国内外油基钻井液降滤失剂研究进展.pdf
第4 3卷第 6期 2 0 1 4年 6月 应用化工 Ap p l i e d C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 . 4 3 N o . 6 J u n . 2 O 1 4 国 内外油基钻井液降滤失剂研 究进展 赵泽 , 王茂功 , 蒋官澄 , 李青洋 , 李阳 I . 中国石油集团钻井工程技术研究院, 北京1 0 0 0 8 3 ; 2 . 中国石油大学 北京 石油工程学院, 北京1 0 2 2 0 0 摘要 对油基降滤失剂的国内外研究现状进行了总结, 油基钻井液降滤失剂主要有沥青类、 腐殖酸类、 白雀木类、 木质素类、 高分子聚合物类等几大类, 并对后 4类降滤失剂的研究现状进行了详细介绍。腐殖酸是天然化合物制 备油基降滤失剂常用的原料 , 聚合物油基降滤失剂近年来得到快速的发展 , 显示出了优越的综合性能。最后展望 了国内油基钻井液降滤失剂的发展方向。 关键词 降滤失剂; 腐殖酸 ; 木质素; 聚合物 中图分类号 T E 2 5 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 3 2 0 6 2 0 1 4 0 61 1 1 20 4 De v e l o p me n t o n fl u i d l o s s a d d i t i v e s o f o i l . b a s e d d r i l l i n g flu i d s a t h o me a n d a b r o a d Z H A O Z e , W A N G Ma o g o n g , J I A N G G u a n c h e n g , L I Q i n g y a n g , L I Y a n g , 1 . R e s e a r c h I n s t i t u t e o f D r i l l i n g E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y , C N P C, B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a ; 2 . S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g , C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e i j i n g , B e ij i n g 1 0 2 2 0 0 , C h i n a Ab s t r a c t R e s e a r c h a t h o me a n d a b r o a d o f fl u i d s l o s s a g e n t s i n o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d s a r e s u mma riz e d . F l u i d l o s s a g e n t s ma i n l y i n c l u d e a s p h a l t , h u mi c a c i d, q u e b r a c h o c l a s s , l i g n i n, p o l y me r s , a n d i n t r o d u c e s t h e r e s e a r c h p r o g r e s s o f t h e l a s t f o u r t y p e s o f fl u i d l o s s a g e n t s . Hu mi c a c i d i s a k i n d o f n a t u r a l c o mp o u n d ma t e r i a l c o mmo n l y u s e d t o pr e p a r e flu i d l o s s a g e n t s o f o i l b a s e d fl ui d s , p o l y me ric l o s s a g e n t s h a v e b e e n d e v e l o p e d r a pi d l y, s h o wi n g e