油基鉆井液提切劑的合成與評(píng)價(jià)

李子鈺，于培志

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

全球具備分布廣泛且豐富的頁巖氣資源[1]，我國的頁巖氣資源儲(chǔ)量就很豐富，目前主要產(chǎn)自四川盆地[2]，已成為我國天然氣產(chǎn)量的重要組成部分。油基鉆井液可以有效避免頁巖地層的水化膨脹、維護(hù)井壁穩(wěn)定、保護(hù)儲(chǔ)層[3-4]，但高溫深井中使用的高溫高密度鉆井液流變性和穩(wěn)定性難以控制[5-6]。傳統(tǒng)的油基鉆井液均使用有機(jī)土提粘提切，但高密度條件下調(diào)整有機(jī)土并不能很有效地解決流變性問題，而新漿中過低的有機(jī)土含量又會(huì)導(dǎo)致體系切力過低[7-8]。且有機(jī)土是一種亞微米級(jí)膠質(zhì)顆粒，不利于鉆速，老化后增稠嚴(yán)重[9-11]。本文通過合成一種可以代替有機(jī)土的提切劑來解決以上問題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

高純度聚醚胺D-2000、癸二酸(99%)、多元醇均為化學(xué)純；三乙二醇單丁醚(GC)，色譜純；油浴鍋用硅油(耐300 ℃)，工業(yè)品。

DF-101S集熱式磁力攪拌器；RW20機(jī)械攪拌器。

1.2 提切劑的合成

先使用聚醚胺D-2000與癸二酸在160 ℃的條件下反應(yīng)，將三乙二醇單丁醚作為溶劑，反應(yīng)4 h，而后降溫至80 ℃再加入多元醇進(jìn)行第二階段反應(yīng)，在200 ℃的條件下反應(yīng)5～6 h，得到目的產(chǎn)物。提切劑的第一步合成反應(yīng)見圖1。

圖1 提切劑的第一步合成反應(yīng)Fig.1 The first step synthesis reaction of the rheology modifier

具體實(shí)驗(yàn)步驟：將聚醚胺D-2000∶癸二酸∶多元醇=6∶3∶1(摩爾比)分兩階段分別加入進(jìn)行反應(yīng)。第一階段中進(jìn)行聚醚胺D-2000與癸二酸的反應(yīng)，加入適量的三乙二醇單丁醚作為溶劑，將三種試劑加入四口燒瓶中，放進(jìn)油浴鍋設(shè)定溫度為160 ℃，裝配好合成裝置，將攪拌速度調(diào)整為200 r/min，進(jìn)行恒溫加熱攪拌，待溫度升至160 ℃，反應(yīng)4 h；第二階段，在第一階段反應(yīng)結(jié)束后，降溫至80 ℃，加入多元醇，而后再升溫至200 ℃恒溫反應(yīng)5～6 h，攪拌速度為200 r/min，待反應(yīng)至無水生成，即得目的產(chǎn)物——提切劑，冷卻至60 ℃，出料。

1.3 作用機(jī)理

反應(yīng)是通過利用癸二酸與聚醚胺D-2000進(jìn)行第一步反應(yīng)，在分子中引入酰胺基，再利用癸二酸及第一階段反應(yīng)產(chǎn)物與多元醇發(fā)生酯化反應(yīng)，產(chǎn)生酯基，生成目的產(chǎn)物。產(chǎn)物中的具有酰胺基、酯基和羥基為極性基團(tuán)，極性基團(tuán)可通過氫鍵、靜電引力與其它基團(tuán)相互作用，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而聚醚胺D-2000為分子引入了長鏈，通過締合作用也可形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)提切作用。

2 結(jié)果與討論

2.1 提切劑的表征與評(píng)價(jià)

