白油基钻井液用有机土的研制.pdf

第 2 6卷 第 5期 2 0 0 9年 9月 钻 井 液 与 完 井 液 DRI LLI NG FI UI D COMPLETI ON FI UI D Vo1 ． 2 6 NO ． 5 Se p t ． 2 00 9 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 9 0 5 0 0 0 1 0 3 白油基钻井液用有机土的研制 王茂功 王奎才 李英敏 王发云 中国石油集团钻井工程技术研究 院 ， 北京 摘要 通 过利 用十二炕基三 甲基氯化铵 、 十六烷基 三 甲基 氯化铵 、 十八烷基 三 甲基氯化铵 与提 纯钠基 膨润土 发 生置换反应 ， 再用高分子量 聚合 物 S OP AE进行插 层 ， 制 备 了系列 白油基 钻 井液 用有机 土 。采用 F T I R、 X R D、 S E M、 TE M、 胶体 率、 流 变性 、 滤失量对有机土性 能进 行了表征 与测试 。结果表 明 插层剂能进入 蒙脱 石晶层间与其 表 面发生化学键连 ， 可使 晶层 间距增 大 至 2 ． 6 9 4 n t r l ， 使 有机土 片层极 其疏 松 ； 插 层剂 加量 为 1 ． 5 C E C的 有机土 W1 5性 能最好 ， 其在 5 白油 中的胶体率 、 塑性黏度、 动切 力和滤失量分别达到 9 9 、 1 3 ． 0 mP a S 、 3 ． 5 P a和 2 8 mI ， 且在 1 5 0℃热滚 1 6 h后胶体 率、 黏度和切 力增加 ， 滤夫量 降低 ， 表 明有机土 w1 5具 有较好 的增 黏提切和耐高 温性 能， 在高温下更有利于有机土 晶片的分 散成胶。 关键词 有机土 ； 制备 ； 插层剂 ； 季铵盐 阳离子表面活性 剂； 油基钻井液 中图分类号 TE 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 随着石油勘探开发 的不断深入和社会对环保问 题的逐渐重视 ， 白油基钻井液 由于具备油基钻井液 的优点并对环境无污染 ， 因此得到广泛 的研究 ] 。 但是对白油基钻井液中的重要组成部分有机土的研 究却很少 ， 其相关文献报道也几乎没有 。有机土在 钻井液中主要起增黏提切的作用 ， 因此其性能的好 坏将直接影响钻井液的流变性和携岩能力 。目前市 场上 的油基 钻 井液用 有 机土 在 白油 中的凝 胶性 和增 黏提切效果普遍较差 ， 因此对 白油基钻井液用有机 土的制备进行了研究 。 1 实验 部分 1 ． 1 实验材料 高分子量 聚合物插层 剂 S O P AE； 十二 烷基三 甲基氯化铵 D TMA ； 十六烷基三 甲基氯化铵 C T MA ； 十八 烷基 三 甲基 氯 化 铵 OT MA ；提 纯钠 基 膨 润 土 ， 其 主 要 成 分 为 6 0 ．3 7 S i O ， 2 4 ．5 2 A l 2 O3， 0．0 4 Ti O2，1 ．2 0 Fe 2 O3，0．29 Fe O ， 3 ． 3 8 M g O ， 0 ．1 6 Ca O ， 0． 1 4 K2 O ， 0． 0 0 6 M n O ， 2 ． 8 6 Na O， 烧 失量 为 7 ． 0 5 ， 阳离 子交换 容量 C EC 为 9 3 mmo l ／ 1 0 0 g土 。 1 ． 2 有机土的制备 将季铵盐 阳离子 表 面活性 剂 D TMA、 C TMA 和 O TMA水溶液分别与提纯钠基膨润土浆在恒温 水浴中发生多次置换反应 ， 当反应完全后加入高分 子量聚合物插层剂 S O P AE， 反应 6 h ， 将反应体 系 静置分层 、 洗涤 、 过滤 ， 真空 干燥后制得 白油基钻井 液用有机膨润土。通过改变插层剂加量分别制备了 系 列 有机膨 润 土 W l 3 、 W 1 4 、 W l 5和 w1 6 ， 它们对 应 的插层剂加量分别为 1 ． 3 、 1 ． 4 、 1 ． 5和 1 ． 6 C EC。 1 ． 3 有机土性能测试与表征 1 ． 3 ． 1 试样 表 征 使用 T h e r mo Ni c o l e t NE X US型红外光谱仪对 试样进行红外谱 图分析； 使用 日本理学 D／ ma x 2 5 0 0 型 X射线衍射仪对试样晶相结构进行测定 ， 采用粉 末法 ， Cu靶， 管电压为 4 0 k V， 管电流为 1 0 0 mA， 扫 描范围为 2 。 ～1 0 。 ； 使用 T E S c AN VE GAⅡ型扫描 电镜对试 样微 观形貌 进行 测定 ； 使 用荷 兰菲利 普 Te c n a i G 2 F 2 0型 透射 电镜 对 试 样 层 问 间距 进 行 测 定 。 1 ． 3 ． 