TACK-2型油基鉆井液增粘劑的合成及其流變性能研究

匡緒兵

TACK-2型油基鉆井液增粘劑的合成及其流變性能研究

匡緒兵

(中石油長城鉆探公司工程技術研究院，遼寧 盤錦 124010)

[摘要]以脂肪酸和多元醇為主要原料，利用縮合法制備了一種全油基鉆井液增粘劑。測試了增粘劑樣品在不同體系(5#白油、5#白油+有機土體系以及全油基鉆井液體系)中的流變性能，并探討了增粘劑用量、鉆井液密度對全配方油基鉆井液流變性能的影響。研究結果表明，該增粘劑制備過程相對簡單，成本較低，對5#白油+有機土體系以及全油基鉆井液均有較好的增粘提切能力,在白油基全配方油基鉆井液中加入1.5% TACK-2型增粘劑，150℃熱滾16h后Φ3讀值可以從2Pa提高到6Pa。

[關鍵詞]增粘劑；油基鉆井液；流變性能

油基鉆井液由于具有潤滑性能優良、抑制性強、井壁穩定性和抗溫性能好等優點而得到廣泛應用。油基鉆井液體系的處理劑特別是增粘提切劑是油基鉆井液的核心組成[1]。油基鉆井液增粘劑以有機土為主，針對油基鉆井液的有機土研究有不少報道[2~4]。常規油基鉆井液用有機土在較低溫度時凝膠性和增黏提切效果較好，但是當溫度較高時則普遍較差，而且單純的有機土作為增粘劑尚不能完全滿足油基鉆井液在不同條件下的使用要求。

除了有機土，已有一些針對油基鉆井液增粘劑的報道，文獻[5]報道了一種脂肪酸的低聚甘油酯油基鉆井液增粘劑，其添加量為0.1%~10%。120℃熱滾后其動切力最大24lbf/100ft2(1lbf/100ft2=0.4788Pa)，膠體強度(初/終切力)為(10/10)lbf/100ft2。文獻[6]報道了馬來酸酐接枝三元乙丙橡膠(EPDM)用于油基鉆井液，當油基鉆井液含油為60%~100%，含水為0%~40%時，400℉(204℃)熱滾60h后，動切力最大30lbf/100ft2，膠體強度(初/終切力)為(2/6)lbf/100ft2。 文獻[7]報道了用二聚脂肪酸和三聚脂肪酸與二乙醇胺的縮合物作為油基鉆井液增粘劑，老化16h后的動切力為5，膠體強度(初/終切力)為(3/7)lbf/100ft2，老化32h后動切切力會略有增加。文獻[8]和文獻[9]報道了中和磺化的三元乙丙橡膠作為油基鉆井液的增粘劑。一般采用合適的酸酐與濃硫酸的混合物作為磺化劑，100g磺化聚合物中含5～15mg磺化基團，高磺化度通常會導致溶解困難。文獻[10]報道了用99%的疏水型單體如丙烯酸辛酯與1.0%的親水型單體如冰丙烯酸進行乳液共聚，得到的共聚物乳液可用于油基鉆井液的增粘劑，但是經過破乳后的固體樣品使用效果較差。米遠祝等[11，12]制備了一系列油基鉆井液增粘劑，在白油基鉆井液中具有較好的增粘提切性能，該系列油基鉆井液增粘劑最高抗溫能力可達180℃。

下面，筆者以脂肪酸和多元醇為主要原料，利用縮合法制備了一種全油基鉆井液增粘劑，并探討了該增粘劑在3種不同體系(5#白油、5#白油+有機土體系以及全油基鉆井液體系)中的流變性能。

1試驗部分

1.1試驗儀器及試劑

1)儀器四口燒瓶、機械攪拌器、滴液漏斗、電加熱套、XGRL-4A型高溫滾子加熱爐、400ml不銹鋼老化罐、ZNN型六速轉子黏度計、ZNS-5A型API濾失量測試儀、GJSS-B12K型高速攪拌機等。

2)試劑脂肪酸、多元醇、濃硫酸、氫氧化鉀固體、5#白油、有機土、降失水劑N1、降失水劑N2、CaO、超細重質CaCO3、重晶石、潤濕劑等。

1.2TACK-2型增粘劑的制備

向四口燒瓶中加入47.08g脂肪酸和23.23g多元醇，通氮氣，開動攪拌器，開始加熱并打開冷凝水。向反應體系中滴加3滴濃硫酸，緩慢升溫到220～230℃，并控制在此溫度反應3h。然后冷卻到90℃繼續水浴，同時向其中加入0.3g氫氧化鉀固體，再水浴反應0.5h。反應完畢，待冷卻到室溫后取出產品備用。

