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钻井液用处理剂的发展应用及绿色化作者唐明月
摘要
为改善和提高钻井液性能,在钻井液中需要加入各种化学剂。
钻井液用化学剂是近年来发展较快的一种油田化学剂。
本论文是通过广泛阅读近年来中外文期刊文献,在对文献认真阅读和理解的基础上,撰写关于钻井液用化学剂的发展、现状和具体应用方面的综述性论文。
文中对高分子型钻井液处理剂与表面活性剂处理剂的合成及性能研究进行了详细叙述,同时也对钻井液的绿色化技术进行了分析,并对近些年钻井液向绿色化方向的发展做了相关的说明。
关键词:
钻井液;表面活性剂;降粘剂;降滤失剂
Abstract
Inordertoimproveandenhancethedrillingfluidperformance,needstojoineachkindofchemicalagentinthedrillingfluid.Thedrillingfluidwastherecentyearsdevelopsthequickonekindofoilfieldchemicalagentwiththechemicalagent.Thistopicwasthroughwidespreadreadinginrecentyearstheforeignlanguageperiodicalliterature,inreadearnestlytotheliteraturewithintheunderstandingfoundation,composedusesthechemicalagentaboutthedrillingfluidthedevelopment,thepresentsituationandtheconcreteapplicationaspectsummarypaper.Thearticlehascarriedonthedetailednarrationtothehighpolymerdrillingfluidfinishingagentandthesurfaceactiveagentfinishingagent'ssynthesisandtheperformancestudy,simultaneouslyhasalsocarriedontheanalysistothedrillingfluidgreentechnology,alsodevelopedtotherecentyearsdrillingfluidtothegreendirectionhasgiventherelatedexplanation.
Keywords:
Drillingfluid;Surfaceactiveagent;Thinner;Fluid-lossagent
目录
第1章前言4
1.1钻井液用化学剂发展过程4
1.1.1钻井液4
1.1.2钻井液的功能4
1.1.3钻井液的发展5
1.2钻井液用化学剂分类6
第2章钻井液用化学剂的合成方法7
2.1高分子型钻井液处理剂的合成方法及性能评价7
2.1.1钻井液用两性离子共聚物HTB的合成与其性能研究7
2.1.2新型阳离子聚合物NCP的合成及影响因素11
2.2表面活性剂型钻井液处理剂的合成方法及性能评价13
2.2.1钻井液用酚醛树脂磺酸盐的合成及性能评价13
2.2.2甲基葡萄糖苷的合成及性能评价23
第3章钻井液用化学剂的应用及发展趋势26
3.1钻井液处理剂的现场应用26
3.1.1多功能聚醚多元醇防塌剂SYP-1的现场应用26
3.1.2NM钻井液体系的现场应用27
3.2钻井液处理剂的绿色化发展趋势29
3.2.1钻井液处理剂会造成的污染29
3.2.2钻井液处理剂的绿色化29
3.2.3进些年钻井液处理剂向绿色化发展的进展29