圖2為所合成提切劑的紅外光譜。

圖2 提切劑傅里葉紅外光譜Fig.2 Fourier infrared spectrum of rheology modifier

由圖2可知，圖中3 453 cm-1的寬峰帶為仲胺的特征吸收峰；2 924 cm-1及2 868 cm-1尖峰代表烷烴類C—H伸縮振動(dòng)的特征吸收峰；1 734 cm-1尖峰為酯的特征吸收峰；1 655 cm-1及1 536 cm-1尖峰為酰胺的特征吸收峰；1 457 cm-1及1 373 cm-1對(duì)應(yīng) —CH3的振動(dòng)，1 250 cm-1為 —C—C— 的骨架振動(dòng)，1 141 cm-1為使用的溶劑三乙二醇單丁醚中醚的特征吸收峰，927 cm-1為羧酸中的 —OH振動(dòng)特征吸收峰。根據(jù)紅外光譜的分析表明，反應(yīng)生成了目的官能團(tuán)：酰胺基與酯基。

2.2 提切劑加量優(yōu)選與評(píng)價(jià)

2.2.1 提切劑加量優(yōu)選 構(gòu)建無土相高密度油基鉆井液體系，主要基于研制合成的提切劑，因此對(duì)提切劑的加量進(jìn)行優(yōu)選，設(shè)計(jì)7組實(shí)驗(yàn)配方，以0.5%為梯度，將提切劑加量從0提升至3%。

基礎(chǔ)配方：柴油∶25%CaCl2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水溶液=80∶20(體積比)、2%主乳+2.5%輔乳+3%潤濕劑+1.5%CaO+4%降濾失劑+重晶石(密度2.20 g/cm3)。

設(shè)計(jì)配方：①基礎(chǔ)配方+0%提切劑；②基礎(chǔ)配方+0.5%提切劑；③基礎(chǔ)配方+1%提切劑；④基礎(chǔ)配方+1.5%提切劑；⑤基礎(chǔ)配方+2.0%提切劑；⑥基 礎(chǔ)配方+2.5%提切劑；⑦基礎(chǔ)配方+3%提切劑。

150 ℃老化16 h得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 提切劑加量對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Comparative experimental data of the addition of rheology modifier

由表1可知，在0～3%的加量內(nèi)，隨著提切劑加量的提升，體系的表觀粘度不斷上升；而塑性粘度先有一個(gè)維持不變的區(qū)間，而后也隨之提升；體系動(dòng)切力隨著提切劑的增加，也不斷上升；而體系的破乳電壓是隨提切劑加量提升，先上升后下降，在1%～1.5%時(shí)最高，故可以選擇1%作為提切劑的優(yōu)選加量。

體系動(dòng)切力隨提切劑而變化的點(diǎn)線圖見圖3。

圖3 提切劑加量對(duì)體系動(dòng)切力的影響Fig.3 The influence of the addition of rheology modifier on the dynamic shearing force of the system

由圖3可知，加量在1%之前，切力上升梯度大，而后放緩，而加量在2%之后，切力提升基本趨于平緩，故因此也可選擇1%作為體系提切劑的最優(yōu)加量。

2.2.2 提切劑對(duì)比有機(jī)土評(píng)價(jià) 將合成的提切劑以1%的加量加入到基礎(chǔ)配方中，對(duì)比加量同為1%有機(jī)土的有土相常規(guī)油基鉆井液，對(duì)合成的提切劑做性能評(píng)價(jià)。

基礎(chǔ)配方：柴油∶25%CaCl2(質(zhì)量分?jǐn)?shù))水溶液=80∶20(體積比)、2%主乳+2.5%輔乳+3%潤濕劑+1.5%CaO+4%降濾失劑+重晶石(密度2.20 g/cm3)。

設(shè)計(jì)三組配方：①基礎(chǔ)配方；②基礎(chǔ)配方+1%有機(jī)土；③基礎(chǔ)配方+1%提切劑。

150 ℃老化16 h得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 提切劑評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)老化后數(shù)據(jù)Table 2 The data after the aging of the rheology modifier evaluation experiment

由表2數(shù)據(jù)分析可知，提切劑可以提升鉆井液的低轉(zhuǎn)速值，有利于體系的懸浮性能，且相較于有機(jī)土擁有更好的效果；與有機(jī)土一樣可以提升基礎(chǔ)配方的初終切，但比有機(jī)土更能提升體系的初切，而具有略低的終切，能更快形成“弱凝膠”結(jié)構(gòu)；提切劑的提切效果是有機(jī)土的1倍以上，擁有優(yōu)于有機(jī)土的提切能力，但所配制無土相體系表觀粘度低于有土相系，且使用提切劑不會(huì)提升體系的塑性粘度。能起到提切不提粘的效果；破乳電壓方面，可以提升基礎(chǔ)配方的電穩(wěn)定性。

