一种多功能钻井液处理剂的研制与评价.pdf

第 2 5卷 第 4期 2 0 0 8年 7月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI L LI NG FL UI D 8 乙C 0MPL ETI oN FL UI D Vo 1 ． 2 5 NO． 4 J u l y 2 0 0 8 文章编号 1 0 0 卜5 6 2 0 2 0 0 8 0 4 0 0 2 6 0 3 一 种 多功能钻 井液处理剂 的研 制与评价 黄 雪静 大庆油 田采油工程研究院 ， 黑龙江 大庆 摘要 分析 了腐植酸 的结构 性质及 作为钻井液降滤 失剂 的缺 点， 对腐植 酸进行 了接枝 共聚 改性， 以提高产 品 的分子 量， 同时 引入 了一些具有抗 温、 抗 盐能力 的基 团。对影 响产 品性 能 的各 种工 艺参数进 行 了研 究。 改性后 的 腐植酸产 品具有增黏 、 降滤失 、 抑制 性等功能， 实现 了钻井液处 理剂 的一剂 多功能 ， 产 品 同时还具 有较 强 的抗 高温 能力。该产 品的聚合工艺反应时间短、 操作简单 易行 、 反应放 热大， 溶 剂在 反应过 程 中就被 蒸发 ， 减 少 了除去溶剂 所需要的成本， 具有推广应用价值 。 关键词 降滤失剂 腐植酸 接枝共聚 钻 井液 中图分 类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 功能好的钻井液降滤失剂应具有好的抗温性 ； 能减少胶体中自由水 ； 能增加液相黏度 ； 水溶性大分 子数 量级 为 1 0 ～1 0 ； 并 在 黏 土 颗粒 上 有 很 强 的吸 附能力。以此来考察腐植酸分子， 它可以束缚相 当 量 的水分 子而 大大 减 少 自由 水 的量 ， 也能 强 烈 吸 附 在黏土表面 ， 但它的分子量太小 ， 且不易增加液相黏 度 。所以， 以腐植酸为原料制备降滤失剂的关键是 提高其分子量[ 1 ] 。酚醛树脂化、 脲醛树脂化常采 用交联方法 ， 可以增大腐植酸的分子量 ， 也可对腐植 酸进行接枝共聚 ， 通过使用交联 的方法提高腐植酸 的分子量 ] 。对腐植酸的改性主要是提高其分子 量， 在腐植酸中引入一些具有提高处理剂抗温 、 抗盐 能力 的基 团一S o。 H， 实 现处 理 剂 的 一剂 多 功 能性 ， 使产品具有增黏 、 降滤失 、 抑制性等功能 ， 同时具有 较强的抗温、 抗盐能力； 同时加入含有吸附基团与水 化基团的单体 ， 与腐植酸进行接枝共 聚， 并通过实验 研究 ， 调 整确定 处 理剂 中吸 附 基 团 与水 化 基 团的 比 例 ， 从而达到更好 的降滤失效果 。聚合工艺选择溶 液聚合、 轻度爆聚、 加入交联剂交联 的方法。因为这 种合成工艺反应时 间短、 操作简 单易行、 反应放热 大 ， 溶剂 在反 应过 程 中就 被 蒸发 ， 减少 了除 去溶 剂所 需要 的成 本 。 1 腐植酸 的组成 结构与性质 腐植酸不 同于其它天然大分 子， 它不是一种单 一 的化合物 ， 而是由几个相似族类的 、 分子大小不同 的、 结构组成又不一致 的高分子羟基芳香羧酸所组 成的复杂混合物 ， 不具有某种完整的结构 和化学构 型。其分子每个结构单元都是 由多环芳核和活性官 能 团组 成 ， 包 括 酚 羟 基 、 醇 羟 基 、 羧 基 、 醌 基 和磺 酸 基等l_ 5 ] ， 这些活性官能团对腐植酸的性质和应用有 很大 的影 响 。 腐植酸本身难溶于水 ， 但 由于含有羧基和酚羟 基 ， 其水溶液仍呈弱酸性。腐植酸与烧碱反应生成 的腐植酸钠易溶于水 ， 腐植酸 的碱溶液在低浓度 时 是一种离子的真溶液， 而腐植 酸的碱溶液在高浓度 时则是一种带负电荷的亲水胶体 ， 呈现胶体性质。 2 实验 材料 与方法 丙烯酰胺 AM 分析纯 、 丙烯 酸 A A 分析 纯 、 丙烯磺酸钠 AS 化学纯 、 腐植酸 工业品 。 