新型抗高温油基钻井液降滤失剂的研制与性能.pdf

第 3 3卷 第 1 期 2 0 1 6年 1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D CoM PLETI ON FLUI D Vo 1 ． 3 3 No ．1 J a n ．2 0 1 6 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 ． i s s n ． 1 0 0 1 - 5 6 2 0 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 0 1 新型抗高温油基钻井液降滤失剂的研制与性能 王茂功， 陈帅， 李彦琴， 孙金声， 徐显广 中国石 油集 团钻 井工程 技术研 究院钻 井液 所 ，北 京 1 0 2 2 0 6 王茂功等 ． 新型抗高温油基钻井液降滤失剂的研制与性能 [ J J ． 钻井液与完井液，2 0 1 6 ，3 3 1 1 - 5 ． 摘要通过二乙烯三胺对腐植酸进行酰亚胺化交联反应，再利用十八炕基三甲基氯化铵对其进行亲油改性，制备 了抗 温达 2 2 0℃的油基降滤失剂 D R F L C A。借助红外光谱 、扫描电镜和热重分析，表征了降滤失剂 D R F L C A的分子结构、微 观形貌和热稳定性，并通过实验评价了降滤失剂 D R F L C A对抗高温高密度油基钻井液流变性、电稳定性和高温高压滤失 性能的影响。 结果表明 降滤失剂DR F L C A分子结构上有具有乳化功能的酰亚胺基 、 酚羟基和醇羟基等基团以及亲油长链铵， 该 降滤失剂微观结构为质地疏松的纤薄层片状聚集体颗粒，热分解温度为2 4 8℃。加有降滤失剂 D R F L C A的密度为 2 ． 4 g ／ c m 的油基钻井液在 2 2 0℃老化 1 6 h后高温高压滤失量仅为 8 ． 6 mL，破乳电压高达 1 1 5 4 V，塑性黏度为 6 9 mP a S ，动 切力为 7 P a ，证明该降滤失剂在抗高温高密度油基钻井液中具有良好的降滤失性能、辅助乳化性能和降黏作用，高温高压 降滤 失性能 2 0 0℃ 略优于 贝克休斯和 哈里伯顿 降滤失 剂产 品 高温 高压 滤 失量分 别为 5 ．4、8 ． 2 、6 ． 5 mL ，泥饼 更薄 、 更坚韧，且对比体系老化后电稳定性均有不同程度的降低。 关键词 腐植酸 ；油基降滤失剂 ； 抗高温高密度油基钻井液 ； 高温高压滤失量 ； 流变性 ；电稳定性 中图分类号 T E 2 5 4 ．4 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 6 0 1 0 0 0 1 0 5 De v e l o p me n t a n d Ev a l ua tio n o f a Ne w Hi g h T e mp e r a t u r e F i l t e r Lo s s Re du c e r Us e d i n Oi l Ba s e Dr i l l i n g F l u i d WANG M a o g o n g ，CHE N S h u a i ，LI Ya n q i n ，S UN J i n s h e n g ，XU Xi a n g u a n g C NP C Dr i l l i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Be ij i n g 1 0 2 2 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t A n o i l b a s e m u d fi l t e r l o s s r e d u c e r , DR F L C A f u n c t i o n s a t 2 2 0℃ ， wa s d e v e l o p e d t h r o u g h i mi d i z a t i o n o f h u mi c a c i d b y d i e t h y l e n e t r i a mi n e f o l l o we d b y h y d r o p h o b i c mo d i fic a t i o n b y o c t a d e c y l t r i - m e t h y l a mm o n i u m c h l o r i d e ． T h e m o l e c u l a r s t r u c t u r e ， mi c r o mo r p h o l o g y a n d t h e r mo s t a b i l i t y o f DR- F L CA wa s c h a r a c t e ri z e d u s i n g I R s p e c t r o s c o p y , S E M a n d t h e r mo g r a v