x c e l l e n t c o mp r e h e ns i v e pe rfo r ma n c e . At l a s t , i t p r o s p e c t s t h e d e v e l o p me nt d i r e c t i o n o f flu i d l o s s a g e n t s i n o i l b a s e d d ril l i n g flu i d s . Ke y wor d s flu i d l o s s a g e n t ;h u mi c a c i d;l i g n i n;p o l y me r 油基钻井液由于具有抗高温 、 抗盐钙侵 、 有利于 井壁稳定 、 润滑性好和对油气层损害小等优点, 越来 越广泛应用于钻探深井超深井 、 大斜度定 向井 、 多分 支井和水平井等复杂地层井⋯ 。降滤失剂作 为油 基钻井液体系中的关键组分, 主要作用为使钻井液 在井壁上形成薄而致密的泥饼 、 降低滤失量, 维持井 眼稳定以及减少钻井液液固相侵入地层、 损害油气 层 , 是必不可少的处理剂之一。 目前 , 油基钻井液用降滤失剂主要分为高分子 聚合物类 、 腐殖酸胺类 、 木质素类和沥青类产 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 国内环境敏感区域和国外大部分地区的油基钻井液 配方中, 已对其限制使用 , 文本不再进行赘述 , 对 其余 4类油基钻井液用降滤失剂的研制和性能进行 总结, 以供国内同行参考借鉴。 1 油基降滤失剂作用原理 剖 在油基钻井液中起降滤失作用 的主要组分为微 细固体颗粒、 乳化液滴和胶体处理剂。首先 , 钻井瞬 时滤失时钻井液中细小 固体颗粒伴随钻井液侵入井 壁外层形成 内桥堵 细小 固体 颗粒要有适 合 的尺 寸, 颗粒尺寸为孔隙尺寸的 1 / 3或 2 / 3比较合适 , 容 易形成桥 堵 , 桥堵形 成一层 薄泥饼 内泥饼 ; 其 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 3 - 0 2 修改稿 日期 2 0 1 4 . 0 3 . 1 4 基金项目 国家8 6 3 项目 2 0 1 2 A A 0 9 1 5 0 2 作者简介 赵泽 1 9 8 8一 , 男, 四川巴中人 , 中国石油大学 北京 硕士研究生, 师从蒋官澄教授 博导 , 主要从事油基合成 基钻井液技术研究。电话 1 8 6 1 1 1 0 8 0 2 5 , Em a i l Z Z 4 9 5 5 1 2 6 . c o n 第 6 期 赵泽等 国内外油基钻井液降滤失剂研究进展 后 , 乳化液滴侵入在固体颗粒之间 的空隙并在压差 下产生变形, 密封固体颗粒之间的空隙, 但空隙还是 具有渗透性; 最后, 溶解在油中的降滤失剂等胶体充 填在乳化液滴和固体 之间的界面区域 , 阻止油相通 过泥饼流入地层 , 随着滤液的侵入 , 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 外泥 饼 。以上 3种钻井液组分共 同作 用, 以达到 降滤 失的 目的。 2 油基降滤失剂研 究进展 2 . 1 油基腐殖酸改性降滤失剂 腐殖酸 H A 是一类呈黑色或棕色 的无定型大 分子天然化合物 , 因其 自身结构中含有 多种官能基 团, 具有亲水性 、 络合能力 以及较强 的吸 附分散 能 力, 常常被选作生产抗高温 降滤失剂 的主要材 料 】 。腐殖酸通常是水溶性 的, 不 能直接用于油基 钻井液中, 需要对其亲油改性 , 才能分散在油基钻井 液中。主要使用有机胺对其改性 , 有机胺包括季铵 盐和其余各种胺类。 2 . 1 . 1 用季铵盐改性 一般将提纯的腐殖酸通过 N a O H、 K O H等碱性物质碱化 , 然后在一定的温度下 加入带有长链烷基 的季铵盐发生离子 吸附反应 , 典 型的反应通式如下 Hu XR1 R2 R3 R4 N C I 一 R1 R2 R3 R4 N Hu一 XC1 其中, H u 一 为腐殖酸根, R 为 1 2 3 0 个碳原子 的烷基 , R 2 、 R 3 、 R 均为 H; 或者 R 、 R 为 l 2~ 3 0个 碳原子的烷基 , R 3 、 R 为 H, C H 3 , C 2 H 5 , C 3 H ; 或者 R 一R 为 1 2~3 0个碳原子 的烷基 ; 其中 x为 N a 、 K 等原子。 