钻井液处理剂在重晶石表面吸附行为研究.pdf

第 3 1卷 第 1 期 2 0 1 4年1月 钴井液与 完井 液 DRI L LI NG F L UI D COMPL ET I ON F LUI D V o l _ 3l NO ． 1 J a n ．2 01 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 3 钻井液处理剂在重晶石表面吸附行为研究 王平全 ， 时海涛 ， 李伟 ， 鲁柳利 4 ， 罗平亚 1 ． 油气藏地质与油气 田开发国家重点实验室 西南石油大学 ， 成都 ； 2 ． 陕西延长石油 集团 有限责任公司研究院，西安 ； 3 ． 西南石油大学研究生院，成都 ； 4 ． 川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院， 成都 王平全等 ． 钻井液处理剂在重晶石表面吸附行为研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 l 1 8 - 1 1 ． 摘要重晶石在钻井液中的悬浮与聚集状态与钻井液的性能好坏有着至关重要的联系。从钻井液中重晶石与处理 剂之间的相互作用着眼，研究了处理剂F V - 2 、S MC、D J 一 1在重晶石表面的吸附状态、吸附类型以及在不同盐度下的 吸附量变化。室内实验表明，这些处理剂都能与重晶石产生吸附作用，在重品石表面成膜，既有物理吸附又有化学吸 附，物理吸附普遍存在， 化学吸附则与处理剂的化学分子结构有关， 但DJ ． 1 为惰性材料， 只在重晶石表面产生物理吸附， 盐水中F V - 2在重晶石表面的吸附量明显下降，而 S MC和 D J 一 1在重晶石表面的吸附具有较好的抗盐能力。 关键词 重 晶石 ； 表面 ； 吸附 ； 钻井液处理剂 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 4 0 1 0 0 0 8 0 4 0 引 言 ． 重晶石主要成分为B a S O ，在油田钻井液中作为 加重剂被大量使用，重晶石在钻井液中一般被认为是 惰性固相。国外个别学者如 C a f e 和R e b b 等人认为， 在碱性环境下，重晶石表面可吸附其他物质，但这只 是零星推断，未见佐证数据，更未见中国相关研究和 报道。研究也表明，重晶石中除 B a S O 和 S i O 外还 存在含有 A l 、 c a 等元素的少量杂质 口 】 。因此在碱性 条件下，重晶石很有可能不是惰性的。 重 晶石表 面上的原子两侧原子不 同，所 受 的力 场就不同，具有表面能。在 B a S O 、S i O 晶体中由 于晶格缺陷会在其表面产生剩余负电荷。晶层断面上 S j 0一s i 断键成为 S i _ - O H，在碱性条件下使得重 晶石带有负电荷； A 1 一O H在碱性条件下变为A l _O 一 ， 带负电[2 ； 同时 A l 核外电子具有空轨道，可与其他 一 些具有剩余电子对的化合物和具有 兀 轨道的电子络 合生成电荷转移型络合物 [3 -4 ] o在碱性环境中，重晶 石表面带微弱负电，根据法扬斯法规则，带负电的重 晶石表面可吸附高价阳离子，如 F e 、A 1 、T i 等，这 些被吸附的金属离子的原子具有空轨道，可接受配位 体，具有络合能力，可与一O H、一c O O H等给电子 基团产生络合吸附，且重晶石的表面弱负电性会因吸 附高价离子而有所加强。目前中国的很多研究就是针 对重晶石分子结构和化学键特征对重晶石进行表面改 性 - 。 因此， 在重晶石含量较多的高密度水基钻井液中， 尤其是在重晶石颗粒直径更小、 表面能更高的情况下， 就更不能忽视其与处理剂之间存在的吸附作用，重晶 石因吸附钻井液中的处理剂而将改变其在钻井液体系 中的聚集状态 分散度、级配、沉降稳定性等 ，最 终导致高密度水基钻井液的流变性、黏度效应和滤失 造壁性的变化 【 ，对钻井液的性能产生影响。研究重 晶石与处理剂之间的相互作用，有助于认清其对高密 度水基钻井液性能产生影响的内在实质，并指导性能 调控。 1 实验 部分 1 ． 1 实验材料和仪器 抑制性包被剂 F V - 2 ，降黏剂 S MC ，降滤失剂 D J ． 1 ，A P I 重晶石 。 S o l i d S p e c ． 