i me t r i c a n a l y s i s ， a n d l a b o r a t o r y e x p e r i me n t s we r e c o n d u c t e d t o e v a l u a t e t h e e ffe c t s o f DR- F L CA o n t h e r h e o l o g y , e l e c t ric a l s t a b i l i ty a n d HTHP fi l t r a t i o n o f h i g h t e mp e r a t u r e h i g h d e n s i ty o i l b a s e d r i l l i n g fl u i d ． DR- F L CA r e t a i n s e mu l s i l y i n g c a p a c i ty b e c a u s e o f t h e i mi d e g r o u p ， p h e n o l i c h y d r o x y l g r o u p and a l c o h o l i c h y d r o x y l g r o u p o n t h e mo l e c u l a r c h a i n s o f DR F L CA， a n d t h e l o n g c h a i n o r g a n i c a mmo n i u m o n t h e mo l e c u l ec h a i n ． Th e mi c r o m o r p h o l o g y o f thi s fi l t e r l o s s r e d u c e r i s an a g g r e g a t e o f l o o s e t h i nl a y e r s ． DR F LCAd e c o mp o s e s a t 2 4 8 ． A 2 ．4 g ／ c m o i l b a s e d r i l l i n g fl u i d tre a t e d wi th DR- F L CA， a f t e r a g i n g a t 2 2 0℃ f o r 1 6 h o u r s ， h a v e t h e f o l l o wi n g p r o p e r t i e s fi l t e r l o s s 8 ． 6 mL， e l e c t ri c a l s t a b i l i t y 1 ， 1 5 4 p l a s t i c v i s c o s i t y 6 9 mP a 。 S ， a n d y i e l d p o i n t 7 P a ， d e mo n s t r a t i n g b e t t e r fi l t r a t i o n ， s e c o n d a r y e mu l s i f y i n g ， t h i n n i n g a n d HT H P 2 0 0℃ fi l tr a t i o n p e r f o r ma n c e s tha n B a k e r Hu g h e s ’ a n d Ha l l i b u r t o n ’ S c o r r e s p o n d i n g p r o d u c t s H T H P fi l tr a t i o n a r e 5 ． 4 ， 8 ． 2 a n d 6 ． 5 mE ， t h e e l e c t r i c a l s t a b i l i ty o f wh i c h a l s o d e c r e a s e s a ft e r a g i n g ， b u t t h e q u a l i t y o f mu d c a k e i s s l i g h t l y p o o r e r tha n B a k e r Hu g h e s ’ a n d Ha l l i b u r t o n ’ S c o rre s p o n d i n g p r o d u c t s ． Ke y wo r d s Hum i c a c i d ； F i l t e r l o s s r e d u c e r f o r o i l b a s e d r i l l i n g fl u i d ； Hi g h t e mp e r a t u r e h i g h d e n s i ty o i l ba s e d ril l i n g fl u i d ； HTHP fi l t e r l o s s ； R h e o l o g y ； E l e c t ric a l s t a b i l i ty 基金项 目 国家 8 6 3项目 “ 海上大位移井钻井液关键技术研究” 2 0 1 2 A A0 9 1 5 0 2和国家重大专项课题 “ 复杂地质条 件下深井钻井液与高温高压固井技术研究项 目” 2 0 1 1 Z X0 5 0 2 1 0 0 4资助。 