2 性 能 测定 1 胶体率。称取 4 ． 0 g的有机土 精确至 0 ． 0 1 g ， 倒入装有 2 0 0 mL 5 白油的高搅杯中， 在 4 0 0 0 r ／ mi n下搅拌 1 0 rai n ， 使有机土充分分散 ， 然后量取 1 0 0 mI 混 合 液 倒 入 1 0 0 mL具 塞 量 筒 中， 静 置， 同 时 以 秒 表 计 时 ， 记 录 9 0 mi n时 上 层 游 离 白 油 第一作者 简介 王茂 功， 博士 ， 1 9 7 7年生 ， 毕业于天津 大学 高分 子专业 ， 现在 从事低 毒环保 钻 井液技术 研 究_T - 作。地址 北京市海淀 区学院路 2 O号实验 区 5区 5 1 5室； 邮政编码 1 0 0 0 8 3 ； 电话 1 5 8 0 1 6 5 2 3 3 8 ； E ma i l s u n s h i n e 2 0 0 8 y e a h ． n e t 。 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 0 9年 9月 的体积 ， 按下式计算胶体率 。 胶体率 1 0 0 --V ／ l o o 1 0 0 2 流变性。① 常温实验。称取 1 0 ． 5 g的有机 土 ， 倒入装有 3 5 0 mL 5 白油的高搅杯 中， 在 3 0 0 0 r ／ mi n条件下搅拌 1 0 mi n ， 使其分散， 然后在 1 1 0 0 0 r ／ mi n下高速搅拌 1 0 mi n， 在 2 5 C下测定表观黏 度 、 塑性黏度和动切力。②高温实验。将上述配制 的 5 白油胶体溶液装入高温不锈钢罐中， 充入 1 ． 0 MP a的氮气 ， 放人数显式滚子加热炉中， 在 1 5 0 C 滚动 1 6 h ， 取 出后 冷却至 2 5℃， 高速搅拌 1 0 mi n 后 ， 测定表观黏度 、 塑性黏度和动切力 。 3 滤失量。①常温实验 。量取 3 8 0 mI 5 白油 倒入高搅杯中， 加入 2 0 mL蒸馏水 ， 在 4 0 0 0 r ／ mi n 下加入 1 2 ． 0 g有机土 ， 继续搅拌至完全分散 ， 然后 在 1 l 0 0 0 r ／ mi n下搅拌 1 0 mi n ， 倒人干燥的滤失仪 中， 迅速加压至 0 ． 6 9 MP a ， 记 录 3 0 rai n时 的滤失 量 。② 高温 实验 。将 上述 配制 的 5 白油胶 体 溶液 ， 装入高温不锈钢罐 中， 充入 1 ． 0 MP a的氮气 ， 放入 数显 式滚子 加热炉 中 ， 在 1 5 0℃滚 动 1 6 h ， 取 出后 冷 却至 2 5 C， 高速搅拌 1 0 rai n ， 测定其滤失量。 2 结果 与讨论 2 ． 1 晶相结构 白油基钻井液用系列有机土 的 XR D谱 图如图 1所示 。 2 0／ 。 图 1 Wl 3 ～1 6系列 白油基钻井液用有机土的 XR D谱 图 由图 1可 以看 出 2 0 w 1 。 一 4 ． 7 2 。 、 2 0 w 一3 ． 9 4 。 、 2 0 w s 一3 ． 3 1 。 、 2 6 。 一3 ． 2 6 。 ， 表 明随着 插层 剂加 量 的 增加 ， 2 0在逐渐的减小 ； 根据 d 一2 ／ 2 s i n 0计算得 到 ， W 1 3 、 W1 4 、 Wl 5 和 W1 6有 机土 的层 间距 d 分 别为 1 ． 9 5 、 2 ． 2 4 、 2 ． 6 7和 2 ． 7 1 n m， 层 问距 逐 渐 增 加， 并且增加的幅度逐 渐减缓， 趋于平衡 ， 说 明随着 插层剂加量的增加 ， 蒙脱石晶层表面键连反应的插 层 剂逐 渐趋 于饱 和 ， 再 增 加插 层 剂 对增 加 层 间距 没 有明显的效果 ， 系列有机土中 W1 5的层间距 已接近 最 大 。 2 ． 2 红外谱图 图 2为提纯钠基膨润土和有机土 w1 5的红外 谱 图 。 在 图2中 ， 3 6 2 0 C E l l 一 OH伸 缩 振 动 、 3 4 2 5 c m H2 O伸缩振动 、 1 6 4 0 c m H2 O弯曲 振动 、 1 0 4 5 c m S i O 伸 缩 振 动 、 5 2 0 c m Al 一0 一S i 弯 曲振 动 和 4 6 0 c m s i OS i 弯 曲振动 为 膨 润 土 的特 征 峰 ； 2 9 2 0 c m 一 C Hz 一 反对称伸缩振动 、 2 8 5 O c m ～c H 一对称伸缩 振动 、 1 4 7 0 c m c ～N 伸缩振 动 和 7 2 3 c m S i 一 一N伸缩振动 为有机膨润土谱 图中区别于 膨润土谱图的新峰 ， 其中 7 2 3 c m S i 一 一N伸缩 振动 为插层剂与蒙脱石晶层表 面发生化学键连的 特征峰 ， 这说明插层剂已经进入蒙脱石晶层间， 与层 问吸附 的 Na 发 生置 换反应 生成 化学键 连 。 