结论32
参考文献32
致谢33
第1章前言
1.1钻井液用化学剂发展过程
1.1.1钻井液
很久以前,人们钻井通常是为了寻找水源,而不是石油。
实际上,他们偶然间发现石油时很懊恼,因为它把水污染了。
后来人们才发现石油是一种重要的资源,有了石油才有了今天的很多的生产生活用品和材料能源,而钻井液是石油开采中至关重要的部分。
钻井液是指钻井中用的工作流体,可以是液体或气体,因此也称钻井流体。
钻井液对钻井就像血液对人体一样重要,如果没有性能良好的足够数量的钻井液或者在钻井的过程中,由于某种原因(如漏失地层,钻具折断,井喷)而不能正常循环钻井液时,钻井工作将无法进行,有时会危及井的“生命”。
1.1.2钻井液的功能
钻井液具有以下八大功能:
1.冲洗井底。
钻井液可在钻头水眼处形成高速的液流,喷向井底。
这高速喷出的钻井液可将由于钻井液的压力与地层压力差而被压持在井底的岩屑冲起,起冲刷井底的作用。
2.携带岩屑。
当钻井液在环空中的上返速度大于岩屑的沉降速度时,钻井液可将井中的岩屑带出,即在一定上返速度下,钻井液有携带岩屑的作用。
3.平衡地层压力
钻井液的液柱压力必须与地层压力相平衡才能达到防止井喷或钻井液大量漏进地层的目的。
4.冷却与润滑钻头
钻井液可将钻井过程中钻具(钻头与钻柱)与地层摩擦产生的热带至地面,起冷却的作用。
同时,钻井液能有效地降低钻具与地层的摩擦,起润滑的作用。
5.稳定井壁
可在钻井液加入适当的处理剂,使钻井液具有抑制页岩膨胀和(或)分散的能力,同时产生薄而韧的滤饼,起稳定井壁的作用。
6.悬浮岩屑和密度调整材料
当停止循环时,钻井液处于静止状态,其中膨润土颗粒可互相联结,形成空间网架结构,将岩屑悬浮起来。
若钻井液中加有密度调整材料(如重晶石),则在停止循环时,钻井液也可将他悬浮起来。
钻井液悬浮岩屑和密度调整材料的能力,可使钻井液停止循环后易于再启动。
7.获取地层信息
通过钻井液携带出的岩屑可以获取地层许多信息,如油气显示,地层物性等。
8.传递功率
钻井液可将钻井液泵的功率经钻柱从钻头水眼高速喷射传到井底,提高钻头的破岩能力,加快钻井速度。
1.1.3钻井液的发展
1900年,在德克萨斯州的Spindletop钻探油井期间,钻井工人驱赶一群牛,趟过了一个灌满水的地坑,被牛趟过的水坑中就会形成泥浆,它是一种粘稠的、泥浆状的水和泥土的混合物,钻井工人用泵将它送入钻孔中。
钻井液如今仍被称作泥浆,但工程师们已不再只依赖水和泥土作为钻井液的原料,他们对混合物的成分进行精心调配,以满足各种钻探条件下的具体需要。
现代化的钻井液确实是油井的命脉,今天如果没有它们,就不可能钻出深井。
钻井液技术的发展大致分为以下几个阶段:
1.从1914到1916年,清水作为旋转钻井的洗井介质,即开始使用“泥浆”。
2.从20~60年代开始,以分散型水基钻井液为主要类型的阶段。
在这期间,经历了从细分散体系向粗分散体系的转变,同时也出现了早期使用的油基泥浆和气体型钻井流体。
其中有代表性的技术措施包括:
3.从1921到1922年,重晶石和氧化铁粉开始用作加重材料;
4.从1926年开始,使用膨润土作为悬浮剂;
5.从1930年开始,研制出最早的泥浆处理剂—丹宁酸钠;
6.从1931到1937年,研制出各种泥浆测量仪器,提出了对泥浆性能控制的要求;
7.从1944到1945年,Na-CMC(钠羧甲基纤维素)作为降滤失剂,开始应用于钻井液中;
8.从1955年开始,FCLS(铁铬木质素磺酸盐)作为稀释剂,开始应用于钻井液中;
9.从60年代开始,石灰钻井液、石膏钻井液和氯化钙钻井液等粗分散水基泥浆体系开始广泛使用。
这一阶段,油基钻井液也有了进一步的发展。
10.在50年代柴油为基油的油基钻井液基础上,70年代—发展了低胶质油包水乳化钻井液,80年代—低毒油包水乳化钻井液。