第一作者简介 王茂功，高级工程师，博士，1 9 7 7 年生，毕业于天津大学工业催化专业，主要从事处理剂研发和钻 井液技术研 究。 电话 1 8 9 1 1 0 1 1 3 1 1； E ma i l wa n g mg _d r i c n p c ． t o m．c a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 6年 1月 目前油基钻井液用降滤失剂主要分为腐植酸 胺类和沥青类产品， 其中沥青类降滤失剂具有取材 广泛和价格便宜等优势，在过去的一段时间内被广 泛应用，然而沥青类降滤失剂存在降低钻速、污染 环境和加量大等缺点，在中国环境敏感区域和国外 大部分地区的油基钻井液中，已对其限制使用 [ 14 ] o 腐植酸胺类降滤失剂作为高端油基降滤失剂，具有 高温稳定性强、对环境友好、可改善钻井液流变性 和提高乳化稳定性能等特点，在国外高温深井超深 井和环境敏感的海上钻井施工中已有应用。中国对 油基钻井液研究与应用起步较晚，对于腐植酸胺类 油基降滤失剂的研究报道很少，国外对其研究主要 为利用有机胺 长链有机胺或季铵盐 对腐植酸进 行亲油改性 [5 -7 ] o笔者采用二乙烯三胺对腐植酸进 行大分子空间交联改性并引入具有乳化功能的酰亚 胺基团，再利用长链季铵盐对交联大分子进行亲油 改性制备油基降滤失剂。借助红外光谱、扫描电镜 和热重分析对油基降滤失剂进行表征，并考察其在 抗高温高密度油基钻井液中的高温高压降滤失性 能 ，以及对钻井液流变性和电稳定性 的影响。 1 实验 部分 1 ． 1 原料 腐植酸，化学纯 ； 十八烷基三 甲基氯化铵， 三 乙二醇单 丁醚 ，有 机土 DR ． G E L，乳 化剂 DR ． E MU L ， 乳化润湿剂 D R - C O A T ， 天然氧化沥青， 降 滤失剂 MA O I 贝克休斯公司产品 ，降 滤失剂 DU R A T O NE 哈里伯顿公司产品 ， 工业品； 二乙烯三胺 ，Na O H，分析纯。 1 ． 2制备 在装有搅拌器、温度计、回流冷凝器和集液管 c 【c l H 一 一c H ， c 的 1 0 0 0 mL四口烧瓶 中，加入 1 0 0 g腐植酸 、2 ． 1 g 二乙烯三胺和 6 0 0 g 三乙二醇单丁醚，在 1 6 0 o C 恒温反应至集液管中生成 1 ． 1 g 水终止反应，将物 料进行真空蒸馏去除三乙二醇单丁醚，得到交联大 分子酰亚胺基腐植酸。 称取 9 0 g 交联大分子酰亚胺基腐植酸、9 ．5 g Na OH和 5 0 0 g 蒸馏水 ，加入到装有搅拌器 、温度 计和回流冷凝器的 l 0 0 0 m L四口烧瓶 中，均匀搅 拌，升温至 9 5℃，恒温反应 2 h ，反应完毕加入 5 0 g十八烷基三甲基氯化铵 ，于 9 5℃下继续反应 2 h ，反应完毕，降温至4 0℃，将物料压滤，滤饼 在 1 0 5 烘干，粉碎、过孔径为 0 ． 1 5 4 1T Il“n 的筛， 即得油基降滤失剂 D R - F L C A。 图 1 为 由 基降滤失 剂 D R F L C A的分子结构示意图。 1 ． 3 物性表征 采用美 国赛默飞世尔科技公 司 NI C OI E T i S 1 0 型红外光谱仪对试样进行红外光谱分析 ； 采用 日 本 电子株式会社 J S M． 6 5 1 0型扫描 电镜对试样微观形 貌进行测定 ； 采用 日本理学 R i g a k u T G8 1 2 0型热重 分析仪， 在 N 保护、 升温速率为 l 0 oC／ m i n 条件下， 测定试样热稳定性。 1 ． 4 性能评价 1 ． 4 ． 1 抗高温高密度油基钻井液性能评价 抗高温高密度油基钻井液配制 分别将 0 号柴 油、1 2 g乳化剂 D R - E MUL、 乳化润湿剂 D R - C O AT 、 浓度为 2 0 ％ 的 C a C 1 2 水溶液 、6 g有机土 DR ． G E L、 1 2 g 降滤失剂 D R - F L C A和 6 g氧化钙依次加入到 高搅杯中 ，每加入 1 种处理剂 ，于 1 1 0 0 0 r ／ mi n下 高速搅拌 2 0 min ，最后加入重晶石，高速搅拌 4 0 mi n 。其中油水 比、柴油、C a C I 水溶液 、乳化润湿 剂和重晶石加量根据钻井液密度确定 。钻井液密度 图 1 油基降滤失剂 D R - F L C A分子结构片断 CH I 由 一 c H 3 】 c 用 r 代衰‰ ， C H 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 3 卷 第 1 期 王茂功等新型抗高温油基钻井液降滤失剂的研制与性能 人越来越多的胶体吸附沉积在井壁表面形成一层致 密的泥饼 ，即外泥饼 [ 1 ” 】 。 