胺類抑制劑ZC-NW的合成及評價

劉磊,趙廣淵，郭宏峰,黃俠,李翔,萬永乾,何德磊,徐明飛

(中海油田服務股份有限公司油田生產事業部，天津 300459)

胺類水基鉆井液是近幾年國外發展起來的一種高性能強抑制水基鉆井液體系[1-2]，其性能已接近或達到油基鉆井液性能，應用方便且環保。胺類水基鉆井液技術核心部分是胺類抑制劑的應用。國內外對胺類抑制劑[3]進行了多項研究，并取得了許多階段性成果[4-6]。國外麥克巴ULTRADRILL體系和貝克休斯HPWBM體系具備油基鉆井液優異的潤滑性和抑制性，取得了很好的應用效果。國內報道較多、應用效果較好的主要有以下幾種：聚胺抑制劑NH-1、UHIB、SDPA、SIAT、BZ-AN1等，但對胺類處理劑的合成工藝技術等的研究還不是很多，本文室內合成了ZC-NW胺類抑制劑并對其進行了表征和性能評價。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

環氧氯丙烷、甲醇、三甲胺(33%水溶液)、氯化鉀、膨潤土(鈉基)均為分析純；防膨劑JX-1，工業品。

NP-01型常溫常壓膨脹量測定儀；KA-1000臺式離心機；ZNN-D6 型六速旋轉粘度計；XGRL-4A型滾子加熱爐；NICOLET 6700 FTIR紅外光譜儀。

1.2 實驗方法

在30 ℃的水浴溫度下，將三甲胺和環氧氯丙烷倒入裝有溫度計、攪拌器和冷凝管的三口燒瓶中，調整體系的pH值為2，再加入5%的甲醇作增溶劑，按照設計要求控制反應溫度和反應時間，反應后得到胺類抑制劑。反應結束后將反應裝置改為蒸餾裝置，提純得到反應產物。

2 結果與討論

2.1 抑制劑合成條件的篩選

2.1.1 原料配比對膨脹率的影響 在反應溫度為60 ℃，反應時間為7 h時，控制環氧氯丙烷與三甲胺的摩爾比分別為0.5,0.75,1,1.25,1.5進行實驗。測定環氧氯丙烷與三甲胺摩爾比對膨脹率的影響，結果見圖1。

圖1 摩爾比對膨脹率的影響

由圖1可知，當摩爾比<1時，膨脹率隨環氧氯丙烷與三甲胺摩爾比的增大而減少，摩爾比>1時，膨脹率隨著環氧氯丙烷與三甲胺摩爾比的增大而增大。當環氧氯丙烷與三甲胺摩爾比為1時，產物膨脹率為28.50%,此時產物對膨潤土的膨脹率最小。即在摩爾比為1時抑制性最好。

2.1.2 反應溫度對膨脹率的影響 在原料摩爾比為1，反應時間為7 h時，控制反應溫度分別為50,60,70,80,90 ℃進行合成實驗，測定不同反應溫度對膨脹率的影響，結果見圖2。

圖2 反應溫度對膨脹率的影響

由圖2可知，在反應溫度<80 ℃時，實驗膨脹率隨溫度的增大而呈減少趨勢；當反應溫度>80 ℃時，實驗膨脹率隨溫度的增大而增大。即在反應溫度為80 ℃時，產物的膨脹率為25.60%，此時產物對膨潤土的膨脹率最小，即在溫度為80 ℃時抑制性最好。

2.1.3 反應時間對膨脹率的影響 在環氧氯丙烷和三甲胺的摩爾比為1，反應溫度為80 ℃時，控制反應時間分別為7,7.5,8,8.5,9 h進行合成實驗。測定不同反應時間對膨脹率的影響，結果見圖3。

圖3 反應時間對膨脹率的影響

由圖3可知，隨著反應時間從7 h逐漸增加至9 h，產物的膨脹率從28.14%降低至23.82%，當反應時間達到8 h后，產物膨脹率基本不變，此時產物膨脹率為23.92%。從反應時間和能量的角度來看，體系的最佳反應時間為8 h。

綜上，從單因素實驗得到反應的最佳條件為：反應物摩爾比1∶1，反應時間為8 h，反應溫度為80 ℃。

2.2 抑制劑的紅外光譜分析

將胺類抑制劑產物進行了紅外光譜分析，結果見圖4。

圖4 三甲胺-環氧氯丙烷產物紅外光譜圖

由圖4可知，在紅外光譜1 636.26 cm-1處為N—H的振動吸收峰；紅外光譜1 482.67 cm-1處為—CH2—的彎曲振動吸收峰；紅外光譜1 096.01 cm-1處是CH—OH的C—O的伸縮振動峰；紅外光譜981.82 cm-1處是季銨鹽的特征吸收峰。由于胺類抑制劑產物中有水存在，在紅外光譜的3 300 cm-1(3 381.23 cm-1)附近處出現了水的吸收峰。

2.3 抑制劑的抑制性能評價

2.3.1 體積膨脹實驗 圖5為ZC-NW胺類抑制劑、JX-1抑制劑和KCl在不同濃度梯度下的膨脹率。

圖5 不同溶液在不同濃度下對膨潤土膨脹率的影響

由圖5可知，ZC-NW胺類抑制劑對膨潤土膨脹率的影響比相同濃度的KCl和JX-1抑制劑小，其中1%ZC-NW胺類抑制劑的膨脹率為16.38%。

2.3.2 巖屑滾動回收實驗 分別將60～80目巖屑顆粒加入清水、1%ZC-NW胺類抑制劑、1%JX-1抑制劑、1%KCl溶液中，攪拌均勻，密封在老化罐中120 ℃下滾動16 h，測試巖屑回收率并用激光粒度分析儀測定巖屑在溶液中的分布規律。在ZC-NW胺類抑制劑加量為1%時，巖屑滾動回收率分別為76.32%,69.78%,53.25%。由表1可知，ZC-NW胺類抑制劑對巖屑具有較強的抑制作用，從顆粒粒徑為1～10 μm范圍體積分數和分散的粒徑中值來看，3種抑制劑抑制能力的強弱順序為：ZC-NW胺類抑制劑>JX-1抑制劑>KCl。

表1 巖屑在不同溶液中的激光粒度分析結果

2.4 抑制劑與鉆井液性能評價

向燒杯中加入一定量的淡水，加入0.2%的碳酸鈉和4.0%的膨潤土，攪拌2 h，密封放置老化24 h后。向基漿中分入0.5%ZC-NW胺類抑制劑后，室溫性能見表2。

表2 室溫下加入處理劑鉆井液的性能

由表2可知，室溫下，加入ZC-NW胺類抑制劑后，鉆井液的 AV、PV、YP、YP/PV 均明顯增大。加入0.5%ZC-NW胺類抑制劑后，鉆井液的AV提高2.64倍，YP值提高3.17倍，其FL也有所增加，為21.40 mL。黏度和切力都有所增加，濾失量也顯著增大。

3 結論

(1)環氧氯丙烷與三甲胺按摩爾比為1∶1，在80 ℃、8 h反應條件下合成的抑制劑對膨潤土抑制性最強。1%ZC-NW胺類抑制劑的反應產物的膨脹率為16.38%，巖屑回收率76.32%。

(2)室溫下，在鉆井液基漿中加入0.5%ZC-NW胺類抑制劑后，鉆井液的表觀粘度提高2.64倍，動切力提高3.17倍。黏度和切力都有所增加，濾失量也顯著增大。