1.3增粘劑的流變性能研究

分別于5#白油、5#白油+3%有機土體系、白油基全配方體系中加入1.5% TACK-2增粘劑樣品，在11000r/min高速攪拌20min，使其分散，25℃下于ZNN型六轉速轉子黏度計上測定其表觀黏度、塑性黏度和動切力。然后再將鉆井液裝入400ml高溫不銹鋼罐中，充入1.0MPa的氮氣，放入數顯式滾子加熱爐中，150℃熱滾16h后取出后冷卻至25℃，高速攪拌20 min，測定其表觀黏度、塑性黏度和動切力。濾失量為0.7MPa下7.5min后測試，標示值為所測值的2倍。

全配方油基鉆井液的配方如下：5#白油、3%有機土、2%降失水劑N1、2%降失水劑N2、0.5%CaO、3%超細重質CaCO3、重晶石、0.2%潤濕劑、增粘劑。

2TACK-2型增粘劑的增粘性能評價

表1所示為5#白油、5#白油+有機土體系以及全配方鉆井液體系中加入1.5% TACK-2增粘劑在熱滾老化前后的流變性能數據。鉆井液密度1.5kg/dm，熱滾老化條件為150℃和16h。

由表1可知，在不同體系中加入1.5% TACK-2增粘劑后，其Φ3(六速旋轉黏度計3r/min讀數)讀值、表觀黏度、塑性黏度以及動切力值均發生明顯的改變。在5#白油體系中，未加入增粘劑時，熱滾前后的Φ3讀值和膠體強度均為0，但是加入增粘劑以后，熱滾前后的Φ3讀值均為0.5, 初/終切力分別為0.5/0.5、0.5/1Pa，說明增粘劑對單純的5#白油體系具有一定的增粘性能，但是增粘效果并不顯著。在5#白油+有機土體系中，在未加入增粘劑時，熱滾前的Φ3讀值和膠體強度均為0，熱滾后的Φ3讀值和膠體強度均略有增加，但是增加的幅度非常小，在加入增粘劑以后，熱滾前后的Φ3讀值分別為2和3, 初/終切力分別為1.5/2.5、2/3Pa，說明增粘劑對5#基礎白油+有機土體系具有較為明顯的增粘性能。而且，對比5#白油體系中的數據可知，增粘劑與有機土配合使用具有更佳的增粘性能。在全配方鉆井液體系中，加入增粘劑后，熱滾前Φ3讀值從2增加到了6，初/終切力從2/2Pa增加到了5/8Pa；熱滾后Φ3讀值從2增加到了5，初/終切力從3/5Pa增加到了5/7Pa。由以上數據可知，增粘劑在全配方白油基鉆井液中，具有明顯的增粘性能，而且與其他的鉆井液處理劑具有良好的配伍性能。

此外，從表1中動切力數據可以看出，在3種體系中，未加入增粘劑時，動切力為0或者非常小，當加入增粘劑以后，熱滾老化前后動切力均有明顯的提高。在全配方鉆井液體系中，未加入增粘劑時，熱滾老化前后的動切力值分別為2.5、2Pa；但是加入增粘劑以后，熱滾老化前后的動切力值分別為12.5、13.5Pa，動切力值增加明顯，說明增粘劑對全配方鉆井液具有十分明顯的提切能力。在全配方鉆井液中，增粘劑能夠明顯地降低鉆井液的表觀黏度和塑性黏度，塑性黏度的降低有利于鉆進過程中降低摩阻。從表中的API濾失量數據還可以看出，在全配方鉆井液體系中加入增粘劑后，API濾失量的降低十分明顯，加入前的濾失量均為4ml, 加入后的濾失量均減小為1ml,說明增粘劑能有效降低全油基鉆井液體系的濾失量。

