新型钻井液降滤失剂的合成与性能评价.pdf

8 精 细 石 油 化 工 进 展 A D V A N C E S I N F I N E P E T R O C H E M I C A L S 第 1 6卷第 3期 新型钻 井液降滤 失剂的合成 与性能评 价 严思明 ， 张红丹 ， 王富辉 ， 杨圣月 ， 雷鑫宇 1 ． 西南石油大学化学化工学院， 成都 6 1 0 5 0 0； 2 ． 中国科学院成都有机化学有限公司， 成都 6 1 0 0 4 1 摘要以2一丙烯酰胺基 一 2一甲基丙磺酸 A M P S 、 丙烯酰胺 A M 、 丙烯酸 A A 和烯丙基醚 类亲水单体 A P O 为原料， 经水溶液聚合法合成了新型钻井液降滤失剂 Z J ， 并对其结构进行 了表 征。正交试验确定了合成降滤失剂 Z J 的最佳条件为 n A M P S n A M n A A n A P O 2 ． 0 4 ． O 1 ． 3 0 ． 0 2， 单体用量为 1 5 ％， 引发剂用量 1 ． O ％，p H为 7 ， 于 7 O℃反应 5 h 。室内评价结果表 明， 合成的降滤失剂作用效果较好 ， 且具有良好的抗温、 抗盐性能。 关键词 钻井液降滤失剂抗温抗盐 四元共聚物 随着石油天然气资源减少， 石油天然气的勘 探开发逐步向深部储层发展。苛刻条件下保证钻 井液性能是钻井工程面临的巨大挑战之一， 高性 能 的钻井 液 添加 剂 是应 对 这一 挑 战 的有 力 支 撑 J 。降滤失剂 可显著 降低钻井液滤失量 ， 维 持钻井液流变性并减少地层污染 。研发应用于高 温高盐下的新型降滤失剂一直是油 田化学领域 的 重要课题。聚合物型降滤失剂因其基团拼合优势 且兼具多种 良好性能 ， 对解决耐温耐盐问题具有 重要意义 。 以 2一丙 烯 酰 胺 基 一2一 甲基 丙 磺 酸 A MP S 、 丙烯酰胺 A M 、 丙烯酸 A A 和烯丙基 醚类亲水单体 A P O 为原料 ， 经水溶液聚合法合 成了新型钻井液降滤失剂 z J ， 其结构经 I R表征。 采用正交试验法， 确定了合成降滤失剂 z J 的最佳 条件。 1试 验 1 ． 1 仪器与原料 N i c o l e t M a g n a型红外光谱仪 K B r 压片 ； J J 一 2 型恒速搅拌器； Z N ND 6六速旋转黏度计 ； O WCF L型多联滤失仪 ； O WCH T P型滚 子炉 ； O WCH T H P型高温高压稠化仪。 2一丙烯酰胺基 一 2一甲基丙磺酸 、 丙烯酰胺 、 丙烯酸和烯丙基醚类 亲水单体、 无水碳 酸钠 N a C O 、 氯化钠 、 氯化钙 ， 均为分析纯 ， 成都科 龙化工试剂厂； 钙膨润土 ， 工业 品， 西南 石大金牛 石油科技有限公司。 1 ． 2合成方法 将一定 量的 A M P S ， A M， A A， A P O溶解于适 量蒸馏水中， 搅拌使其溶解； 用 N a O H溶液调节溶 液 p H后倒人反应器 中。加热至反应 温度 ， 通氮 气 ， 加入引发剂过硫酸铵 A P S ， 回流反应一定时 间后得淡黄色黏稠物。用无水乙醇洗涤 ， 剪碎 ， 于 1 0 5℃干燥 2 h得钻井液降滤失剂 z J 。 1 ． 3 降滤失剂 Z J性能评价 参照 G B ／ T 1 6 7 8 3 --1 9 9 7 { 水基钻井液现场测 试程序 的方法 ， 测定淡水 钻井液和盐水钻 井液 的流变性及滤失性能 J 。 1 ． 3 ． 1 基浆的制备 淡水基浆 在 3 5 0 m L水 中加入 2 1 g钙质膨 润土 和 1 ． 7 5 g无 水碳 酸钠 ， 然 后 高 速 搅 拌 2 0 m i n ， 于室温放置水化 2 4 h 。 4 ％盐水基浆 在 3 5 0 m L水中加入 2 1 g钙质 膨润土和 1 ． 7 5 g 无水碳酸钠 ， 高速搅拌 1 0 m i n ， 然后再加人 1 4 g 氯化钠， 继续高速搅拌 1 0 ra in ， 于室温放置水化 2 4 h 。 复合盐水基浆 在 3 5 0 mL水 中加入 2 1 g钙 质膨润 土 和 1 ． 7 5 g无 水 碳 酸钠 ， 高 速搅 拌 1 O mi n ， 然后再加入 1 4 g氯化钠和 1 ． 