在抗高温深井钻井液方面:
研制出以Resinex为代表的抗高温处理剂,使深井钻井液技术取得了很大进展。
11.从90年代开始,聚合物钻井液进一步发展:
出现了MMH钻井液,合成基钻井液,聚合醇钻井液,甲酸盐钻井液硅酸盐钻井液。
1.2钻井液用化学剂分类
钻井液处理剂是为调节钻井液性能而加入钻井液中的化学剂。
钻井液处理剂,若按元素组成,可分为无机钻井液处理剂(包括无机的酸,碱,盐和氧化物等)和有机钻井液处理剂(如表面活性剂和高分子等);若按用途,则可分为下列15类,即pH控制剂,钻井液除钙剂,钻井液消泡剂,钻井液乳化剂,钻井液降粘剂,钻井液增粘剂,钻井液降滤失剂,钻井液絮凝剂,钻井液页岩抑制剂(防塌剂),钻井液缓蚀剂,钻井液润滑剂,钻井液解卡剂,钻井液温度稳定剂,钻井液密度调整材料,钻井液堵漏材料。
第2章钻井液用化学剂的合成方法
2.1高分子型钻井液处理剂的合成方法及性能评价
2.1.1钻井液用两性离子共聚物HTB的合成与其性能研究
目前,钻井液处理剂的发展由天然高聚物及其改性制品向合成高聚物和共聚物方向发展,由处理剂的单一功能向多功能方向发展,由低效向高效发展。
两性离子共聚物是近年来研制的较新产品,由于分子中引入了阳离子基团,共聚物作为钻井液处理剂不仅有较强的降失水作用和抗温抗盐能力,还表现了较强抑制性。
笔者采用水溶液聚合方法,合成了丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、丙烯磺酸钠(AS)、丙烯酰胺基三甲基丙基氯化铵(AMPTA)新型两性离子聚合物钻井液处理剂。
该共聚物是抗盐抗温的阴离子降失水剂的分子骨架上引入另外一定比例有机季铵盐阳离子得到的两性离子型聚合物钻井液处理剂,并且研究了共聚物反应条件与钻井液性能的关系。
1.实验
(1)原料
丙烯酰胺(AM),丙烯磺酸钠(AS),丙烯酰胺基三甲基丙基氯化铵(AMPTA),氧化钙(CaO),丙烯酸(AA)均为工业品;引发剂,KOH均为分析纯。
(2)合成
称取一定量的CaO溶于丙烯酸水溶液中,待溶液透明后用KOH水溶液将反应混合物的pH调至要求值,在不断搅拌和通氮的情况下加入丙烯磺酸钠和丙烯酰胺,待其全部溶解后加入丙烯酰胺基三甲基丙基氯化铵升至35-55℃,然后依次加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠,反应一段时间得多孔聚合物凝胶体,剪切造粒,在100-120℃下烘干、粉碎,即得共聚物产品HTB(以下均用HTB表示两性离子共聚物)。
(3)基浆配制
淡水基浆的配制:
在1L水中加入40g膨润土和2g无水碳酸钠,高速搅拌20min,室温养护24h,即得淡水基浆。
淡水泥浆的配制:
在上述淡水基浆中加入0.3%的HTB,高速搅拌20min,室温养护24h,即得共聚物基浆。
2.共聚物合成配方研究
(1)两性离子聚合物HTB配方优选
经过大量室内正交实验,优选出两性离子聚合物配方为:
AM∶AA∶CaO∶AS∶AMPTA=7∶3∶0.75∶2∶1,引发剂含量为0.3%,pH为7,反应温度35℃,单体含量为30%,反应时间4h。
其中AMPTA作为阳离子单体引入共聚物中,可提高钻井液抑制性;引入磺酸基提高共聚物的刚性,增强共聚物的抗温抗盐性;引入带强吸附基团丙烯酰胺改善共聚物的水溶性;采用羧钙基使聚合物分子适度交联,可增强抗盐抗钙能力,提高剪切稳定性。
为了获得性能更好的共聚物HTB,在正交实验基础上,以优化配方为参照,进一步考察了pH引发剂用量、单体含量、聚合温度等合成条件对共聚物钻井液性能的影响。
(2)引发剂用量对钻井液性能的影响
其他条件不变,测定由不同用量引发剂合成的共聚物作为钻井液处理剂的常规性能.