3TACK-2型增粘劑用量對鉆井液流變性能的影響

表2所示為TACK-2型增粘劑不同用量對全配方鉆井液流變性能影響的數據，鉆井液密度1.5kg/dm，熱滾老化條件為150℃和16h。從表2可以看出，TACK-2型增粘劑的用量對鉆井液的流變性能有著較大的影響，未加入增粘劑之前，熱滾前后Φ3讀值變化不大。隨著增粘劑用量的增大，熱滾老化前后的Φ3讀值均有不斷增大的趨勢，當增粘劑加量分別為1.5%、2.0%和3.0%時，150℃熱滾前的Φ3讀值分別為6、8和9，初/終切力分別為5/8、8/10和10/12Pa；150℃熱滾后的Φ3讀值分別為5、6和8，初/終切力分別為5/7、6/7、8/10Pa。從表2中數據還可以看出，在相同增粘劑加量時，熱滾后的Φ3讀值和初/終切力會略有降低，但是降低的幅度不大。從表2中塑性黏度和動切力數據可以看出，隨著增粘劑用量的增加，熱滾前塑性黏度值有減小的趨勢，但是熱滾后塑性黏度值變化并不大，熱滾前后動切力均呈增大的趨勢。從表2中API數據可以看出，盡管增粘劑有助于濾失量的降低，但是隨著增粘劑加量的增大，濾失量始終保持在1ml不變化，說明增粘劑的加量對濾失量的影響不是太大。

表1　TACK-2增粘劑在不同體系中的增黏性能測試數據

注：Φ600、Φ300、Φ6分別為六速旋轉黏度計600、300、6r/min讀數。下表同。

表2　不同增粘劑加量對全配方鉆井液流變性能的影響

4鉆井液密度對增粘劑增黏性能的影響

表3所示為加入1.5% TACK-2型增粘劑的全配方鉆井液中鉆井液密度對其流變性能影響的數據，熱滾老化條件為150℃和16h。

由表3可以看出，當鉆井液的密度分別為1.0、1.2、1.5和2.0kg/dm時， 150℃熱滾前的Φ3讀值分別為5、6、6和9，初/終切力分別為4/6、5/7、5/8和8/9Pa；150℃熱滾后的Φ3讀值分別為3、4、6和7，初/終切力分別為3/6、5/6、5/7和6/9Pa。說明隨著鉆井液密度的增加，增粘劑對全油基鉆井液的增黏性能有增強的趨勢，但是鉆井液在相同的密度時150℃熱滾老化16h以后，Φ3讀值略有降低，而初/終切力值變化不大。從表中數據還可以看出，鉆井液密度對塑性黏度影響并不是太大，但是隨著鉆井液密度的增大，熱滾前后的動切力增大的趨勢較為明顯，熱滾前分別為6、12、12.5和18.5Pa，熱滾后分別為8、13、13.5和20Pa，表明相同鉆井液密度的條件下，熱滾前后動切力變化不大。

表3　鉆井液密度對增粘劑增黏性能的影響

5結論

1)以脂肪酸和多元醇為主要原料，利用縮合法制備了一種全油基鉆井液增粘劑。

2)測試了增粘劑樣品在3種不同體系即5#白油、5#白油+有機土體系以及全油基鉆井液體系中的流變性能，并探討了增粘劑用量、鉆井液密度對全配方鉆井液流變性能的影響。研究結果表明，該增粘劑樣品對5#基礎白油、5#白油+有機土體系以及全油基鉆井液均有較好的增粘能力。在全配方油基鉆井液中加入1.5% TACK-2型增粘劑后，150℃熱滾16h后Φ3讀值可以從2提高到6Pa。

3)該增粘劑具有制備過程相對簡單，成本相對較低等優點，可望應用于油基鉆井液中。

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[編輯]洪云飛

[引著格式]匡緒兵.TACK-2型油基鉆井液增粘劑的合成及其流變性能研究[J].長江大學學報(自科版)，2015,12(13)：20~23.

16 Development and Performance Evaluation of A Novel Amino Sulfonic Acid System

Zuo Guolei,Chen Dajun,Du Zicheng,Chen Bo(SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500)

Abstract:In allusion to the problem of poor temperature resistance of conventional amino sulfonic acid system，a novel amino acid system named HZ-1 is prepared by using 20% amino acid+15%( acetic acid and Chlorine-containing organic acid salts A),and its performance is evaluated.Experimental results showed that HZ-1 has retarder with ultimate dissolution rate of more than 70% of 15% HCI.Compared with HCI the corrosion rate of N80 carbon steel is low, and it has good effect on the transformation of the core.XRD component analysis shows the acid-rock reaction would not generate calcium sulfate precipitation.The limitation of amino acid for acidizing carbonate reservoirs is overcame.

Key words:amino acid; acid system; carbonate; calcium sulfate; performance evaluation

[作者簡介]曾嘉(1984-)，男，助理工程師，現主要從事化學驅物理模擬方面的研究工作；E-mail：dqzengjia@petrochina.com.cn。

[基金項目]國家科技重大專項(2011ZX05010-005)。

[收稿日期]2014-12-03

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)13-0020-04

[中圖分類號]TE254