7 5 g 氯化钙 ， 继 续高速搅拌 1 0 m i n ， 于室温放置水化2 4 h 。 饱和盐水基 浆 在 3 5 0 mL淡水基 浆 中加入 1 0 5 g氯化钠 ， 高速搅拌 2 0 rai n ， 于室温放 置水化 2 4 h。 2结果与讨论 2 ． 1 合成条件优化 2 ． 1 ． 1 单体配比的确定 在合成聚合物过程中， 单体配比对聚合反应 的结果具有重要影响。固定单体用量 为 1 5 ％ 总 收稿 日期 2 0 1 5一 O 1 0 4 。 作者简介 严 思明 ， 博士 ， 教授 ， 研究方向为油气田应 用化学 。 2 0 1 5年 5月 严思明等． 新型钻井液降滤失剂的合成与性能评价 9 体质量分数 ， 引发剂用量 A P S为 1 ． 6 7 ％ 占单体 质量分数 ， 反应温度8 0℃， 体系 p H为7 ， 反应时 间 5 h 。为确定单体物质的量比 A M P S A M A A A P O 的最佳比例， 设计 4因素 3 水平正交试验， 以淡水泥浆在水化 2 4 h后 ， 加入 0 ． 5 ％共聚物的 中压滤失量 F L 作指标 ， 试验因素水平与结果见 表 1 和 表 2 。 表 1 因素水平表 水平 A A MP S ／ mo 1 B A M／ mo 1 C A A ／ m o 1 D A P O ／ mo 1 序号 A B C D l l 1 1 l 2 l 2 2 2 3 l 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 l 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 l R O． 4 3 0． 4 4 0 ． 0 7 0． 3 0 从表 2可看 出， 各 因素 的影响顺序为 A M A MP SA P OA A。根 据正 交试 验分 析 结果 得 出， 最佳单体物质的量比为 2 ． O 4 ． O 1 ． 3 0 ． 0 2 。 2 ． 1 ． 2 其他因素的确定 在聚合物合成过程中， 单体用量、 引发剂用量 和反应温度均对聚合物性能有较大影响。固定单 体物质的量比 A M P S A M A A A P O 为2 4 1 ． 3 0 ． 0 2， 体系 p H为 7 ， 反应时间 5 h 。为确定单体用 量 、 引发剂用量和反应温度 3个因素 ， 设计了 3因 素 3水平正交试验 ， 以淡水泥浆在水化 2 4 h后加 入 0 ． 5％ 体积质量分数 共聚物的中压滤失量 作指标 ， 试验水平与结果见表 3 ， 4 。 表 3 因素水平表 表 4 合成条件正交试验结果 由表 4可知 ， 反应条件对降滤失剂 z J降滤失 效果的影响程度 由高到低的顺序 为引发剂浓度 、 反应温度 、 单体浓度 。根据正交试验分析结果 ， 确 定反应单体质量分数 1 5％ 、 引发剂用量 1 ． 0％ 占单体质量分数 、 反应温度 7 0℃ ； 因此确定共 聚物的最 佳合 成条 件 为 n A MP S n A M A A n A P O2 4 1 ． 3 0 ． 0 2 ， 单体 用量 为 1 5 ％， 引发剂用量为单体质量分数的 1 ． 0％， 体系 p H为 7 ， 反应温度 7 0℃ ， 反应时间 5 h 。 2 ． 2 共聚物表征 为验证合成产物， 对试样进行充分提纯处 理 后， 红外光谱分析降滤失剂 z J 见图1 。 4 2 0 0 3 0 0 0 1 8 0 o 6 0 0 波数／ c m 一 1 图 1 降滤失剂 Z J红外光谱图 由图 1可知 ， 3 4 4 6 c m 和 1 6 7 4 c m 是酰胺 基团一c O N H 的特征吸收峰， 其中 3 4 4 6 c m- 1 是一N H 的伸缩振动峰 ， 1 6 7 4 c m 为 C一 0的 伸缩振动峰； 1 5 4 7 c m 和 1 4 5 6 c m 是羧酸盐 的 CO伸缩振动峰 ； 1 1 8 4 a m 和 1 0 3 4 c m 是磺 酸基团的对称 和非对 称伸缩振动峰 ； 2 9 2 7 c m 是一C H 的 c H对称伸缩振动峰 ； l 4 0 2 c m 是 醚类的 c O的伸缩振动峰； 同时发现在 9 8 9 c m 和9 6 1 a m 处未出现乙烯类单体的特征吸 收峰。