超高密度钻井液分散剂的合成及性能评价.pdf

第 3 0卷 第 3 期 2 0 1 3年5月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D 、 ， o 1 ． 3 O NO ． 3 M a V 2 01 3 【 理论研究与应用技术 】 超高密度钻井液分散剂的合成及性能评价 谢建宇， 张滨， 李彬 中原石油勘探局钻井工程技术研究院，河南濮阳 谢建宇等 ． 超高密度钻井液分散剂的合成及性能评价 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 3 4 - 6 ． 摘要 以天然材料与乙烯基单体进行接枝共聚合成了超高密度钻井液用分散剂 J Z 一 1 ，对相对分子质量调节剂、 引发剂、天然材料与乙烯基单体配比等因素对分散剂性能的影响进行了考察。通过 I R对共聚物进行了红外表征， 借助热分析对共聚物进行了热稳定性评价，并对其在钻井液中的分散性能进行了室内评价。研究结果表明，在密 度为2 ． 8 g ／ c m 的钻井液中加入 2 ％J Z 一 1 ，体系漏斗黏度由2 8 2 s 降低至 1 3 0 s ，2 4 h上下密度差从0 ． 5 6 g ／ c m 降低至 0 ． 0 3 g ／ c r n ，显著提高了钻井液的流变性和沉降稳定性。 关键词 超高密度钻井液 ； 分散剂 ； 合成 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 30 3 ． 0 0 0 4 ． 0 3 近年来 ，油 田勘探 开发过程 中钻 遇 的异常 高 压地层逐渐增多，必须使用超高密度钻井液 2 ． 5 ～ 3 ． 0 g ／ c m 来满足工程及地质方面的要求 ， 如官 3 井 、 官深 1 井 以及英深 1 井等 [ 1 】 。科研人员 往往通 过 在超高密度钻井液 中加入降黏剂来改善钻井液流变 性 ，由于降黏剂对重晶石的分散作用有限 ，超高密 度钻井液 的流变性仍然难以满足现场需求 [ 4 - 8 ] o 目 前 ，仅有 中国石化石油工程技术研究院研制的专用 分散剂 S MS ． 1 9 [ 2 在现场取得 了较好 的效果。笔者 利用天然材料与丙烯酸 AA、2 ． 丙烯酰胺基 一 2 一 甲 基丙磺酸 A MP S和阳离子单体进行接枝共聚 ，研制 出一种适用于超高密度钻井液的两性离子型接枝共 聚物分散剂 J Z ． 1 ，并对分散剂进行 了室内评价。 1 分散 剂 J Z 一 1的合成 将 A A、AMP S和 二 甲 基 二 烯 丙 基 氯 化 铵 D MD AA C ，溶 解于清水 中备用 ，然后将天然材 料 T与一定量相对分子质量调节剂溶解于清水中加 入 四口烧瓶中，再将 过硫酸铵溶解 于清水 中备用 ， 将体系加热至 6 0℃后 ，将反应单体和引发剂溶液 同时进行滴加，滴加结束后将体系加热至 9 0 q C 反 应 1 h ，最后将产 品用 N a O H 中和后烘干 ，得到天 然材料接枝共聚物分散剂 J Z 1 。 2 结果与讨论 在 1 L水 中加入 1 g 碳酸钠和 2 0 g膨润土，高 速搅拌 2 0 mi n ，室温下放置养护 2 4 h ，即得 2 ％膨 润土浆 。将 J Z ． 1 加人 配制 的基 浆 中，高速搅拌 5 mi n ，于室温下放置养护 2 4 h或在一定温度下滚动 老化 1 6 h后，室温下高速搅拌 5 mi n ，用旋转黏度 计测定钻井液的流变性。 2 ． 1 合成条件对分散剂性能的影响 1 相对分子质量调节剂 。固定其它反应条件 不变 ，改变相对分子质量调节剂用量 ，然后将 2 ％ 合成的分散剂样品加人基浆 用重晶石加重至 2 ． 8 0 g ／ c r n 3 中，经 1 5 0 老化 1 6 h后 ，考察不 同相对 分子质量调节剂 用量下 ，分散剂在基浆 中 的分散 性能，结果见表 1 。从表 1 可以看 出，随着相对分 子质量调节剂用量 的增加 ，分散剂 的分 散性能呈 上升趋势 ，当相对分子质量调节剂用量达到 1 ． 