表2-1由不同用量引发剂合成的0.3%共聚物的常规性能
泥浆配方
FL/mL
AV/mPa·s
PV/mPa·s
YP/Pa
基浆
26.0
6.5
6.0
0.5
基浆+1号产品
11.5
15.0
12.0
3.0
基浆+2号产品
10.8
13.8
12.5
1.3
基浆+3号产品
11.0
19.8
15.0
4.8
基浆+4号产品
10.0
26.0
17.0
9.2
基浆+5号产品
9.2
24.5
15.0
4.1
注:
1~5号样品分别由0.1%,0.2%,0.3%,0.4%和0.5%引发剂合成的共聚物。
由表1可看出,其他条件相同时,引发剂用量对合成聚合物钻井液降失水性能影响较小,但随着引发剂用量增大,合成聚合物钻井液的表观粘度和塑性粘度增大,具有较高的动塑比。
从成本因素考虑,引发剂用量以0.1%为宜。
实验中还发现,引发剂用量越大,聚合反应速率加快,凝胶强度越大,这可能是因为引发剂用量增加,聚合物发生支化形成网状结构,因而强度增大。
(3)单体含量对钻井液性能的影响
在其他条件不变,测定不同单体含量,合成的共聚物作为钻井液处理剂的常规性能。
表2-2不同单体含量合成的含0.3%共聚物的常规性能
泥浆配方
FL/mL
AV/mPa·s
PV/mPa·s
YP/Pa
基浆
26.0
6.5
6.0
0.5
基浆+1号产品
16.0
8.0
5.0
3.0
基浆+2号产品
12.8
14.5
12.0
2.6
基浆+3号产品
10.8
16.5
15.0
1.5
基浆+4号产品
15.0
13.0
12.0
1.2
注:
1~4号样品分别由10%,20%,30%和40%单体含量合成的含0.3%共聚物。
从表2-2可看出,单体含量过低或过高,产物的降失水性均较差,这可能是因为在水溶液聚合中,在一定时间内,单体含量低,反应速度很慢,聚合产物相对分子质量较小,降失水效果差;单体含量高,反应速度加快,聚合过程产生的热量难以排除,链转移反应增加,支化和自交联反应加剧,相对分子质量也下降,降失水效果也不好。
(4)pH对钻井液性能的影响
其他条件不变,测定改变pH合成的共聚物作为钻井液处理剂的常规性能。
表2-3不同pH下合成的共聚物作为钻井液处理剂的常规性能
泥浆配方
FL/mL
AV/mPa·s
PV/mPa·s
YP/Pa
基浆
26.0
6.5
6.0
0.5
基浆+1号产品
16.0
8.0
5.0
3.0
基浆+2号产品
11.0
32.5
23.5
9.2
基浆+3号产品
12.0
25.0
17.5
7.7
基浆+4号产品
16.8
13.0
12.0
1.5
注:
1~4号样品分别是在pH为3,5,7,9时合成的共聚物。
从表2-3可看出,反应溶液pH为5时,产物的降失水效果最好。
因为合成降失水剂的关键是吸附基团(—COOH,—CONH2,阳离子基团)和水化基团的比例,用KOH调节pH,可控制吸附基团和水化基团的比例,同时KOH控制了钻井液的碱度,还可相应提高钻井液的抑制性
(5)聚合温度对钻井液性能的影响
其他条件不变,测定改变聚合温度合成的共聚物作为钻井液处理剂的常规性能。
表2-4不同聚合温度下合成的共聚物作为钻井液处理剂的常规性能
泥浆配方
FL/mL
AV/mPa·s
PV/mPa·s
YP/Pa
基浆
26.0
6.5
6.0
0.5
基浆+1号产品
10.2
23.5
17.5
6.1
基浆+2号产品
11.0
24.8
18.0
6.9
基浆+3号产品
12.4
12.0
10.5
1.6
基浆+4号产品
13.2
26.0
18.0
8.2
注:
1~4号样品分别是在聚合温度为35,45,55及65℃时合成的共聚物。