分析表明 4种单体进行 了有效聚合。 6 0 9 2 2 7 7 9 6 4 5 4 4 5 4 4 4 4 c 一 。 。 。 。 一 ㈣ B 一。 ， 。 ， 一 ㈣ A 一 。 。 。 一 巡 4 。 、1 R 7 6 5 O 5 5 2 2 7 4 4 4 5 4 4 5 5 4 1 0 精 细 石 油 化 工 进 展 A D V A N C E S I N F I N E P E T R O C H E M I C A L S 第 1 6卷第 3期 2 ． 3 降滤失剂 Z J性能评价 考察聚合物的抗 温抗盐性能 ， 在不 同泥浆体 系中分别加入一定量 的共 聚物 ， 将含有合成共聚 物的淡水泥浆 、 4％盐水泥浆、 复合盐水泥浆和饱 和盐水泥浆分别在热滚前 常温 、 1 6 0℃ 、 1 8 0℃ 下， 测定各个体系的流变参数和滤失量， 试验结果 见表 5 。 表 5 不 同温度和泥浆体系试验数据 由表 5中可以看出 ， 随温度升高 ， 各泥浆体系 表观黏度 、 塑性黏度和屈服值等流变参数减小 ， 滤 失量增加； 但各泥浆体系滤失量在热滚前始终小 于 5 m L， 1 6 0 o C下最大不超过 1 2 mL ，1 8 0 o C下最 大不超过 1 5 m L， 表明降滤失剂 z J 降滤失效果较 好 ， 且具有较强的抗温抗盐能力 。 3 结 论 1 根 据分子 结构设 计理论 ， 优选 了 A MP S ， A M， A A， A P O合成耐温抗盐 降滤失剂 ， 以提高水 基 钻 井 液 的 高 温 稳 定 性 。正 交 试 验 确 定 了 A MP S ／ A M ／ A A ／ A P O 共 聚 物 的 最 佳 合 成 条 件 凡 A MP S n A M n A A n A P O2 4 1 ． 3 0 ． 0 2 、 单体用量为总体质量分数 1 5 ％， 引发剂用 量为单体质量分数 的 1 ． O ％ ， 反应温度 7 0 c I 二， 体 系 p H为 7、 反应时间 5 h 。 2 通过 I R分析， 结果表 明， 降滤失剂 Z J中各 单体的特征吸收峰在谱 图中都有较好 的对应 ， 说 明 4种单体进行 了有效聚合。 3 降滤失剂 Z J降滤失效果较好 ， 在 1 6 0 o C， 1 6 h和 1 8 0 o C， 1 6 h热滚后 ， 滤失量最大均不超过 1 5 mL。 参考文献 [ 1 ] 雷鑫宇 ， 陈爽 ， 王林 ， 等．钻井液增 黏剂 S D A的合成 与性能 评价 [ J ] ．精 细石油化 工进 展， 2 0 1 4 ， 1 5 5 79 ． [ 2 ] 白小东， 蒲晓林．水基钻井液成膜技术的研究进展[ J ] ．天 然气工业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 8 7 5 7 7 ． [ 3 ] 袁 春， 孙金生 ， 王平全 ， 等 ． 抗 高温成膜 降滤 失剂 C MJ 一1的 研 制及性 能[ J ] ．石油钻探技术 ， 2 0 0 4， 3 2 2 3 O一3 2 ． [ 4 ] 刘成贵． 腈硅聚合物钻井液降滤失剂的合成与性能评价 [ J ] ．钻井液与完井液 ， 2 0 1 3， 3 0 2 2 2 2 4 ． [ 5 ] 郭斐 ， 鲁红升，张太亮， 等．水基成膜钻井液降滤失剂 L S 一 1 的制备及性能评价 [ J ] ．钻井液与完井液， 2 0 1 2 ， 2 9 4 2 0 2 3 ． [ 6 ] 黄雪静．一种多功能 钻井液 处理剂 的研制 与评价 [ J ] ．钻 井液与完井液 ， 2 0 0 8， 2 5 4 2 62 8 ． S y nt he s i s o f a Ne w Fi l t r a t e Re d u c e r f o r Dr i l l i n g Fl u i d a n d Pe r f o r ma nc e Ev a l u a t i o n o n I t Ya n S i mi n g ，Zh a n g Ho n g d a n ，W a n g Fu h u i ，Ya ng S h e n g y u e ，Le i Xi n y u 1 ．