低毒油包水钻井液用耐高温有机土的研制.pdf

第 3 2卷 第 3期 2 0 1 5年5月 钻井液与 完井液 DRI LLI NG FLUI D ＆ CoM PLETI oN FLUI D 、 ， o 1 ． 3 2 No ． 3 M a y 2 01 5 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 3 。 0 0 4 低毒油包水钻井液用耐高温有机土的研制 宋海明， 李静静 ， 陈杰 浙江丰虹新材料股份有限公司有机黏土研究所，浙江安吉 宋海明等 ． 低毒油包水钻井液用耐高温有机土的研制 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 5 ，3 2 3 1 3 - 1 5 ． 摘要通过用十八烷基二甲基苄基氯化铵对提纯钠基蒙脱石改性，制备出了1 有机土，在此基础上再用妥尔油基 聚羧酸聚合物 E NV A MOD ． 5 9 5与 1 有机土复合，制备 出2 有机土。采用 x射线衍射仪和 D S C T GA同步热分析仪对 制各的 1 和 2 有机土样品进行 了测试，并测定 了用其配制的油包水钻井液在热滚后的流变性能。结果表明 十八烷 基Z - 甲基苄基氯化铵和 E NV A MO D． 5 9 5均能插层进入蒙脱石层间，与蒙脱石复合形成有机土，且 E NV AMO D一 5 9 5的 加入能提高有机土的热稳定性 ； 适当升温可以促进有机土的分散，使钻井液黏度升高，高温会破坏有机土的结构，使 得钻井液的流变性能降低 ； 1 有机土抗温达 1 7 0℃，而 2 有机土抗温达 2 1 0℃，好于矿物油基钻井液用有机土 B1 5 5 。 用 2 有机土配制的现场油包水钻井液经 1 5 0℃热滚后具有较高的稳定性，证明该有机土适用于高温钻井液的配制。 关键词 有机土 ； 油包水钻井液 ； 矿物油 ；改性剂 ； 高分子量聚合物 ； 耐高温 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 5 0 3 0 0 1 3 0 3 目前油基钻井液已发展成为钻探深井、大斜度定 向井 、水平井和各种复杂地层不可缺少的重要手段 ， 而且随着环保条例的不断完善，矿物油基钻井液的使 用越来越广泛 [1 -2 ] o由于矿物油的芳烃含量极低，以 脂肪烃和环烷烃为主，极性极低，因此普通的有机土 在不添加小分子极性活化剂 甲醇 、乙醇或碳酸丙烯 酯 的情况下，很难在其中分散成胶。此外，当矿物 油钻井液用于深井超深井时，对有机土的热稳定性要 求高，而传统油漆、油墨用有机土配制的钻井液很难 耐 1 5 0 o C 高温，当温度达到2 0 0 oC 时则会完全失效。 针对 以上问题 ，研制了一种适用于配制低毒油包水钻 井液用有机土，其不仅能在低毒油包水钻井液中较好 地分散成胶，也能在高温下维持较好的流变性能 [3 -5 ] o 1 实验 部分 1 ． 1 实验材料 钠基蒙脱石 ，蒙脱石含量为 9 8 ％，C EC 为 9 7 ． 7 mmo l ／ 1 0 0 g 土 ；十八烷基二 甲基苄基氯化铵 ，工业 级； 妥尔油基聚羧酸高聚物 E N V A MO D 一 5 9 5 ； 矿物油 基钻井液用有机土 B1 5 5 ； 矿物油 Me n t o r 2 8 ，乳化剂 P in e m u l l 0 0 ，润湿剂 P in e m u l 3 0 0 ，埃克森美孚公司。 1 ．2 有机土的制备 1 膨润土改性 。将 2重量份钠基膨润土分散在 1 0 0重量份水中，制成浓度为 2 ％ 的浆液 ，将浆液加 热至 7 0℃恒温 ，1 h后用硫 酸调节 p H值为 3 ． 5 ，反 应 3 0 mi n ，加入 1 ． 2 倍 C E C的十八烷基 二 甲基苄基 氯化铵 ，反应 1 h ，用滤布过滤得到有机土滤饼 ，将 滤饼在 8 O℃烘干，磨粉，得到 1 有机土。 2 活性物质插层 。 将 l 重量份 的 E NV A MO D一 5 9 5 溶于乙醇溶液 中，在螺杆式挤压混料机 中与 1 0重量 份的 1 有机土混匀， 在8 0℃烘干， 磨粉过孔径为0 ．0 7 6 I T I I T I 的筛 ，得到 2 有机土。 1 ．3 样品表征 x 射线衍射分析 仪器为 日 本理学 D ／ ma x ． 1 2 0 0 型 x 射线衍射仪，实验条件为 C u K仅辐射，电压 4 0 k V， 电流 3 0 mA， 扫描速度 2 。／ mi n ， 范围为 2 。 ～3 0 。 。 D S C T G A同步热分析 仪器为美国T A仪器公 司生产的 S D T - Q 6 0 0 综合热分析仪，实验条件为 室 温～9 o 0℃，升温速率 2 0 c C／ min ，氮气气氛。 1 ． 4 钻 井液 性能测 试 将制备的 1 和 2 有机土与 国外钻井液用有机土 第一作者简介 宋海明，工程师，1 9 8 0 年生，现在从事钻井液用有机黏土的研究与制备。地址 浙江省安吉县唐浦工业园 区浙江丰虹新材料股份有限公司 ； 邮政编码 3 1 3 3 0 0； 电话 0 5 7 2 5 0 2 8 1 2 5； E - ma i l s o n g h m1 9 8 0 1 2 6 ． t o m。通讯作者 李静静 ； E - ma i l l ij i n g j i n g 8 1 1 2 6 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 铭井液与 完井液 2 0 1 5年 5月 及 国内普通有机土在矿物油包水钻井液 中进行对 比， 具体的钻井液配方如下 。 1 6 7 g矿物油 Me n t o r 2 8 8 g有机土 2 g氧化钙 4 g孚 L 化齐 0 P i n e mu l 1 0 0 2 g润湿齐 0 P i n e mu l 3 0 0 7 0 g 2 5 ％ 氯化钙溶液 2 9 0 g重晶石 用塔 里木油 田现场配制 的钻井液测定 了 2 有机 土的性能，其配方如下。 5 白油 茂名 盐水 2 5 ％CA C 1 溶液 8 0 2 0 2 ． 2 ％2 有机土 3 ％主乳化剂 2 ． 2 ％辅乳化剂 1 ％润 湿 剂 2 ％ 降滤 失 剂 3 ％ 乳 化 封堵 剂 0 ． 2 5 ％HF R 1 ． 1 ％石灰 重 晶石 加重至 1 ． 6 g ／ e m3 2 结果 与讨论 2 ． 1 XR D分析 1 和 2 有机土的XR D 图谱见图 1 。由图 1 可见， 1 有机土的 衍射峰对称性较好，且半峰高较高， 表明十八烷基二甲基苄基铵阳离子与蒙脱石形成了结 构均一 的插层 复合物 ，即生成了有机 土。这是 因为 十八烷基二甲基苄基铵阳离子的结构为线性 ，在蒙脱 石层间可形成规则排列 ，因此得到的复合物晶体结构 的长程有序度较好，反映到 X R D图谱中则表现出衍 射峰尖锐且对称。由图 1 还可见，2 有机土的 。 衍 射峰呈现三峰，且对称性较差，表明高分子量聚合物 E N V A MO D一 5 9 5与 1 有机土发生 了反应 ，且进入 了 蒙脱石层间并形成了复合物。由于 E N V A MO D 一 5 9 5 的分子结构复杂，支链和官能团众多，无法形成规则 排列 ，则复合体 晶型结构的长程有序度较差 ，所 以 X R D 图谱呈现离散型的多峰状态。 经验表明， 有机土 。 的衍射峰反映其在有机溶 1 40 0 0 癸 12000 叠 釜 4 O O O 2 0 0 0 O 2 5 O 0 o 曼2 o 0 0 o 1 5 0 0 0 饕10 0 00 5 0 0 0 0 图1 1 和 2 有机土的X R D图谱 剂中的分散程度和成胶性能，峰型越离散 ，黏度和切 力越高 ，反之 ，峰型越尖锐 ，黏度和切力越低 ，这是 因为峰型越尖锐， 晶体的完整性越好， 稳定性也越好 ， 越难分散。从 XR D图谱可知 ，2 有机土在有机溶剂 中的黏度和切力应高于 1 有机土。 2 ． 2 D S C T G A同步热分析 1 有机土和2 有机土的同步热分析图谱见图 2 。 由图 2可 以看 出，2 有机土的热稳定性较 1 有机土 有一定的提高，表现在 T G曲线上，l 有机土在 2 1 0 ℃附近失重率开始增大 ，且整个升温过程失重率的台 阶数少且幅度大，而 2 有机土在 2 1 3℃失重率开始 增大，且整个过程台阶数多且幅度相对较小 ； 这一点 也可以 DT G 线 的峰面积得出，1 有机土的峰面积 明显大于 2 有机土 ，说明 1 有机土的热失重速率明 显高于 2 有机土。这表明 E N v A M0D ． 5 9 5的加入提 高了有机土的热稳定性 ，原 因是聚合物中的支链和官 能团与十八烷基二甲基苄基铵 阳离子和蒙脱石表面发 生了交联反应，使得热稳定性提高。 1 l O l o o 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 l 1 O l 0 o 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 0 2 o o 4 0 0 6 0 0 8 0 0 ℃ 0 ． 