从表2-4可看出,35℃聚合所得聚合产物降失水效果最好,但温度对降失水性能影响不是很大。
实验发现,聚合温度越高,反应速度加快,所得共聚物相对分子质量越低。
这是因为,根据自由基聚合理论,聚合反应根据所用引发剂选择适宜的聚合温度,可使自由基形成速率适中,转化率较高。
如温度高于引发剂分解温度,引发过快,可能爆聚或引发剂过早分解结束,在低转化率阶段停止聚合,所用引发剂是低温引发剂,所以合成温度以35℃为宜。
通过正交实验和单因素实验分析,获得最佳配方AM∶AA∶CaO∶AS∶AMPTA=7∶3∶0.75∶2∶1,引发剂含量为单体总量的0.1%,pH为5,反应温度35℃,单体含量为30%,反应4h,按此配方合成共聚物HTB。
(6)共聚物HTB加量的确定
表5共聚物HTB加量对钻井液的性能影响
泥浆配方
FL/mL
AV/mPa·s
PV/mPa·s
YP/Pa
基浆
26.0
22.5
6.0
22.0
基浆+0.1%
18.4
30.0
6.0
28.0
基浆+0.2%
15.6
34.0
5.0
32.0
基浆+0.3%
9.0
40.0
5.0
36.0
基浆+0.4%
8.0
50.0
4.0
42.0
基浆+0.5%
5.0
66.0
5.0
50.0
从表2-5可看出,随着共聚物加量的增加,降失水效果明显增强,但粘度上升得特快,故容易增稠,因此HTB的加量不宜过大,在淡水基浆中以0.13%加量为宜。
3.两性离子共聚物钻井液性能评价
(1)抗盐性
在基浆中加入0.3%HTB,同时加入不同含量的CaCl2,测下两性离子共聚物钻井液的性能,结果见表6。
表2-6两性离子共聚物钻井液的抗盐性
泥浆配方
FL/mL
AV/mPa·s
PV/mPa·s
YP/Pa
基浆+0.3%HTB
9.2
30.5
21.0
9.7
基浆+0.3%HTB+5%CaCl2
10.8
37.3
9.5
28.4
基浆+0.3%HTB+10%CaCl2
11.0
37.5
10.0
26.1
基浆+0.3%HTB+15%CaCl2
10.4
35.5
6.0
21.0
基浆+0.3%HTB+20%CaCl2
11.2
23.5
6.0
17.9
由表2-6可知,HTB具有很好的抗盐性,可抗高达20%的CaCl2。
(2)抗温性
在基浆中加入0.3%HTB在180℃下热滚16h后测其性能,实验结果见表7。
表2-7两性离子共聚物钻井液的抗温性
泥浆性能
FL/mL
AV/mPa·s
PV/mPa·s
YP/Pa
常温
9.0
31.8
21.5
10.5
老化12h
9.2
12.0
11.5
11.5
从表2-7可看出,失水量基本没有变化,但流变性变化很大,粘度和切力下降,这可能是因为HTB中含有阳离子基团,高温时在粘土表面吸附增大,抑制粘土分散,降低了基浆的粘度,但作为降失水剂,HTB具有很好的抗温性能。
(3)抑制性
以KCl溶液作为对比,进行了HTB的页岩滚动回收率测试,结果如表2-8。
表2-8两性离子共聚物钻井液的抑制性
试液
抑制性R,%
0.2%HTB溶液
75.8
5%KCl溶液
43.9
7%KCl溶液
68.7
从表2-8可看出,0.2%HTB的相对回收率高于7%的KCl,表明所合成的HTB有较强的抑制性。
2.1.2新型阳离子聚合物NCP的合成及影响因素
水溶性阳离子聚合物由于其性能优越,在造纸、纺织、油田生产等领域得到了广泛的应用。
阳离子聚合物的合成方法有两种:
一种是用阳离子型聚合物单体为原料通过均聚或共聚反应制得;另一种是用阳离子化试剂与聚合物分子链上的活泼基团如羟基、氨基等进行化学反应而制得,简称高分子反应法。