常用的季铵盐有十二烷基三 甲基氯化铵 、 二 甲 基双十八烷基氯化铵 、 十八烷基三 甲基氯化铵 、 十六 烷基三甲基氯化铵等。J o r d a n等- 】。 ‘ 研制了一种腐 殖酸铵降滤失剂 , 是腐殖酸和烷基铵反应的产物 , 烷 基铵是一个带有 l 2 2 2个碳原子的长链烷基和一 个短链烷基化合物。该 降滤失剂的一般结构为 R l R 2 R 3 R 4 N H u 一 , R 1 、 R 2 、 R 3 、 R 4 其中至少有一个为 l 2 2 2 个碳原子的烷基。F r o s t 等 以腐殖酸和油 溶性或油分散的铵盐 其直链至少有一个 1 2 2 2 碳 原子的烷基, 烯基或者酰基 为原料研发一种降滤 失剂, 在北海的 B r e n t 油田应用, 高温高压状况下表 现出优异的降滤失性。 D e n n i s [ 和高海洋 “ 在季铵盐改性的基础上, 通过高温裂解, 使羧基 一c 0 O H 和胺以盐的形式 结合 , 部分转化为酰胺 , 此时腐殖酸和胺的结合更加 牢固, 在高温下不容易分解, 油溶性也有所增强。在 加量较小 的情况 下就能和乳化剂形成热稳定 的乳 液 , 抗温达 2 0 0~ 2 3 0 c , 在油中具有 良好 的分散能 力 , 同时具有一定 的稀释降粘、 辅助乳化等功能, 使 泥浆体系具有 良好 的流变性 。 2 . 1 . 2 其他有机胺改性R o b e r t 等 使用 聚亚烷 基聚胺脂肪酸酰胺 带长链烷基脂肪酸和聚胺酰胺 化反应生成 和腐殖酸反应制备腐殖酸酰胺降滤失 剂 , 室内评价其 降滤失性 和抗 温性 能好 , 与 J o r d a n 的腐殖酸铵 降滤失剂相 比较 , 性能有较大 的提高。 R o y等 1 以羟 乙基 乙二胺 、 多 乙烯 多胺、 脂肪 酸和 腐殖酸为原料, 开发了一种腐殖酸加合物 , 溶解分散 性好, 不需要加入分散剂, 室内评价具有良 好的降滤 失效果 , 性能优于 以前 的亲有机质多 酚降滤失剂。 舒福昌等 刮使用胺类对腐殖酸进行 亲油改性来制 备油基钻井液的降失水剂 , 克服沥青类产品环境污 染和对机械钻速不利的缺点。该降滤失剂具有 良好 的降滤失剂效果 , 能够抗 1 8 0℃高温 , 可用于高温深 井钻井, 并且对钻井液流变性影响较小。冯萍等 J 采用腐殖化程度高的腐殖酸和不同碳链长度的脂肪 胺结合适量的交联剂对该腐植酸进行酰胺化亲油改 性和适度交联 , 研制 出了新型油基钻井液降滤失剂 S D F L , 适用于白油基和合成基钻井液, 能抗 2 0 0 cI 高温, 对油基钻井液的流变性影响小, 降滤失性能优 于国内产品, 与国外 同类产 品水平基本相当。 2 . 1 . 3 其 它改进剂改性Wi l l i a m等用金属醇化物 和腐殖酸反应 , 制得一种有机金属化合物降滤失剂 产品, 金属化合物通过共价键紧紧的连接到腐殖酸 上, 所以在极高温下很稳定 , 高温条件下降滤失效果 好。金属化合物的结构为 L M O R X 其中, L 是一个或多个腐殖酸部分; M是钛、 锆 或钒 ; R为含有 1一l O个碳 的烷基 , 最适合是含有 3 4 个碳的烷基; X是长链脂肪酸剩余余部, 、 为 l 一 4 ; y为 一 , 为 M的原子价 引。 商业卵磷脂 或者从菜油中提取的磷脂 也被 应用在腐殖酸的改性中, 通过磷脂改性腐殖酸的降 滤失剂在油基钻井液中分散性好, 不需要加入分散 剂, 加量少, 价格便宜, 同时具有良好的乳化性 引。 2 . 2 油基 白雀木改性降滤失剂 白雀木在油田广泛使用, 主要用于制备分散剂 和乳化剂。在使用其制备油基钻井液降滤失剂时, 主要利用其多酚成分和有机胺反应。P a t e ll 等 叫 用 1 1 1 4 应用化工 第 4 3卷 烷基季铵盐和白雀木制备油基钻井液降滤失剂 , 比 腐殖酸类降滤失剂更易分散在油基钻井液中, 不要 求多价阳离子或多价金属 阳离子 的存在 , 抗高温能 力较强。比腐殖酸类产品的加量少。该降滤失剂与 商业化的腐殖酸酰胺降滤失剂 的高温高压性能比较 见表 1 。 