4 o 3 0 ． 2 求 强 0 ．1 棚 蛔 I{ O．0 O ． 5一 篷 0 , 1 嘲 0 ．Ol陶 l 0 2 0 0 枷 6 0 0 8 0 0 ℃ 图 2 1 和 2 有机土的DS C ． T G A图谱 0 ‘ 营 O 10 p 也 l 婺 -0 ．2瘸 _ o - 3 O ．2 o ． 1营 0 ．0 毅 -0 ．2 礤 -0 ． 3 2 ． 3 实验室钻井液性能测定结果 1 和 2 有机土和 B1 5 5在油包水钻井液 中性能见 表 l 和表 2 。l 和 2 有机土 的改性剂 十八 烷基二 甲 基苄基铵阳离子 中含有苯环 ，理论上热稳定性要优于 常规的季铵盐阳离子。从表 l 和表 2可知 ，1 、2 有 机 土和 B1 5 5配制的油包水钻井液 随着温度 的升高 ， 流变性能先升高再降低，直至失效，表明适当的升温 可促进有机土的分散 ，但高温会破坏有机土的结构 ， 使之失去流变性能 ； 在经 1 5 0 c C 热滚后 ， 有机土与 B 1 5 5 配制的钻井液黏度和切力相当，均优于 1 有机 嘲 嘲悯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 2 卷 第3 期 宋海明等低毒油包水钻井液用耐高温有机土的研制 1 5 土配制的钻井液，这也验证了上述结论，即2 有机 土 比 1 有 机土更 容易分散 ；当经 1 9 0℃热滚后 ，1 有机土失效 ，2 有机土和 B1 5 5配制的钻井液还能保 持基本的流变性能 ；当经 2 1 0 o C 热滚后 ，B1 5 5配制 钻井液的流变性能消失 ，2 有机土配制钻井液的流变 性能虽然也大幅下降，但仍能维持一定的指标。所以 2 有机土的耐温性最好， 其次是 B 1 5 5 ， 1 有机土最差。 表 1 1 、2 有机土配制的油包水钻井液性能 表 2 B1 5 5 有机土配制的油包水钻井液性能 T |A Vf P y| Y P| Ge l 1 T|A y|P y| Y pl Ge l ／ ℃ mP a S mP a S P a P a ℃mP a S mP a S P a P a ／ P a 室温3 7 ． 5 2 9 8 ． 5 1 0 ／ 1 9 1 7 0 3 2 ． 0 2 6 6 ． 0 5 ／ 1 3 l l 0 3 8 ． 0 2 9 9 ． 0 l 1 ／ 2 1 1 9 0 2 6 ． 5 2 3 3 ． 5 4 ／ 1 0 1 3 0 4 2 ． 5 3 1 I 1 ． 5 1 3 ／ 2 4 21 0 1 2 ． 0 1 0 2 ． 0 1 ／ 4 1 5 0 3 9 ． 0 3 2 7 ． 0 9 ／ 1 8 从表 3可知 ， 有机土在塔里木油 田现场钻井 液中同样表现优异，能保持极高的稳定性，尤其是在 1 5 0 c C 热滚后高 温高压 滤失量仅为 4 ． 0 r n L，所 以 2 有机土具有较好的温度耐受性 。此外 ，2 有机土在钻 井液中能很好地提高钻井液的黏度、动切力和凝胶强 度 ，提 高了钻井液的悬 浮携带钻屑能力 。因此 2 有 机土适用于高温钻井液的配制 。 表 3 用 2 有机土配制的现场钻井液性能 1 5 0℃、1 6 h 3 结论 1 ． 十八烷基二甲基苄基氯化铵与钠基蒙脱石形成 结构均一的有机土复合物，聚合物E N V A MO D 一 5 9 5 能与有机土进一步发生反应形成复合物。 2 ． 用 聚合 物 E NV AMOD． 5 9 5与有 机 土复合 后 ， 可提高有机土的热稳定性 。 3 ． 适当升温可以促进有机土的分散 ，使钻井液黏 度升高，高温会破坏有机土的结构 ，使得钻井液的流 变性能降低。添加聚合物 E N V A MO D 一 5 9 5的2 有机 土配制的油包水钻井液的耐温性显著提高，经 2 1 0℃ 热滚后仍能保持一定的流变性能。 4 ． 在现场钻井液 中，采用 2 有机土配制的钻井 液热滚前后各项指标均表现优异 ，尤其是高温高压滤 失量仅为 4 ． 0 mL ／ 3 0 mi n 。因此本有机 土可应用于钻 探超深井、复杂地层井和海洋钻井等耐高温低毒油包 水钻井液的配制 。 参 考 文 献 [ 1 】 王茂功，王奎才，李英敏，等 ． 