波数／ e m “ 图 2提纯钠基膨润土和有机 土 W1 5的红外谱图 2 ． 3 微观形貌 图 3 、 图 4分别 为提 纯钠 基膨 润土 和有机 土 W1 5的 S E M、 TE M 谱图。 提纯钠基膨润土 有机土 Wl 5 图 3 提纯钠基膨润土和有机 土 W1 5的 S E M 谱 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷 第 5期 王茂功等 白油基钻井液用有机 土的研制 3 如 图 3所 示 提 纯钠 基 膨 润 土 呈 紧密 重 叠 的 片 状分布 ， 且片层较大 ； 有机土 Wl 5呈分散态小 晶片 状分布 ， 且片层较薄。如图 4所示 提纯钠基膨润土 和有机土 w1 5的层 片间呈平行线状分布 ， 有机 土 Wl 5的层片 间距较 提 纯钠 基 膨润 土 明显增 加 ， 层 间 距约为 2 ． 6 n m， 与 X R D结 果一致。再 结合 F TI R 结果可知 插层剂已经进入蒙脱石 晶层间， 与晶层表 面发生化学键连 ， 使层间距增大 ， 蒙脱石层片变得小 而 薄 ， 且 十分 疏松 。 提纯钠基膨润土 有机土 w1 5 图 4 提纯钠基膨润土 和有 机膨润土 w1 5的 T E M 谱 图 2 ． 4 有机土性能测定结果 表 1为系列 有机 土性 能测 定结果 。 表 1 白油基钻井液用有机土性能测定结果 注 括号 中数据为在 1 5 0℃热滚 l 6 h后 冷却至 2 5。 C后 高速搅拌 1 0 rai n测定 的结果 。 如 表 i所示 随 着插层 剂 加量 的增 加 ， 有 机膨 润 土的胶体率逐渐增加 ； 在 1 5 0 C热滚 1 6 h后 ， W1 3 、 W1 4和 W1 5有机膨润土 的表观黏度 、 塑性 黏度和 动切力均逐渐增加 ， 且热滚后有机土的黏度和切力 均增 大 ， 滤 失 量 均 减 小 ， 这 是 因为 在 I 5 0 。 C下 热 滚 1 6 h后， 使得部分 未分散、 相互 聚结 黏连的有机土 进一步分散形成空间 网状结构 ， 增强了有机土 的凝 胶性 ， 提高 了黏度 和切力 ， 降低 了滤失量 。有机土 WI 6在 1 5 0℃热滚 1 6 h后 ， 表观黏度 、 塑性黏度和 动切 力 均 降低 ， 滤 失 量增 大 ， 这 是 由于在 有机 土 Wl 6的制备过程中插层剂过量 的部分属物理吸附， 经在 1 5 O。 C下热滚 1 6 h后 ， 吸附部分脱附下来进入 溶剂中， 使得溶液离子间静电斥力增大 ， 阻碍凝胶 的 形成。有机土 w1 5中的胶体率和流变性最好 ， 滤失 量 最小 。 3 结 论 1 ．通 过 利 用 季 铵 盐 阳 离 子 表 面 活 性 剂 DT MA、 C TMA、 OT MA 与 提 纯 钠 基 膨 润 土 发 生 多 次 置换反应 ， 再用高分子量聚合 物 S O P AE进行插层， 制备 了系列 白油基钻井液用有机土。试样表征结果 表明 ， 季铵盐阳离子表 面活性剂和高分子量聚合物 s O P AE已经进入蒙脱 石晶层 间， 与蒙脱石 晶层表 面发生化学键连 ， 增大了晶层间距 ， 使蒙脱石层片变 得 疏松 。 2 ．在系列有机土中， 插层剂加量为 1 ． 5 C E C的 有机土 w1 5的性能最好 ， 其具有较好 的增黏提切和 耐高温性能， 并且在 高温下更有利于有机土晶片的 分散成胶 。 参 考 文 献 [ 1 ] 彭放． 低 毒油基钻井 液在南 海西 部 的应用 E J ] ． 钻井 液 与完井液 ， i 9 9 6 ， I 3 6 2 8 3 2 [ 2 ] 赵正尧． 低 毒油基钻井液的使用E J ] ． 中国海上油 气 工 程 ， 1 9 9 8 ， I O 4 4 3 5 4 E 3 ] 梁大川 ， 黄进军 ， 崔茂荣 ， 等． 抗 高温高密度低毒油包 水 钻井液 的乳化 剂优选 和研 制E J ] ． 西 南石 油学 院学报 ， 2 0 0 0 ， 2 2 3 7 4 7 7 E 4 3 刘保 双， 唐代绪． 一种钻井液用 白油润滑剂 HML的研 究 [ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 2 ， 2 2 4 4 8 4 9 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 一 I 6 ； HGF 0 9 0 5 W2 ； 编辑 汪桂娟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m