C h e m i s t r y a n d C h e mi c a l E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ； 2 ．C h e n g d u O r g a n i c C h e mi c a l s C o ． ， L t d ．of C h i n e s e A c a d e m y of S c i e n c e s ，C h e n g d u 6 1 0 0 4 1 2 0 1 5年5月 严思明等． 新型钻井液降滤失剂的合成与性能评价 Ab s t r a c t A n e w f i l t r a t e r e d u c e r f o r d ri l l i n g fl u i d，i ． e ．F i l t r a t e Re d u c e r Z J 。wa s s y n t h e s i z e d wi t h 2 一 a c r y l a mi d o一2一m e t h y l p r o p a n e s u l f o n i c a c i d A MP S ， a c r y l a mi d e A M ，a c r y l i c a c i d A Aa n d a n a l l y l e t h e r h y d r o p h i l i c m o n o m e r A P Oa s t h e m a t e ri a l s i n a n a q u e o u s s o l u t i o n p o l y me ri z a t i o n p r o c e s s ．a n d t h e s t r u c t u r e o f t h i s f i l t r a t e r e d u c e r f o r d ril l i n g fl u i d w a s c h a r a c t e ri z e d wi t h I R t e c h n i q u e ．T h e o p t i mu m c o n d i t i o n s f o r s y n t h e s i z i n g F i l t r a t e Re d u c e r Z J w e r e i d e n t i fi e d i n o r t h o g o n al e x p e r i me n t t h e mo l a r r a t i o o f mo n o me r s AM P S n A M n A A A P O2 ． 0 4 ． 0 1 ． 3 0 ． 0 2 ，t h e c o n c e n t r a t i o n o f mo n o me r s i s 1 5 ％ ，t h e a mo u n t o f i n i t i a t o r i S 1 ． 0 ％ ，t h e p H v a l u e i S 7，t h e r e a c t i o n t e mp e r a t u r e i S 7 0 ℃ ，a n d t h e r e a c t i o n t i me i S 5 h ．T h e r e s u l t s o f l a b o r a t o ry e v a l u a t i o n h a v e s h o wn t h a t t h i s fi l t r a t e r e d u c e r h a s g o o d e f f e c t a n d g o o d h e a t a n d s a l i n i t y t o l e r a n c e p r o pe r t i e s ． Ke y wo r ds d ril l i n g flu i d；f i l t r a t e r e d u c e r ；h e a t t o l e r a n c e a n d s a l i n i t y t o l e r a n c e；qu a d r i p o l y me r 高桥石化公 司过氧化 二异丙苯 生产的战略定位 过氧化二异丙苯 D C P 是一种橡胶及塑料的交联剂和高分子材料的引发剂 ， 俗称工业味精 ， 主要应 用于 E P S引发 、 电线 电缆交联 、 制鞋三大领域。