2 5 ％ 基金项目 中原石油勘探局重大科技攻关项 目 “ 超高密度钻井液分散剂的研制” 2 0 1 1 3 1 0部分研究成果。 第一作者简介 谢建宇，高级工程师，博士，现在从事油田化学品研制及开发工作。地址 河南省濮阳市中原路 5 9号中 原石油勘探局钻井工程技术研究院 ；邮政编码 4 5 7 0 0 1；电话 0 3 9 34 8 9 9 5 4 8； E ma i l z y y t x j y s i n a ．c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0 卷 第 3 期 谢建宇等超高密度钻井液分散剂的合成及性能评价 5 时 ，继续 增 加 用 量 对 分 散 剂 性 能 影 响不 大。 因 此，相对分子质量调节剂的合适用量为单体质量的 1 ． 2 5 ％ ～ 1 ． 5 ％ 。 表 l 相对分子质量调节剂用量对分散剂性能的影响 注 空白表示在此转速下超出仪器量程。 2引发剂。其 它反应 条件不变，改变 引发剂 用量 ，然后将 2 ％ 合成的分散剂样品加入基浆 用 重 晶石加重至密度 为 2 ． 8 0 g ／ c m 中，经 1 5 0 o e老 化 1 6 h 后，考察不同引发剂用量下分散剂在基浆中 的分散性能 ，结果见表 2 。从表 2可知 ，随着引发 剂用量的增加 ，分散剂 的分散性能呈上升趋势 ，当 引发剂用量达到 2 ％ 时 ，继续增加用量对 分散剂性 能影响不大。因此 ，合适的引发剂用量为单体质量 的 2 ％～ 4 ％。 表 2 引发剂 用量对分 散剂 性能的影响 3天然材料与乙烯基 单体配 比。固定其它反 应 条件不变，改变天然材料 与乙烯基单体 的配 比， 然后将 2 ％合成的分散剂样品加入基浆 用重晶石 加重 至 2 ． 8 0 g ／ c m3 中，经 1 5 0℃老化 1 6 h后 ，考 察不同天然材料与乙烯基单体配比条件下，分散剂 在基浆中的分散性能， 实验结果见表 3 。 从表3 可知， 随着乙烯基单体与天然材料用量比例的降低，分散 剂 的分散性能呈先上升再降低 的趋势 ，当乙烯基单 体 与天然材料用 量 比例达到 2 8时 ，继续增加天 然材料的用量，分散剂性能下降。因此，合适的乙 烯基单体与天然材料用量比例在 2 8 ～3 7 之间。 表 3 材料配比对分散剂性能的影响 2 ． 2 J Z ． 1 在体系中的性能评价 1 J Z 一 1 加量对体 系性能 的影响。将研制 的分 散剂 J Z 一 1 加入超高密度钻井液体系中，经 1 5 0 o c 老化 1 6 h后进行性能评价 ，结果如表 4所示 。实验 用钻井液配方如下。 1 ． 2 5 ％膨润土4％S MP6％S M C0 ． 1 ％ L V - C MC I ％润滑剂 ，加重至 2 ． 8 g ／ c m 表 4 分散剂加量对钻井液性能的影响 2 对不 同密度钻井液性能的影响。分散剂 J Z 一 1 对不同密度钻井液在 1 5 0℃老化 1 6 h后性能的 影响如表5 所示。 从表5 可以看出， 在密度为2 ． 5 ～2 ． 8 g ／ c m 的超高密度钻井液中， 加入 2 ％分散剂 J Z ． 1 后 ， 体系流变性有了明显改善，说明J Z ． 1 可以在超高 密度钻井液体系中有效发挥对重晶石的分散作用。 表 5 分散剂对不同密度钻井液性能的影响 1 5 0 c C、1 6 h 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 5月 3对钻井液在不 同温度老化 后性能 的影 响。 将分散剂 J Z 一 1 加入密度为 2 ． 8 g ／ c m 的钻井液体 系 中，经不同温度老化 1 6 h后进行性能评价，结果如 表 6 所示。从表 6可知 ， 老化温度在 1 0 0 ～1 5 0 c c 时 ， 加入 2 ％分散剂 J Z 一 1 后， 体系流变性有了明显改善， 说明 J Z 一 1 抗温可达 1 5 0℃，并且可 以在较宽 的温 度范围内发挥对重晶石的分散作用。 