在设计合成时， 选用可提供吸附基 团的 AM 单体和 可提供水化基团的 AA单体作 为基础原料 ， 因为这 2种单体原料充 足， 价格适 宜 ， 且易于 聚合 ， 再通过 引入其他共聚单体 ， 进一步改善产品的结构和性能。 选用 As提供磺酸基 。 改性实验是将 AM、 AA、 AS 、 腐植酸等溶于适 量的水 中； 用 Na OH溶液将混合液的 p H值 中和至 腐植酸完全溶解 ； 将上述反应体系置于恒温 8 5。C 左右 水浴 中； 边搅拌边向混合液中加入一定量的 第一作者简介 黄雪静 ， 助理 工程师， 1 9 8 2年 生， 2 0 0 7 年 于西南石油大学油气井工程专业硕士 毕业， 现在从 事钻井设 计及 钻井液与完井液 方面 的研 究。地 址 黑 龙 江大 庆 市 大 庆 油 田 采 油工 程 研 究 院 钻 井 设计 研 究 室； 邮 政 编 码 1 6 3 4 5 3 ； 电话 1 5 8 4 5 8 9 7 4 3 5； E ma i l h x u e j i n g 1 1 1 6 3 ． c o rn。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 4期 黄 雪静 一 种 多功 能钻 井液 处理 剂的研 制 与评价 2 7 引发剂及交联剂水溶液 ； 反应发生轻度爆聚， 得凝胶 状 产物 ； 烘干 粉碎 即得 多功 能处 理剂 P F L。 3 实验 条件 的选择 3 ． 1 聚合方式及反应温度 聚合反应通常有 本体 聚合 、 溶液 聚合、 悬 浮聚 合、 乳液聚合等几种方法 。这些方法都各有优缺点。 对腐 植酸 进行 接枝 共 聚 ， 选用 溶 液 聚合 的 方 式 。 因 为腐 植酸 为 固相 ， 颗 粒较 大 ， 选用 其它 3种 聚合 方式 都不适合 ， 把腐植酸溶 于水 中与其它 3种单体均相 共聚， 水作为溶剂。溶剂的量不宜过大， 如果溶剂的 量过大 ， 单体被稀释， 浓度低 ， 反应速率减慢 ， 并造成 产品干燥 的能耗大、 成本高。溶液聚合的另一缺点 就 是产 物 的分 子 量 不 大 。 因此 ， 采 用 交 联 剂 亚 甲基 双丙烯 酰胺 交联 的 方 法 ， 使 产 物 的分 子 量 增 大 至 合 适 的程 度 。 温度对聚合反应的影响较大， 温度过高 ， 反应速 率快 、 链终止快 ， 导致反应产物分子量低； 且如果温 度太高 ， 搅拌不及时， 容易导致局部温度过高， 引起 单体热交联， 如交联 程度过大 ， 则会 引起凝胶化， 使 产 品在水 中不溶 解 ； 温 度过 低 ， 反 应速 率 慢 ， 耗 时过 长 ， 且不利 于 引 发 剂分 解 产 生 自由基_ 6 ] 。选 用 溶 液 聚合反应方式 ， 反应速率较低 ， 因此要适当提高聚合 反应温度 ， 使反应速率增大 。反应温度控制为 8 0 ～ 9 0℃ ， 反应 发生 轻度爆 聚 。 3 ． 2 p H值 腐植酸本身难溶解 于水 ， 但是腐植酸与烧碱反 应生成腐植酸钠则易溶于水 。腐植酸钠的含量与所 使 用 的烧碱 浓度 有关 ， 如烧 碱 不足 ， 腐 植 酸不 能完 全 溶解； 如烧碱过量 ， 又使腐植酸聚结沉淀， 反而使腐 植酸钠含量低。因此， 烧碱的浓度 必须控制在合适 的范围。通过实验发现反应体 系的 p H值宜控制为 9 ～ 1 1。 3 ． 3 考察单因素对 P F L的影响 确定单体 中含吸附基团的 AM 与含水 化基 团 的 AA、 AS的 比例 为 2 1 ； 引 发 剂浓 度 为 0 ． 8 9 ／ 6 ； 交 联剂浓度为 0 ． 1 9 ／ 6 ； p H值为 1 0左右； 反应温度控制 在 8 5℃左右 ， 考察单 因素对 P F L性能的影响。 3 ． 3 ． 