表 1 各种白雀木 降滤失剂与商用腐殖酸 降滤 失剂降滤 失-陛能 比较 Ta b l e 1 P e rfo r ma n c e c o m p a r i s o n o f d i ffe r e n t que br ac h o c l a s s flui d l o s s a ddi t i v e s a nd c omm e r c i a l humi d ac i d flui d l os s a ddi t i v e s 上 一c 获得木质素铵盐降滤失剂 , 具有 良好 的滤失性能和 热稳定性 , 同时具有乳化作用 , 在某些情况下可以不 再加乳化剂 。C h u n g等 用氧化的木质素和含有 6 3 0个碳原子 的伯胺或仲胺为原料反应生成盐 , 然 后加热升温, 直到大部分 的反应物在水溶液中将氮 转化为稳定 的含氮化合物, 该物既是降滤失剂 , 也是 乳化剂 。 2 . 4 油基高分子聚合物降滤失剂 高分子聚合物 降滤失剂是上世纪 9 0年代才发 展起来的, 较天然高分子化合物改性降滤失剂发展 晚, 比天然化合物改性降滤失剂有更好 的综合性能, 目前 国内还没有相关报道 , 下 面是 国外一些高分子 聚合物降滤失剂的报道 。 C o w a n等 纠以阴离 子或 阳离子水溶 聚合物 和 磷脂为原料 , 研发了一种聚合物降滤失剂 , 比腐殖酸 类降滤失剂价格便宜 , 在油基工作液中分散性好 , 不 需要另加分散剂 , 对钻井液 的流变性影响小, 同时也 是良 好的乳化剂。其后他 以单宁化合物、 聚酰 胺、 商业卵磷脂和硫酸为原料, 合成了一种亲油性的 含单宁化合物降滤失剂, 特点是在高温下滤失量低, 克服了腐殖酸胺降滤失剂在油基钻井液中 特别是 低毒环保型基油中 分散性不好的缺点。 M I 公司 使用 亲脂 环氧改性剂 和环氧活性 聚合物合成一种聚合物油基降滤失剂 , 环氧活性聚 合物可以从褐煤 、 单宁 、 生物聚合物、 淀粉、 聚丙烯酰 胺 、 合成聚合物及它们 的混合物中选取。与 M. I 公 司常用 的降滤 失剂 V e n C h e m 2 2 2相 比。该降滤失 剂高温高压降滤失量低 , 同时还可 以调节钻井液 的 流变性能 , 润滑性能好 , 减少设备磨损。 R u d i 等 使用氟化丙烯酸酯单体聚合成氟化 丙烯酸聚合物降滤失剂 。能直接加入钻井液溶剂中 聚合 , 聚合后不需 要进一步 加工处理 , 粒子 尺寸在 9 5 n m以下, 抗温达 1 8 0℃ , 降滤失效果很好 , 对流 变性影响小 , 最佳加量为 3 %。 P e e r 等 研发了一种在水基 和油基钻井液 中 都可以使用的聚合物微球树脂降滤失剂, 但它更适 合油基体系, 由烷基丙烯酸酯或者甲基丙烯酸酯悬 浮聚合而成。该微球是丙烯酸酯非凝聚的弹性体聚 合物微球, 具有较低玻璃化温度, 保证在井下微球具 有弹性, 这种微球的加入不会对钻井液体系的流变 性产生显著的影响, 不需要重新加人其它处理剂重 新调整钻井液 的流变性 。由于具有 弹性 , 微球可以 填充滤饼中的空隙, 尤其是外滤饼 , 不会侵入地层 内 部中的空隙、 裂缝 ; 微球在井下不会融化形成大的聚 丙烯酸酯大块 , 所 以在完井作业 中可 以把这种微球 排放出来 , 有利于完井增产 ; 抗温可 以高达2 0 0 o C, 第 6期 毕文彦等 煤基直接碳燃料电池硫处理工艺探索 1 1 1 9 硫工艺可充分发挥各种除硫工艺的优势 , 有 目的的 去除和转化煤 中的硫。根据不 同煤种 的特性和结 构 , 选取工艺中的若干相应步骤 , 进行分析 和计算 , 可实现定向除硫。 4 结束语 生物脱硫适用于含硫废液和废气 , 不适合燃料 电池生产 , 但是在脱硫的选择性方 面具有很大的优 势 , 是未来探索 的一个方 向。采用重力浮选一化学 氧化一电化学氧化一离子液体萃取一溶剂萃取一高 温固硫 P C E S T O 阶段联合处理工艺对原煤进行脱 硫处理, 可以大幅度降低煤中含硫化合物的含量, 有 效的将直接碳燃料电池中硫的存在形式转化成无毒 硫, 以减少和消除硫对直接碳燃料电池的毒化作用。 煤基直接碳燃料 电池硫处理工艺 , 对解决燃料电池 硫 中毒 、 硫污染和燃料 电池的工业化推广具有重要 意 义。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 彭苏萍, 韩敏芳. 煤基/ 碳基固体氧化物燃料电池技术 发展前沿[ J ] . 自然杂志, 2 0 0 9 , 3 1 4 1 8 7 1 9 2 . N a k a g a wa N。 