根据 D R - F L C A的分子结构和性能评价结果可 知 降滤失剂通过二乙烯三胺对腐植酸进行酰亚胺 化大分子交联反应 ，再利用十八烷基三甲基氯化铵 对其进行亲油改性制得，D R - F L C A分子量为腐植 酸改性前分子量 的数倍 ，同时分子 中引入的酰亚胺 基和分子中固有的酚醇羟基等乳化基团一起与油基 钻井液 中的盐水相发生乳化作用 ，使得 DR F L C A 在油基钻井液中形成亲附有许多乳液滴 的空间网状 大分子胶体，因此该降滤失剂可更为有效地阻止液 相向地层的渗入， 有良好的降滤失效果 ； 再者，由 于降滤失剂分子中乳化基团和酚羟基的作用，使得 D R - F L C A同时具有良好的辅助乳化和降黏作用。 3 结论 1 ． 通过二乙烯三胺对腐植酸进行酰亚胺化大分 子交联反应 ，再利用十八烷基三甲基氯化铵对其进 行亲油改性，制备了油基降滤失剂 D R ． F L C A。该 降滤失剂分子结构上含有具有乳化功能的酰亚胺 基 、酚羟基和醇羟基等基团 ，微观结构为质地疏松 的纤薄层片状聚集体颗粒，热分解温度为2 2 8 ℃。 2 ． 降滤失剂 D R ． F L C A在抗高温高密度油基钻 井液 中表现出良好 的流变性、电稳定性和降滤失性 能， 并具有一定的辅助乳化和降黏作用。密度为2 ．4 g ／ c m 油基钻井液在 2 2 0℃老化 1 6 h 后，高温高压 滤失量仅为 8 ． 6 mL，破乳电压为 1 1 5 4 V，塑性黏 度为 6 9m P a S ，动切力为 7 P a 。 3 ． 降滤失剂 DR ． F L C A分子 中酰亚胺基 和酚、 醇羟基等乳化基团与油基钻井液体系中的盐水相发 生乳化作用，有利于降低泥饼渗透陛，并有一定辅 助乳化和降黏作用。 [ 2 ] 参 考 文 献 So l i ma n A A．Oi l b a s e mud i n h i g h p r e s s u r e，h i g h t e mp e r a t u r e we l l s [ C ] ／ ／ Mi d d l e E a s t Oi l S h o w． S o c i e t y o f Pe t r ol e u m Eng i n e e r s，1 99 5． 王中华 ． 国内外超高温高密度钻井液技术现状与发展 趋势 [ J ] ． 石油钻探技术，2 0 1 1 ，3 9 2 1 - 7 ． W a n g Zh o n g h u a ． S t a t u s a n d d e v e l o p me n t t r e n d o f u l t r a ． h i g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h d e n s i t y d r i l l i n g fl u i d a t h o me a n d a b r o a d [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n 幻u e s ， 2 0 1 1 ， 3 9 21 7 ． [ 3 ] 王中华 ． 国内外油基钻井液研究与应用进展 [ J ] ． 断块 油气田，2 0 1 1 ，1 8 4 5 3 3 ． 5 3 7 ． W a n g Z h o n g h u a ． Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n p r o g r e s s o f o i l - b a s e d d r i l l i n g fl u i d a t h o me a n d a b r o a d[ J ] ． F a u l t B l o c k Oi l ＆ G a s F i e l d ，2 0 1 1 ，1 8 4 5 3 3 ． 5 3 7 ． [ 4 ] 王中华．关于加快发展我国油基钻井液体系的几点看 法 [ J ] _ 中外能源 ，2 0 1 2 ，1 7 2 3 6 ． 4 1 ． W a n g Zho ng h ua ．S e ve r a l v i e w o n a c c e l e r a t i ng t h e d e v e l o p me n t o f o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d s y s t e m i n c h i n a [ J ] ． S i n o - g l o b a l E n e r g y ， 2 0 1 2 ，1 7 2 3 6 4 1 ． [ 5 ] F r o s t ， Da v i d ． A p r o c e s s f o r t h e p r o d u c t i o n o f a fl u i d l o s s r e d u c i n g a d d i t i v e f o r a n o i l b a s e d we l l wo r k i n g fl u i d E P， 0 0 9 1 4 8 4 A1 [ P 】 ． 