中国企业联合会于 2 0 0 7年 l 2月公布的第十二批 中国企 业新纪录中， 中国石化集团公司创 1项世界纪录。高桥石化生产 的桥牌过氧化二异丙苯 D C P 荣获 2 0 0 9年度上海市名牌产品称号 ， 该产品已连续 l 3年荣获这一称号 。高桥石化 D C P产能 1 8 0 0 0吨 ， 产 品出口量 9 9 0 0吨， 出 口4 3个国家和地区 ， 全球市场 占有率 5 5 ％ ， 创 D C P产能 、 出口量和市场 占有率世 界第一。世界上这三大领域数一数二的企业都 用高桥石化 的 D C P 。高桥石化 D C P在激烈 的市场竞争 中稳居世界第一， 关键是有自己的核心技术。高桥石化开发出新颖的大颗粒结晶 D C P ， 大颗粒结晶状 D C P产品收率现 已提高到 9 0 ％ ， 且主要质量指标都达到 国际最高水平 。由于拥有 自己的核心技术 ， 使 得高桥石化 D C P的能耗远低于其他企业 。从上世纪 9 0年代 中期 D C P每吨售价 3 ． 4万元 ， 到 2 0 0 4年前 后降至 1 ． 5万元 ， 再到 目前回升到 2 ． 7万元左右。由年产 D C P 1 5 0吨起步的高桥石化 ， 以其产量 、 质量 方面“ 世界纪录” 的优势 ， 使得 D C P三大使用领域的世界顶尖公司都成为该公司的客户 。 经过近一年的努力， 高桥石化向法国申请 D C P 过氧化二异丙苯 核心技术专利于2 0 1 4年 7月获 得了法国专利申请号， 此是高桥石化第一次申请国外专利。早在 2 0 0 3年， 中国石化股份有限公司科技 开发部组织的技术鉴定 高桥石化具有“ D C P成套技术工艺包开发” 核心技术。高桥石化 D C P出口4 1 个 国家和地 区， 全球市场 占有率 5 5 ％ ， D C P产能 、 出口量和市场 占有率均为世界第一 。D C P是一种橡胶 及塑料的交联剂和高分子材料的引发剂 ， 俗称工业味精 ， 主要应用于 E P S引发 、 电线 电缆交联 、 制鞋三 大领域， 而世界上这三大领域数一数二的企业都用高桥石化的 D C P 。 高桥石化公司于 2 0 1 0年 9月下旬应用新型引发剂工业性试生产 P O P成功 ， 共生产一级品普通 聚 合物多元醇 G P O P一 2 0 4 5近 1 2吨， 并获得客户认可。高桥石化此前使用 A I B N 偶氮二异丁腈 引发剂 生产 P O P ， 其分解物是有毒的固体物质， 既不溶于聚合单体也不溶于聚合产物中， 经常堵塞管道， 影响正 常生产， 残渣还易混入产品影响质量。新型 P O P引发剂的分解产物， 常温下为无毒液体， 在使用过程中 可 以避免分解产物结块堵塞管道 ， 保持设备长周期运转 。 在战略定位方面， 基于高桥石化 D C P具有较大的市场竞争力和长期 的市场主导优势， 该公 司进一 步 明确产业基地的定位 ， 突出优势 ， 做大 、 做强 、 做精 D C P产业 ， 牢牢保持市场主导地位 。在着手建设漕 泾新区 2 ． 4万吨 D C P ， 保持 D C P竞争优势和长期竞争力 的同时 ， 目前在高桥老区开始推 出一批 D C P新 工艺、 安全、 环保 、 质量等方面的科研项 目， 既解决现有装置的问题， 又为漕泾新装置发展积累经验。在 科研方面， 该公 司决定引进并独家买断上海石化院 C H P技术 ， 建设氧化 中心 ， 形成高桥石化独特 的精细 化工产业链 。密切关注 D C P下游市场需求变化 ， 开 始研究 、 开发其他过氧化物产 品， 以期突破 品种 限 制 ， 改变” 独臂小巨人” 现状 ， 做大 D C P系列产品。 2 0 1 41 1 2 7