2.2.3 提切劑懸浮穩(wěn)定性評(píng)價(jià) 體系使用提切劑代替有機(jī)土，形成無土相高密度油基鉆井液，但在常規(guī)有土相油基鉆井液體系中，主要是利用有機(jī)土來起到增粘提切、提高體系懸浮穩(wěn)定性的作用，因此在使用提切劑組成的無土相高密度油基鉆井液體系中，需要對(duì)體系的懸浮穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)體系的懸浮穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，主要測試體系的靜沉降系數(shù)(SF)及動(dòng)沉降系數(shù)(VSST)。靜沉降系數(shù)由鉆井液靜置一定時(shí)間后(本實(shí)驗(yàn)中靜置2 h)，分別取等量上下層液體，計(jì)算上層密度(ρt)及下層密度(ρb)，而后按靜沉降系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算所得。靜沉降系數(shù)計(jì)算公式為：SF=ρb/(ρb+ρt)，SF=0.5代表未沉降，而當(dāng)SF>0.52代表體系靜沉降穩(wěn)定性較差。動(dòng)沉降系數(shù)(VSST)使用六速旋轉(zhuǎn)粘度儀，在六速測量杯中加入沉降鞋，用100 r/min的速率剪切30 min，剪切前后分別使用帶粗徑金屬長針頭的注射器吸取沉降鞋收集孔中10 mL的鉆井液稱量質(zhì)量，而后按動(dòng)沉降系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算所得。動(dòng)沉降系數(shù)計(jì)算公式：VSST(g/cm3)=0.1×(W2-W1)，W1為剪切前10 mL收集孔處鉆井液質(zhì)量，W2為剪切后10 mL收集孔處鉆井液質(zhì)量，VSST<0.12 g/cm3則動(dòng)沉降不明顯。

150 ℃老化16 h后按相應(yīng)步驟測量結(jié)果見表3。

表3 靜沉降、動(dòng)沉降測試結(jié)果Table 3 Test results of static and dynamic settlement

由表3可知，測得體系靜沉降系數(shù)(SF)<0.52，說明體系靜沉降穩(wěn)定性良好；測得體系動(dòng)沉降系數(shù)(VSST)<0.12 g/cm3，說明體系動(dòng)沉降穩(wěn)定性良好。由此可以說明，所合成提切劑可以代替有機(jī)土，使體系獲得良好的懸浮穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

(1)使用聚醚胺D-2000、癸二酸及多元醇反應(yīng)，合成了一種油基提切劑。利用反應(yīng)在目的分子中引入極性基團(tuán)酰胺基及酯基，極性基團(tuán)與其他基團(tuán)通過靜電引力和氫鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；以及利用到聚醚胺D-2000帶來的長鏈，也可以通過締合作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)提切的作用。

(2)對(duì)提切劑加量進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果表明，隨著提切劑加量的提升，體系的切力會(huì)不斷提高，但提切劑加量在1%之前，切力提升明顯，而后放緩；體系粘度也會(huì)隨提切劑加量提升得到升高，但提切劑加量在1%之前，體系的塑性粘度基本不變；破乳電壓隨著提切劑加量的提升，先提升后降低，在1%～1.5% 之間時(shí)最高。因此綜合而言，提切劑加量可選擇1%加量。

(3)將合成提切劑配制無土相高密度油基泥漿，與傳統(tǒng)有土相高密度油基泥漿進(jìn)行對(duì)比，性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，使用合成提切劑相較使用有機(jī)土可以使體系獲得更高的動(dòng)切力及初切，有利于體系攜巖；擁有更低的表觀粘度，且基本不提升體系塑性粘度，實(shí)現(xiàn)了提切不提粘的效果；也能提升體系的破乳電壓。

(4)對(duì)提切劑的懸浮穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，靜沉降系數(shù)(SF)=0.504、動(dòng)沉降系數(shù)(VSST)=0.081 g/cm3，因此合成提切劑擁有良好的懸浮穩(wěn)定性。