第一种方法存在着成本高、制备工艺复杂等缺点;第二种方法工艺简单、成本低,产品性能优良,受到人们的重视。
从合成工艺上讲高分子反应法可分为固相法和液相法。
与有机溶剂法和水溶剂法相比,固相法具有工艺简单、反应效率高、能耗低、环境污染小等特点,并能制备高阳离子度的阳离子聚合物,因此固相法是人们一直努力研究的方法。
进行了用高分子反应法在固态条件下合成高阳离子度阳离子聚合物的实验。
实验结果表明,在反应体系中加入催化剂和少量有机或无机溶剂可显著提高反应速率和效率。
该产品可作为主处理剂用于配制正电性钻井液,并可用于解决注聚区块生产井出聚合物的问题,得到良好的增油降水效果。
1.室内研究
(1)阳离子聚合物NCP的合成机理
阳离子聚合物NCP是由阳离子化试剂与聚合物在一定的条件下反应制得,主要反应如下:
(2)阳离子聚合物合成的影响因素
a.催化剂用量的影响
从聚合物与阳离子化试剂的反应方程式可以看出,反应体系中催化剂的存在使聚合物的羟基转变成负氧离子,大大增强了聚合物羟基的亲核能力,从而显著提高了反应效率和反应速率;在反应时间为2.5h、反应温度为8O℃、聚合物用量为5.5g、阳离子化试剂用量为1.5g的条件下,催化剂用量对产物阳离子度DS和反应效率RE的影响见表2-9。
表2-9催化剂用量对产物阳离子度的影响
催化剂/g
DS
RE/%
0.050
0.23
68.9
0.075
0.28
82.3
0.100
0.27
80.8
0.150
0.20
61.4
从表2-9可以看出,随着催化剂用量的增加,阳离子度和反应效率都有所增加,但加入量超过一定程度后,反应效率、阳离子度逐渐下降。
过量的催化剂,加速了阳离子化试剂中环氧基和季铵基的分解,季铵基的分解可由催化剂过量时放出气体的实验事实所证明。
因此催化剂的用量为0.075g为最佳。
b.反应温度的影响
在反应时间为2.5h、催化剂加量为0.08g、聚合物用量为5.5g、阳离子化试剂用量为1.5g的条件下,反应温度影响情况见表2-10。
表2-10反应温度对产物阳离子度的影响
T/0C
DS
RE/%
T/0C
DS
RE/%
70
0.24
71.9
95
0.25
74.9
80
0.32
83.8
110
0.20
76.0
从表2-10看出,温度低,反应速度慢,产物取代度较低;反应温度过高,会引起阳离子化试剂和聚合物的分解,结果都使产物的取代度降低。
为了既保持较高的反应速度,又有较高的阳离子度,聚合物的反应温度取80℃为宜。
2.2表面活性剂型钻井液处理剂的合成方法及性能评价
2.2.1钻井液用酚醛树脂磺酸盐的合成及性能评价
磺甲基酚醛树脂(SMP)是典型的合成树脂类降滤失剂,由于其分子主链中含有苯环结构,热稳定性好,在泥浆中抗温能力强,同时其主要水化基团—CH2SO3—对盐的敏感性弱,因此处理剂的抗盐污染能力提高。
自上世纪70年代初投人使用以来,在石油深井钻探和盐水钻井液中得到较广泛的应用,并发展了以SMP为主的用于深井段的钻井液体系,促进了高温钻并液的发展。
正是由于其具有较理想的抗盐和抗温性能充分引起了人们的重视,为了进一步扩大SMP的应用范围,在SMP现场应用的基础上还开展了SMP的改性工作,从而使酚醛树脂磺酸盐类产品得到了新的发展,本文就该类产品合成与性能进行简要介绍。
1.磺化酚醛树脂合成设计
(1)磺化酚醛树脂合成思路产生的依据
开始产生磺化酚醛树脂这一设计思路是基于:
a.酚醛树脂有适当的相对分子质量;
b.酚醛树脂中的重复单元中有充分的吸附基团—OH
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- 钻井 用处 发展 应用 绿色 化作 明月