1 腐 植 酸用量 腐植酸的加量直接影响产品的作用效果与使用 成本 ， 如果加量太小 ， 产物性能接近有机高分子处理 剂 ， 达不到降低成本的 目的； 如果加量太大 ， 产 品的 作用效果不能达到最佳 。腐植酸加量对产品性能的 影 响见 表 1 。 表 1 腐植酸 加量对产 品性能的影响 O O．1 O．2 O． 3 O ．4 1 8 ． O 1 5 ． O 1 6 ． O 1 4 ．0 1 5 ．O 7 ． O 1 O． O 1 O． 5 9 ．O 1 O． O 1 1 ．O 5 ．0 5 ．5 5． O 5． O 1 5 ． 0 5 ．6 6 ． 0 7 ．2 1 2． O 从表 1可以看出 未加入腐植酸， 仅是单体共聚 时， 所制得的产品可极大地提高钻井液的切力， 但其 降滤失能力一般 ； 腐植酸的加入， 使产品对钻井液的 提切能力下降 ， 且随着腐植酸加量的增加 ， 产品对钻 井液的提切能力变化不大； 腐植酸的加入可显 著改 善产品的降滤失能力， 但 当腐植酸加量过大时 ， 产品 的降滤失能力开始下降。因为要研究一种多功能的 钻井 液处 理剂 ， 期 望 产 品具 有 一 定 的提 切 能 力 及 较 好的降滤失能力， 因此取腐植酸与单体 的质量 比为 0 ． 3。 3 ． 3 ． 2交联 剂用 量 交联反应在 聚合 物的合成过程 中是非 常重要 的 ， 某些 聚合 反应 希 望交联 反应 的发 生 ， 对某 些 聚合 反 应 ， 交 联反 应是 一 种 负 反 应 ， 会 引 起 质 量 、 安 全 和 使用寿命等诸多问题 。该实验是对腐植酸的接枝共 聚 ， 由于采用 了溶 液 聚合 和轻 度爆 聚 的方式 ， 产 品的 分 子量 较小 ， 适 当增加 交联 剂 加量 ， 可增 大产 物 的分 子 量 。交联 剂加 量 直 接 影 响产 品 的提 切 能 力 ， 交 联 剂使分子量为数千的低分子量预聚体连接在一起 ， 分 子量 因而 增大 ， 它 通 过 活 性 端 基 的 反 应形 成 高 分 子量聚合物 。确定腐植 酸与单体的 比值为 0 ． 3 ， 交 联 剂用 量对 P F L性能 的影 响见 表 2 。 表 2 交联剂用量对 P F L性能的影响 反应产物如凉粉状 ， 水溶性极 差 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 8年 7月 由表 2可 以看 出 随 着交联 剂加 量 的增大 ， 产 品 对钻井液的提切能力增大 ； 但钻井液滤失量先降低 ， 后增大， 说明产品的降滤失能力不随着产 品分子量 的增 大 而增强 ， 分子 量应 控制 在合 适 的范 围 ； 当交 联 剂 的加量 过大 时 ， 产 物 发生严 重 的凝胶 化 ， 产 品呈凉 粉状 ， 在水 基钻 井 液 中不 溶解 分散 。根 据需 要 ， 确定 交联 剂 加量 为 0 ． 1 。 3 ． 3 ． 3 A M 在单 体 总量 中所 占比例 AM 在单体总量中所 占比例对产品性能 的影响 见表 3 。从表 3可 以看 出 AM 在单体 总量 中所 占 比例 不 同 ， P F L对 钻 井 液 的流 变 性 影 响 不 大 ， 但 对 P F L的降滤失能力影响较大 ； P F L的降滤失能力随 着 AM 在单体总量中所 占比例 的增大先增强， 后减 弱 ， 这 是 因为 AM 用 量 增 大 时 ， 产 品分 子 链 上 吸 附 基团增加 ， 水化基团相对减少 ， 使吸附基团与水化基 团比例不在最佳 范围。因此 ， 选 AM 在单体总量所 占的 比例为 6 6 ． 7 即含 吸 附基 团 的 AM 与含 水 化 基 团的 AA、 AS比例 为 2 1 。 表 3 A M在单体总量中所 占比例对 P F L性 能的影响 4 P F L性 能评 价 4 ． 1 对钻井液性能的影响 在 4 膨 润 土基 浆 中分 别 加 入 不 同量 的 P F L， 测其性 能 ， 结果 见表 4 。 