 111-40-0，分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；三乙二醇單丁醚(CAS 143-22-6，工業級，南京古田化工有限公司)。

1.2 VSSI的制備難點

由于在反應合成過程中隨著增黏提切劑VSSI的生成反應體系變得越來越黏稠，在反應中后期體系生成水不易排出，使得反應變慢(或反應不徹底)；且由于黏度大，易受熱不均勻使得局部交聯過度出現固化生成固態酰胺樹酯。向反應體系中加入三乙二醇單丁醚能夠降低體系黏度，使反應時間縮短至不到50min。這是因為:①三乙二醇單丁醚作為稀釋溶劑在反應過程中穩定性好(沸點271℃)，不參與反應，極性較強；②三乙二醇單丁醚降低產品黏度使反應容易脫水，縮短反應時間；③不再需要充氮氣，降低生產成本。

制備的增黏提切劑VSSI分子量較高且分子網架結構較強，但VSSI在基礎油中的溶解速度慢，不利于現場使用。為了解決在不改變VSSI本身結構強度的情況下改善其在基礎油中的溶解速度，需要尋找合適的助溶劑或溶劑。因此，在制備過程后期引入溶劑將其稀釋，可以極大地縮短VSSI在基礎油中的溶解速度。

1.3 VSSI的制備工藝

①在帶有攪拌器、加熱裝置、溫度計、滴液漏斗和脫水裝置的四口瓶中，加入一定量的二聚脂肪酸；②加入一定量的三乙二醇單丁醚 ，攪拌均勻并開始加熱，將二乙烯三胺通過滴液漏斗緩緩滴入四口瓶中；③待滴完后升溫至160℃，保持該溫度至不再有水脫出后繼續反應15 min；④反應結束后降溫至100℃，加入溶劑稀釋，攪拌均勻后降溫即制得可用于油基鉆井液的增黏提切劑VSSI。

2 增黏提切劑VSSI分子結構

VSSI紅外光譜如圖1(a)所示。3200～3500cm-1處為酰胺基團的N—H伸縮振動， 3069cm-1處為—C==C—H伸縮振動峰，2920.85cm-1和2853.85cm-1處為—CH2—伸縮振動峰，1739cm-1處為C==O的伸縮振動峰，1453.92、1730.12、721.33cm-1處為C—H面外彎曲振動峰。

圖1 增黏提切劑 VSSI 合成結果

VSSI的三維分子如圖1(b)所示。增黏提切劑的分子間長烷基鏈比較近，可以通過締合作用形成網架結構；分子內的酰胺基團也較近，基團間的靜電力和氫鍵作用鍵能會較大，結構不易被破壞。由于極性基團含量較高，VSSI增黏提切劑分子間的作用力也較強。

3 增黏提切劑VSSI性能評價

3.1 VSSI在基礎油中的性能評價

試驗步驟：①量取3#白油400mL倒入到高攪杯中，在10000r/min條件下邊攪拌邊加入增黏提切劑(精確至0.01g)，高速攪拌20min，使其充分分散；②將3#白油和基漿分別倒入老化罐，在120℃下熱滾16h，冷卻至60℃，高速攪拌5min，測量60℃時基漿的流變性能，試驗結果見表1。

表1 增黏提切劑VSSI在基礎油中的流變性能

注：PF-MOD為中海油服自有油基鉆井液增黏提切劑;Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100分別為六速旋轉黏度計600、300、200、100r/min對應的讀值。

圖2 基漿流變性隨溫度變化曲線

由表1可以看出，增黏提切劑PF-MOD、聚苯乙烯樹脂和VSSI都能提高基礎油的黏度和屈服值；但VSSI增黏提切效果好于商品化的油基鉆井液流型調節劑PF-MOD和無極性官能團的聚苯乙烯樹脂。

再分別測試30、40、50、60、70、80℃時基漿流變性，試驗結果如圖2所示。VSSI在30～80℃能顯著地提高基礎油的黏度和切力，效果要明顯優于商品化的油基鉆井液流型調節劑PF-MOD和無極性基團聚苯乙烯樹脂。

3.2 VSSI在高溫高密度無土相油基鉆井液體系中的性能評價

為了提高在高密度油基鉆井液中的懸浮性能，通常增加有機土的加量來提高鉆井液體系的切力，但會帶來鉆井液中的固相含量、靜切力過高等問題。將制備的增黏提切劑VSSI用于高溫高密度無土相油基鉆井液體系中，鉆井液的基礎配方為：3#白油+增黏提切劑VSSI+(0.5%～1%)PF-MOMUL(主乳化劑)+(0.5%～1.5%)PF-MOCOAT(輔乳化劑)+(0.6%～1.5%)PF-MOWET(潤濕劑)+25%CaCl2水溶液+(1.5%～3%)CaO+(2%～4%)降濾失劑+重晶石(配方中的百分數為質量分數)。

無土相油基鉆井液的性能見表2。可以看出,無土相油基鉆井液中加入VSSI后體系的動切力明顯增加，破乳電壓提高，即體系的懸浮能力增加，說明VSSI在無土相油基鉆井液中具有明顯的增黏提切作用；隨著VSSI質量分數的增加，鉆井液的動切力增加明顯大于塑性黏度的增加，且鉆井液的動態沉降隨著VSSI質量分數的增加而降低，說明其提切效果明顯高于提黏效果，因此使用油溶性的液體增黏提切劑VSSI替代膠凝性強的有機土可以有效地提升鉆機的機械鉆速；在260℃的熱滾條件下，該無土相油基鉆井液體系具有獨特的流變性特性，可以提供很強的懸浮能力。

表2 無土相油基鉆井液性能

注：1#-4#鉆井液配方為3#白油+增黏提切劑VSSI+1.2% PF-MOMUL(主乳)+0.5%PF-MOCOAT(輔乳)+3%PF-

MOWET(潤濕劑)+25%CaCl2水溶液+1%CaO+5%OD-1(降濾失劑)(密度2.0g/cm3，油水體積比為 85∶15，試驗條件為200℃×16h);5#鉆井液配方為3#白油+增黏提切劑VSSI+1% PF-MOMUL(主乳)+1.5% PF-MOCOAT(輔乳)+1.5%PF-MOWET (潤濕劑)+25%CaCl2水溶液+2%CaO+3% PF-MOTROL(降濾失劑)(密度2.2g/cm3，油水體積比為90∶10，試驗條件為260℃×16h)。

4 結論

1) 采用二聚脂防酸和二乙烯三胺制備了分子量高、結構強的油基增黏提切劑VSSI，并且解決了制備過程中的黏度高及在基礎油中溶解速度慢的問題。

2)高性能油基鉆井液提切劑VSSI在3#白油中有良好的增黏提切性能，在高溫高密度的無土相油基鉆井液中性能穩定。