I s h i d a M. P e rf o r ma n c e o f a n i n t e r n a l d i r e c t . o x i d a t i o n c a r b o n f u e l c e l l a n d i t s e v a l u a t i o n b y g r a p h i c e n e r g y a n a l y s i s [ J ] . I n d E n g C h e m R e s , 1 9 8 8 , 2 7 1 1 8 1 1 1 8 5. C a o D, S u n Y, W a n g G. Di r e c t c a r b o n f u e l e e l / F u n d a me n t a l s a n d r e c e n t d e v e l o p m e n t s [ J ] . J o u ma l o f P o w e r S o u r c e s , 2 0 0 7 , 1 6 7 2 2 5 0 - 2 5 7 . Ma t s u z a k i Y, Y a s u d a I . T h e p o i s o n i n g e ff e c t o f s u l f u r - c o n t a i n i n g i mp u r i t y g a s o n a S OF C a n o d e P a r t I . De p e n d e n c e o n t e m p e r a t u r e , t i me , a n d i m p u ri t y c o n c e n t r a t i o n [ J ] . S o l i d S t a t e I o n i c s , 2 0 0 0, 1 3 2 2 6 1 - 2 6 9 . [ 5 ] 牛晓萌. 固体氧化物燃料电池阳极材料及直接碳燃料 电池的研究[ D ] . 天津 天津大学 , 2 0 0 7 . [ 6 ] 赵欣宇. 直接碳燃料电池阳极反应和特性研究[ D] . 北 京 清华 大学 , 2 0 0 8 . 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A d v a n c e d Ma t e r i al s R e s e a r c h , 2 0 1 2 , 4 5 5 / 4 5 6 8 6 2 - 8 6 6 . [ 1 4 ]B s m a n n A, D a t s e v i c h L, J e s s A . D e e p d e s u l f u r i z a t i o n o f d i e s e l f u e l b y e x t r a c t i o n w i t h i o n i c l i q u i d s [ J ] . C h e mi c al C o m m u n i c a t i o n s , 2 0 0 1 2 3 2 4 9 4 - 2 4 9 5 . [ 1 5 ]E s s e r J , Wa s s e r s c h e i d P , J e s s A. D e e p d e s u l f u r i z a t i o n o f o i l re fi n e r y s t r e a m s b y e x t r a c t i o n w i t h i o n i c l i q u i d s [ J ] . G r e e n C h e mi s t ry, 2 0 0 4, 6 3 1 6 - 3 2 2. 上接第 1 1 1 5页 [ 1 9 ]J a c k C C o w a n , V i c t o r M G r a n q u i s t , R o y F H o u s e . O r g a n o - p h i l i c p o l y p h e n o l i c a c i d a d d u c t s U S , 4 7 3 7 2 9 5 [ P] . 1 9 8 8 0 4 . 1 2 . [ 2 0 ]P a t e l , A r i v n d D, S a l a n d a n a n, e t a 1 . F l u i d l o s s a d d i t i v e s f o r 0 i 1 b a s e mu d s a n d l o w fl u i d l o s s c o mp o s i t i o n s t h e r e o f E P. 0 1 7 8 5 7 4 A 2 [ P ] . 