由表 4可 知 随着 P F I 加量 的增 加 ， 钻 井 液 的 塑性黏度和动切力都增大 ； P F L能显著 降低水基钻 井液的滤失量和高温高压滤失量， 且随着 P F L加量 的增 加 ， 钻 井液 的滤 失量 继续减 小 ， 所形 成 的滤饼 薄 而致 密 ， 降 滤失 效 果 很 好 ； 当 P F L 的加 量 到 一 定 程 度后 ， 钻井液的滤失量降低幅度就非常小 ， 但切力值 却不断 增 大。因此 ， 如 果用 于增 黏 ， 可大 量 使 用 P F L； 如果用于降滤失 或增黏、 降滤失 ， 可 以根据 实验情况确定 P F L最佳加量。在使用过程中 P F I 的推 荐 加量 为 0 ． 5 ～2 。 4 ． 2 抑制能力 分别 在盛 有 3 5 0 mI 含 0 ． 5 P F I 的 钻 井 液 和 清水 的老 化 罐 中 ， 加 入 5 0 g过 孔 径 为 2 ． 0 0 ～ 3 ． 2 0 mm筛的页岩 ， 在 1 2 0℃下滚动 1 6 h后 ， 过孔径为 0 ． 4 5 mm 的筛 ， 用 清 水 冲洗 后 在 1 0 5。 C3 C下 烘 干， 计算样品的回收率。得到清水的页岩回收率为 3 4 ． 2 ； 加入 P F L钻井液的页岩 回收率为 9 0 ． 5 ， 且 发现 在烘 干 的岩 屑 上覆 盖 了一 层 黑 色 物 质 ， 那 是 因为 P F L吸附在 页 岩上 ， 阻 止 了页 岩 的 水 化 分 散 ， 使得页岩回收率提高。 5 认 识 与 结 论 1 ． P F L具有增黏 、 降滤失 、 抑制等功能 ， 实现了 钻井 液处理 剂 的一 剂多 功能 。 2 ．聚合工艺 反应 时间短、 操作 简单易行、 反应 放热大， 溶剂在反应过程 中就被蒸发 ， 减少 了除去溶 剂所需 要 的成 本 。 3 ．产品原料来 源广， 生产 工艺简单易操作 ， 成 本低 ， 具 有推 广应 用价 值 。 参 考 文 献 表 4 P F L加量对钻井液性能的影响 E 2 3 P F I AV P V y P F L泥饼 F L H T H P泥饼 mP a ． s mP a ． s P a mI mm mI mm p H [ 3 ] 注 钻 井液 的流变性 和滤 失量 在 5 O℃下 测定 ， F L 在 1 5 O℃ 、 3 ． 5 MPa下 测 定 。 沈 勤长． 褐煤类 油 田助 剂的研 究与 发展方 向． 腐植 酸 ， 1 99 9， 4 1 4 1 8 易明新 ， 刘金斗． 接枝 共聚法制备钻井液处理剂 的研 究 与应用． 石油与天然气 化工 ， 2 0 0 0 ， 2 9 1 4 3 4 4 谭 道忠． 钻 井液 降滤 失剂 S P NH 试验 与应 用． 石 油钻 采 工艺 ， 1 9 9 0 ， 6 1 王平全 ． 一 种改进 型 S P NH 降滤 失剂． 钻 井 液与完 井 液 ， 1 9 9 8， 1 5 1 2 7 2 9 张乔 良， 张贵才 ， 葛际江． 腐植酸 在油 田中的应用． 钻井 液与完井液 ， 2 0 0 4 ， 2 1 3 5 3 5 5 邓云祥 ， 刘振 兴 ， 冯 开才． 高分 子化 学 、 物 理 和应用 基 础． 高等教育 出版社 ， 1 9 9 5 收稿 日期 2 0 0 8 0 2 0 2 ； HGF 0 8 0 4 N 6 ； 编 辑 王小娜 ]J 一一 一一 4 5 6 rL r L rL 8 8 8 8 8 O O O O O 0 0 1 1 1 O 3 5 2 O 9 4 2 2 2 5 5 5 O O O O O 1 1 O 2 2 O 8 “ O 5 O 5 8 2 3 5 7 8 O O O O 5 O 5 O 5 3 H “ 5 O 5 O O ． ． ． ． 0 1 1 2 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m