白油基钻井液用有机土 的研制 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 5 1 - 3 ． W a n g M a o g o n g，W a n g Ku i c a i ，Li Yi n g mi n，e t a 1 ． Th e d e v e l o p me n t o f o r g a n i c c l a y u s e d i n wh i t e o i l d r i l l i n g fl u i d [ 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 0 9 ，2 6 5 1 - 3 ． [ 2 ]2 刘绪全，陈敦辉 ，陈勉，等 ． 环保型全白油基钻井液的 研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 2 1 1 - 1 2 ． Li u Xu q u a n，Ch e n Du n h u i ，Ch e n M i a n，e t a 1 ． S t u d y o n e n v i r o n me n t a l f r i e n d l y wh o l e w h i t e o i l b a s e d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o nF l u i d ，2 0 1 1 ，2 8 2 1 0 1 2 ． [ 3 ] 刘进京，李彦芹 ，刘军彪 ，等 ． 抗高温高密度环保低毒 油包水钻井液的研究 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 9 ， 2 6 2 4 6 ． 4 8 Li u J i n j i n g，L i Ya n q i n ，L i u J u n b i a o ，e t a 1 ． S t u d y O i l r e s i s t a n c e t o h i g h t e m p e r a t u r e a n d h i g h d e n s i t y o n l o w t o x i c i t y o f e n v i r o n me n t a l d r i l l i n g fl u i d s [ J 】 ， Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o nF l u i d ， 2 0 0 9 ，2 6 2 4 6 - 4 8 ． 【 4 】 舒福昌，向兴金 ，史茂勇，等 ． 白油中高成胶率有机土 H MC 一 4的 研 究 [ J ] ． 石 油 天 然 气 学 报 ，2 0 1 3 ，3 5 9 93 ． 95． S h u F u c h a n g ， Xi a n g Xi n g j i n， S h i Ma o y o n g ，e t a 1 ． S t u d y o n o r g a n i c c l a y HM C一 4 wi t h h i g h c o l l o i d f r a c t i o n i n wh i t e o i l [ J ] ． J o u r n a l o fO i l a n dG a s T e c h n o l o g y ， 2 0 1 3 ，3 5 9 9 3 ． 9 5 ． [ 5 ] 崔明磊 ． 抗高温白油基钻井液用有机土的研制及性能研 究 [ J ] ． 广州化工，2 0 1 4 ，4 2 6 7 0 ． 7 2 ． C u i Mi n g l e i ． T h e d e v e l o p me n t a n d t e s t i n g o f n e w o r g a n i c c l a y wi t h h i g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n t a b i l i t y i n o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． Gu a n g z h o u C h e mi c a l l n d u s t r y ，2 0 1 4 ，4 2 6 7 0 7 2 ． 收稿 日期2 0 1 5 ． 0 3 1 5 ；HG F 1 5 0 3 N1 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m