3 7 0 0 U v紫外 ． 可见光分光光度计， F A 2 0 0 4电子分析天平，8 5 ． 1 磁力搅拌器，WQ F 一 5 2 0 基金项目 陕西延长石油 集团有限责任公司项 目 “ 延长石油陆相页岩气井水基钻井液技术研究” 陕研 1 3 - 2 4 。 第一作者简介 王平全，教授，2 0 0 2年毕业于西南石油大学石油工程学院，获石油与天然气博士学位，现在主要从事钻井 液科研-9教学工作。地址 四川省成都市新都区西南石油大学石油工程学院 ； 邮政编码 6 1 0 5 0 0； E - ma i l b a n i s h e d 1 6 3 ． c o rn。 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 1 0 钴井液与 完井液 2 0 1 4年 1月 发生吸附。结合重晶石颗粒红外光谱和 F V - 2 与重晶 石相互作用后的红外光谱可知，2 者共存一体作用达 平衡后的官能团除重晶石、F V - 2 原有官能团外，在 1 0 8 1 c m ～ 、9 7 7 c m ～ 、7 8 6 c m 处出现了较弱的新振 动吸收峰，即为一s i_O c 一官能团的特征吸收峰。 可见，F V - 2 分子在与重晶石相互作用过程中产生了 新的官能团，即一s iO C 一。由此证明，A P I 重 晶石颗粒与 F V - 2 之间存在吸附，且物理吸附与化学 吸附共存。 l o o 8 0 6 o 柏 2 O O 图 4 F V - 2的红外光谱图 4 0 0 0 3 5 o o 3 0 0 0 2 5 o 0 2 O 1 1 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 o | 图 5 F V - 2与重晶石相互作用后的红外光谱图 2 ． 2 ． 2 S MC 与重晶石的作用结果分析 由图 6 、图7的 S MC红外光谱分析可知，S MC 中含有大量的极性官能团 ，如 3 3 5 9 c m- 、3 1 9 3 c m 处的强吸收峰为o H特征吸收峰 ； 1 5 7 7 c m - 、 1 3 7 6 c m - 处的强吸收峰为-N H ， 特征吸收峰 ； l 0 8 5 c m - 处的较强吸收峰为一s 一 0 特征吸收峰 ； 1 0 3 1 c m 处有一个较强的一C O特征吸收峰 ； 此外 9 0 6 c m - 、 7 8 6 c m- 处的中等吸收峰为一C R特征吸收峰。这 些极性官能团以氢键作用方式吸附在重晶石颗粒表面 上，一S O 、一c o等官能团还能与重晶石中的 金属离子 M 如 A 1 离子 形成络合物，因此，S MC 在重晶石颗粒表面上存在强烈的吸附作用。 结合图 6 、图 7 可知，S MC与重晶石颗粒相互 作用后 ，原来 2者都含有的一O H消失，而在 1 0 8 1 cm ～ 、9 7 5 c m- 、7 9 8 c m- 处产生了新的中等偏弱吸 收峰，即为新官能团一S iO C 一。由此证明，重 晶石颗粒与 S MC之间存在吸附，且物理吸附与化学 吸附共存。 o t喁 图 6 S MC的红外光谱图 图 7 S MC与重晶石作用后的红外光谱分析 2 ． 3 溶液盐度对处理剂在重晶石表面吸附的影响 2 ． 3 ． 1 F V - 2 在重 晶石表面的吸附量 采用紫外分光光度法测定了溶液中F V - 2 在重晶 石颗粒表面的吸附量，其结果见图8 。 督 V 蓍 吸附时间m 图 8 F V - 2在重晶石表面吸附量随时间变化 p H 9 ． 0 、室温 由图 8 可知， 相同条件下，在淡水溶液中， F V - 2 在重晶石颗粒表面存在吸附，随着时间延长，吸附量 随之增加，直到 5 h 趋于平衡，吸附平衡量为 O ．5 0 0 m g ／ g 左右 ； 在 1 0 ％ N a C 1 盐水溶液中，F V - 2 在重晶石 颗粒表面同样存在吸附，并随着时间延长，吸附量先 急剧增加后急剧下降，直到 9 h 趋于平衡，吸附平衡 量为 0 ． 3 9 0 m g ／ g 左右。盐水体系中随着时间延长， 重 晶石对 F V - 2的吸附量先急剧增加后急剧下降 ，这表 明F V - 2 在重晶石颗粒表面上的吸附受盐的影响明显 ， 其原因有 2 方面 一方面在开始阶段，吸附量急剧增 加，符合一般聚电解质的吸附规律，显然是由于聚电 解质效应被压抑，大分子卷曲所造成的 ； 另一方面在 碱性环境 p H值为 9 ． 