1 9 8 2 ． [ 6 ] C l a p p e r D K， S a l i s b u r y D P ． F i l t r a t i o n c o n t r o l a d d i t i v e f o r i n v e rt e mu l s i o n dri l l i n g fl u i d s and me t h o d o f p r e p a r a t i o n U． S ． P a t e n t 4 7 3 5 7 3 2 [ P ] ． 1 9 8 8 ． [ 7 ] Wi l l i a m C ． S c o g g i n s ，C l a u s P ． He r o l d ，H e i n z Mu e l l e r ． Fl u i d l os s a dd i t i ve f o r we l l d r i l l i n g flu i d s US， 4 8 5 1 1 4 2 [ P ] ． 1 9 8 9 ． [ 8 ]8 阳虹，李永生 ，范云场 ，等 ． 风化煤中腐植酸的提取 及其光谱学研究 [ J ] ． 煤炭转化，2 0 1 3 ，3 6 2 8 7 ． 9 1 ． Ya n g Ho n g，L i Yo n g s h e n g，F a n Yu n c h a n g， e t a 1 ． Hu mi c a c i d e x t r a c t i o n f r o m we a t h e r e d c o a l a n d i t s s p e c t r o s c o p i c r e s e a r c h [ J ] ． C o a l C o n v e r s i o n ， 2 0 1 3 ， 3 6 2 8 7 - 9 1 ． [ 9 】 邹静，王芳辉，朱红，等 ． 风化煤中腐植酸的提取研 究 [ J ] ． 化工时刊，2 0 0 6 ，2 0 6 1 0 ． 1 2 ． Z o u J i n g，W a n g Fa n g h u i ，Zh u Ho n g，e t a 1 ． S tud y o ft h e e x t r a c t i o n o f h mn i c a c i d f r o m we a t h e r e d c o a l [ J ] ． C h e mi c a l I n d u s t r yT i me s ， 2 0 0 6，2 0 61 0 - 1 2 ． [ 1 0 ]刘莹，刘政，刘民，等 ． 阜新褐煤中腐植酸的提取 [ J ] ． 光谱实验室，2 0 1 I ，2 8 5 2 3 0 6 ． 2 3 0 9 ． Li u Yi n g，Li u Z h e n g，Li u M i n， e t a 1 ． Ex t r a c t i o n o f h u mi c a c i d f r o m f u x i n l i g n i t e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f S p e c t r o s c o p y L a b o r a t o r y ， 2 0 1 1 ， 2 8 5 2 3 0 6 2 3 0 9 ． [ 1 1 ]As t o n M，Mi h a l i P ，T u n b r i d g e J ，e t a 1 ． T o w a r d s z e r o fl u i d l o s s o i 1 b a s e d mu d s [ J ] ．S P E 7 7 4 4 6 ． 2 0 0 2 ． [ 1 2 ]Ga l a t e J W ， Mi t c h e l l R F ． B e h a v i o r o f o i l mu d s d u r i n g d r i l l i n g o p e r a t i o n s [ J ] ． S P EDr i l l i n gE n g t ’n e e r i n g ，1 9 8 6 ，1 2 9 7 ． 1 0 6 ． [ 1 3 ]Gu i C h a r d B，Va l e n t i A，E1 i O k e m ，e t a 1 ． An o r g a n o s o l u b l e p o l y me r for o u t s a t a n d i n g fl u i d - l o s s c o n tr o l wi t h mi n i mu m d a ma g e [ J ] ． S P E 1 0 7 2 8 1 ，2 0 0 7 ． 收稿 日期2 0 1 5 ． 1 0 ． 2 1 ；HG F 1 6 0 1 N1 3 ；编辑 王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m