表 6 不同老化温度下分散剂对钻井液-眭能的影响 2 ． 3 红外光谱分析 将分散剂样品经纯化后，用红外光谱仪进行检 测 ，结果见 图 1 。 图中 3 4 0 8 c n l 是一OH的 伸缩 振动吸收峰 ，1 7 2 2和 1 6 1 5 c m 是一c 0的 伸缩 振动吸收峰 ，1 1 8 4和 1 0 4 0 c m 为一s 0 的 伸缩振 动吸收峰； l 4 5 5 c m 为一C H厂 的弯曲振动吸收峰， 1 3 0 5 c m 为季铵盐的 C N键特征吸收峰。 褂 翅 蜊 波数， c m 图 1 分散剂的红外光谱图 2 ． 4 热分析 将合成的分散剂样品经纯化后，用热分析仪 进 行热 分析 ，结果 见 图 2 。可 以看 出，分散 剂在 2 8 0℃开始分解 ，说明分散剂具有较好 的热稳定性。 2 ． 5 作用机理 两性离子型分散剂 J Z 一 1 通过以下 2 种作用机 理， 吸附在重晶石表面， 提高了重晶石的分散状态， 改善了钻井液的流变性能。①空间稳定机理。J Z ． 1 可以通过分子中的阳离子基团与重晶石表面的负电 荷产生静电引力， 使得 J Z ． 1 可以牢牢地吸附在重晶 石表面。而 J Z ． 1分子链 在水 中舒展开来 ，在重 晶 石表面形成 了一层水化膜 ，当两个重晶石粒子接触 时，分散剂吸附层问的相互作用会产生排斥能，使 得重晶石粒子团聚变得困难 。②静电稳定机理。吸 附在重晶石表面的分散剂分子含有大量的阴离子水 化基团，使得重晶石表面的负电荷数 目 增加。由于 重晶石都带有同种电荷，这种重晶石颗粒问的静电 斥力有效防止 了重晶石粒子间的团聚。 ℃ 图 2 分散剂的热分析图 3 结 论 利用天然材料与乙烯基单体进行接枝共聚合成 了超高密度钻井液用分散剂 J Z 1 ，在不同温度 、不 同密度的超高密度钻井液中对重晶石均表现出良好 的分散性能，可显著提高钻井液的流变性和沉降稳 定性 ，满足现场施工需求。 参 考 文 献 [ 1 ] 王书琪，吕志强，贺文廷 ，等 ． 超高密度压井液在英深 1 井的应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 6 5 1 2 1 3 ． 【 2 ] 林永学， 杨小华， 蔡利山， 等 ． 超高密度钻井液技术 [ J 】 ． 石油钻探技术，2 0 1 1 ，3 9 6 1 - 5 ． [ 3 ]3 胡德云 ． 超高密度 p≥3 ． O g ／ c m 钻井液的研究与应 用 [ J 】 _ 钻井液与完井液，2 0 0 1 ，1 8 1 6 - 1 1 ． [ 4 ] 张军，罗健生，彭商平，等 ． 川东北地 区抗 高温超高 密度钻井液研究 [ J 】 ． 钻井液 与完井液，2 0 0 9 ， 2 6 2 3 9 4 2． [ 5 】 艾贵成，田效山，兰祖权，等 ． 超高温超高密度有机盐 钻井液技术研究[ J ] ． 西部探矿工程 ， 2 0 1 0 ， 2 2 9 4 7 4 9 ． [ 6 ] 匡韶华，蒲晓林，罗兴树，等． 超高密度有机盐钻井液 流变性和滤失量控制技术 [ J 】 ． 石油钻采工艺， 2 0 1 0 ， 3 2 2 3 0 ． 3 3 ． 【 7 ] 蔡利山，林永学，田璐，等 ． 超高密度钻井液技术进展 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 5 7 0 7 7 ． [ 8 ] 李公让，赵怀珍，薛玉志，等 ． 超高密度高温钻井液流 变性影响因素研究 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ，2 6 1 1 2 1 4 ． 收稿 日期2 0 1 2 ． 1 2 ． 2 6 ；HG F 1 3 0 3 F 5 ；编辑付明颖 s Ⅲ 厘 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m