1 9 8 6 - 0 4 - 2 3 . [ 2 1 ]A r i n d D P e t e l , S a s h i k u m a r M e t t a t h , E m a n u c l S t a m a t a k i s , e t a1. F l u i d l o s s a d d i t i v e for o i l . b a s e d mu d s US , 2 0 0 8 0 0 0 9 4 2 1 [ P ] . 2 0 0 8 -01 1 0 . [ 2 2 ]龚蔚, 蒲万芬, 金发扬, 等. 木质素的化学改性方法及其 在油田中的运用[ J ] . 日 用化学工业, 2 0 0 6 , 3 8 2 1 1 7 - 1 2 0 . [ 2 3 ]J a c k C C o w a n , A u t u s t u s E e a r B e a s h y , J r R o b e O S t e a m, e t a1. P r o c e s s o f d ri l l i n g a w e l l U S , 3 2 3 2 8 7 0 [ P] . 1 9 6 6 . 0 2 . 0 1 . [ 2 4 ]C h u n g S u r Y o u n K i m, S a c r a m e n t o , C a l i f . L i g n i n d e ri v a t i v e U S , 3 6 7 1 4 2 8 [ P ] . 1 9 7 2 -06 - 2 0 . [ 2 5 ]J a c k C C o w a n , R o y F H o u s e , V i c t o r M G r a n q u i s t . O r g a n o p h i l i c p o l y me r s U S , 4 9 5 6 1 0 4 [ J ] . 1 9 9 0 -0 9 - 1 1 . [ 2 6 ]J a c k C C o w a n , R o y F H o u s e , J u l i e Mo r g a n , e t a1 . O i l b a s e fl u i d s a n d o r g a n o p h i l i c t a n n i n c o n t a i n i n g c o mp o s t i o n s t o l o w e r t h e fl u i d l o s s t h e r e o f U S , 2 0 0 8 0 1 7 1 6 7 0[ P] . 2 0 0 8 - o 7 1 7. [ 2 7 ]D a v i d A n t o y B a l l a r d . H y d r o p h o b i c a l l y m o d i fi e d fl u i d l o s s a d d i t i v e s and v i s c o s i fi e r p r o d u c t s U S , 7 7 8 6 0 5 2 B 2[ P] . 2 0 1 0 -08 3 1 . [ 2 8 ]D a ms , R u d i , O p s t al, e t a1 . F l u o ri n a t e d a c ryl i c p o l y rm e t c o mp o s i t o n s a 8 fl u i d l o s s a d d i t i v e s i n d ri l l i n g fl u i d s E P, 2 4 6 3 3 4 9 A 1 [ P ] . 2 0 1 0 -08 1 2 . [ 2 9 ]D i r k V a n D e P e e r , F r a n c o i s C y r i e l D H a e s e , R u d o l f J D a ms . A d d i t i v e t o r e d u c e fl u i d l o s s for d ri l l i n g fl u i d s US, 3 4 3 8 9 5 B 2 [ P ] . 2 0 1 3 -01 -01 .