0 下，F V - 2 与重晶石 中的氧 原子、一0 H形成氢键而吸附，同时与重晶石中的 A 1 原子络合而吸附，而在电解质Na C 1 存在下，吸附在 重晶石颗粒表面上的正离子增多，大量正离子吸附在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 l 卷 第 1 期 王平全等钻井液处理剂在重晶石表面吸附行为研究 重晶石颗粒上， 这些水化正离子会把一些吸附点封闭， 此时 F V - 2 要吸附在重晶石颗粒上必须排开这些水化 离子，使 F V - 2 的吸附在电解质 N a C 1 存在下而变得 困难 ，最终导致吸附量减少 。 2 ． 3 ． 2 S MC 在重晶石表面的吸附量 采用紫外分光光度法定量测定了溶液中 S MC在 重晶石颗粒表面的吸附量 ， 其结果见图 9 。实验发现 ， 相同条件下，在淡水和 I O ％ N a C 1 盐水溶液中，S MC 在重晶石颗粒表面均存在吸附，随着时间延长，吸附 量随之增加，直到 5 h左右趋于平衡，淡水溶液中吸 附平衡量约为O ．6 5 0 r n g ／ g ， 盐水中略微下降， 约为O ．6 0 0 mg ／ g ，较 F V - 2 在重晶石颗粒表面上达吸附平衡所需 的时间短，且几乎不受盐的影响，这与 S MC分子量 相对有关。其吸附规律与一般高分子量聚合物类似。 营 V 嗣 蓍 吸 附时 同m 图 9 S MC在重晶石表面吸附量随时间的变化 p H 9 ． 0 、 室温 2 ． 3 ． 3 D J 一 1 在重晶石表面的吸附量 实验测定 了淡水和 1 0 ％Na C I 盐水溶液 中，DJ ． 1 在重晶石颗粒表面上的平衡吸附量，其结果见图 1 0 。 图 1 0 结果表明，淡水溶液中D J ． 1 的吸附平衡时间为 3 h 、吸附平衡量为 2 ． 1 0 0 mg y g左右 ，盐水溶液 中的 吸附平衡时间为 3 h 、吸附平衡量为 2 ．0 0 0 mg ／ g 左右， 表明 D J 一 1 在重晶石表面吸附量几乎不受盐 的影响。 V 詈 吸 附时 同， h 图 1 0 DJ ． 1 在重晶石表面吸附量随时间的变化 p H 9 ． 0 、 室温 3 结论 1 ． 由于重晶石表面具有表面能、晶格取代而带的 负电荷、范德华力等原因，钻井液中大多处理剂都能 与重晶石发生反应并在重晶石表面产生吸附，且这种 反应是有利 的，有利于重晶石颗粒的分散与悬浮 ，尤 其是当处理剂是能形成结构的大分子时。 2 ． 处理剂在重晶石表面的吸附类型既有物理吸 附，又有化学吸附， 物理吸附普遍存在， 化学吸附则 与处理剂的化学分子结构有关， 如 D J 一 1 能在重晶石 表面成膜， 且该膜是惰性物质， 不在重晶石表面形成 化学键。 3 ． 处理剂在重晶石表面的吸附量与盐度有关 ，可 随盐度变化而变化，它主要通过影响化学吸附来影响 处理剂的抗盐性。 参 考 文 献 [ 1 ] 冯静 ，王瑞敏 ，张激光 ． 重晶石矿石成分分析标准物质 研制 [ J ] ． 岩矿测试 ，2 0 1 0 2 1 7 5 ． 1 7 8 ． F e n g J i n g ， W a n g Ru i mi n，Zh a n g J i g u a n g ． P r e p a r a t i o n o f c e r t i fi e d r e f e r e n c e b a r i t e o r e s [ J ] ． R o c k a n d Mi n e r a l A n a ly s i s ， 2 0 1 0 2 1 7 5 ． 1 7 8 ． [ 2 】 马伟 ． 固水界面化学与吸附技术 [ M】 ． 冶金工业出版社 ， 2 0 1 16 0 ． 6 1 ． Ma W e i ． Th e l i q u i d - s o l i d i n t e r f a c e c h e mi s t r y a n d a d s o r p t i o n t e c h n o l o g y【 M] ． Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ，2 0 1 1 6 0 - 6 1 ． [ 3 】 Al i s a V S i n e v a ，A k s a n a M P a r f e n o v a ， A n n a A F e d o r o v a ． Ad s o r p t i o n o f mi c e l l e f o r mi n g a n d n o n - mi c e l l e f o rm i n g s urf a c t ant s o n t h e a d s o r b e n t s o f d i f f e r e n t n a t u r e [ J 】 ． C o ／ ／ o i d s a n d S u rf a c e s A P h y s i c o c h e mE n gA s p e c t s ，2 0 0 7 3 0 6 6 8 ． 7 4 ． [ 4 】 Z h a n g Ya we n ，T a n g Mi n g ，J i n g Xi n g ， e t a 1 ． P o l y me r i c a d s o r p t i o n b e h a v i o r o f n a n - o p a r t i c u l a t e y t t r i a s t a b i l i z e d z i r c o n i a a n d t h e d e p o s i t i o n o f a s - f o rm e d s u s p e n s i o n s o n d e n s e 0 l - A1 2 O3 s u b s t r a t e s [ J ] ． S o l i d S t a t e S c i e n c e s ，2 0 0 3 ，5 3 4 3 5 ． 4 4 0 ． [ 5 】 贾铎，陆璇，潘慧芳，等 ． 活化重晶石的研究 [ J ] ． 钻井液 与完井液，1 9 9 5 ，1 2 1 6 - 8 ． J i a Du o，L u Xu a n，P a n Hu i f ang，e t a 1 ． S t u d y o n c h e mi c a l mo d i fi c a t i o n a c t i v a t e d b a r i t e [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u 1 9 9 5 ，1 2 1 6 ． 8 ． [ 6 ] 蓝强，郑成胜 ，徐运波，等 ． 暂堵用疏水改性纳米碳酸 钙的研制 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 4 1 - 4 ． L an Q i a n g ，Z h e n g C h e n g s h e n g ，Xu Y u n b o ，e t a 1 ． R e s e r c h o n t e mp o r a r y p l ug g i n g a g e n t o f h y d r O p h O b i c n a n O s c a l e c a r b o n a t e [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d , 2 0 1 3 ．3 0 4 1 ． 4 ． [ 7 ] 曹杰 ，邱正松，徐加放，等 ． 有机土研究进展 [ J ] ． 钻井液 与完井液 ，2 0 1 2 ，2 9 3 8 1 ． 8 4 ． C a o J i e ， Q i u Z h e n g s o n g ， X u J i a f a n g ， e t a 1 ． S t u d y p r o g r e s s e s i n c l a y [ J ] ． Dr i l l i n gF l u i d＆ C o m p l e o n F l u i d ， 2 0 1 2 ， 2 9 3 81 84． 收稿 日期2 0 1 3 ． 0 9 1 9 ；HG F 1 4 0 1 M2 ；编辑马倩芸 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m