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钻井液用抗温抗盐润滑降滤失剂SLJWP的制备及性能评价

2014-12-24邱维清

石油化工应用 2014年11期
关键词:基浆失剂抗盐

邱维清

(胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司,山东东营 257064)

在石油钻井过程中,钻井液用降滤失剂是保证钻井液性能稳定、减少有害液体向地层滤失、稳定井壁和保证井径规则的重要处理剂[1-2]。在深井复杂地层钻井过程中,降滤失剂由于受地层高温及高价离子的影响,常常性能变差或失效,滤失量大幅上升,进而导致各种井下复杂情况的发生,给钻井作业带来巨大困难和损失。同时随着定向井、水平井钻井工艺技术在复杂地层的推广应用,对钻井液性能提出了更高的要求,如何降低钻井摩阻,提高钻井液的润滑性能,成为定向井、水平井施工的关键。

为了解决钻井工作遇到的高温、高盐和高摩阻等问题,袁丽等[3]以淀粉,液体润滑剂等为原料,合成固体润滑降滤失剂,该产品虽有良好润滑性和降滤失效果,但在抗温抗盐方面则有待提高。同样,刘传禄等[4]以改性纤维素和多种表面活性为原料制得PPL 防卡降滤失剂,其润滑性能优于柴油,而抗温性能也需进一步完善。上述产品虽然具有良好的降滤失效果的同时,还能改善钻井液润滑性,降低摩擦阻力,但这类产品主要由淀粉或纤维素与润滑剂反应制得,其抗温、抗盐能力较差。目前降滤失剂的开发必须兼顾提高性能、增加功能和降低成本3 个方面,来更好解决钻井工作遇到的高温、高盐和高摩阻等问题,这已成为降滤失剂发展的趋势。利用多种功能性单体,通过反相乳液聚合方法,合成了一种抗温抗盐润滑降滤失剂,利用红外光谱分析表明,新研制的抗温抗盐润滑降滤失剂SLJWP 具有多羟基结构,该结构易和水分子结合,阻止水分子渗入地层。利用旋转粘度计,失水仪、极压润滑仪等仪器,对其性能进行了评价分析。结果表明,SLJWP 降滤失剂具有良好的降滤失、抗温、润滑、抗Na+污染能力。

1 实验部分

1.1 主要实验原料

丙烯酰胺(AM)、过硫酸铵、亚硫酸钠、NaOH、Tween-80 均为分析纯,2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠(AMPS)、石蜡、钠膨润土等为工业纯。

1.2 降滤失剂SLJWP 的合成

称取一定量丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS),搅拌均匀后加入到一定量去离子水中剪切乳化,得AM/AMPS 乳化液。在四口烧瓶中,将石蜡升温融化,水浴设定一定温度,加入Tween-80等表面活性剂,并用NaOH 调整pH 值到碱性。通高纯氮气置换空气,开动搅拌器,然后分多次加入剪切乳化好的AM/AMPS 乳化液,升温至一定温度时,滴加一定量引发剂,反应一段时间后得到含有大量的乳白色胶液。

2 产品结构分析

为验证产物合成的情况,利用红外光谱仪,测试样品在4 000 cm-1~400 cm-1的红外吸收光谱(见图1)。

由谱图1 可知,在3 455 cm-1处出现较宽的吸收峰,说明SLJWP 含有多羟基-OH,在2 923 cm-1和2 854 cm-1出现甲基和亚甲基的吸收峰,说明SLJWP 合成的长烷基链。1 649 cm-1出现酰胺基团的特征峰,芳环中C=C 的拉伸振动的吸收带在1 601 cm-1处被观察到。在1 391 cm-1附近是甲基-CH3的对称伸缩振动吸收峰。1 650 cm-1C=C 的特征吸收峰消失,说明单体发生了聚合反应。

图1 降滤失剂SLJWP 的红外图谱

3 性能评价

3.1 基浆的配制

淡水基浆:在1 000 mL 水中加入40 g 膨润土和0.8 g 无水碳酸钠。

盐水基浆:在1 000 mL 水中加入40 g 膨润土、0.8 g无水碳酸钠和40 gNaCl。

饱和盐水基浆:在1 000 mL 水中加入40 g 膨润土、0.8 g 无水碳酸钠和360 gNaCl。

3.2 流变性和失水

配制4 %的基浆,用ZNN-D6 型六速旋转粘度计和SD3 型多联中压滤失仪分别测定SLJWP 不同加量下的流变参数和滤失量,结果(见表1)。

表1 不同加量下SLJWP 降滤失剂的流变参数和滤失量

由表1 可知,随着SLJWP 浓度增加,表观粘度和塑性粘度均呈上升趋势;滤失量则大幅度下降。

3.3 润滑性能

用EP-2 型极压润滑仪、NF-1 型泥饼粘附系数测定仪、GNF-1 型高温高压粘附系数仪分别测定了4 %基浆和4 %基浆+1.0 % SLJWP(1#)体系的润滑系数、泥饼粘附系数,结果(见表2)。由表2 可知,SLJWP 降滤失剂具有较好的润滑性能。相对4 %基浆而言,润滑系数降低了70 %左右,泥饼粘附系数降低了30 %。

表2 不同体系的润滑性

3.4 抑制性

采用NP-01 型页岩膨胀仪测试粘土在SLJWP 溶液中的线性膨胀率。粘土8 h 膨胀高度随着SLJWP 浓度的变化情况(见图2)。由图2 可知,SLJWP 浓度为1.0 %时,页岩膨胀高度已大幅度降低,当浓度达到1.5 %时,其抑制页岩膨胀的降低率达到69 %,浓度大于1.5 %时,抑制页岩膨胀的效果基本不变。

图2 页岩膨胀高度随SLJWP 降失水剂浓度的变化

3.5 抗盐性能

分别在淡水基浆,盐水基浆,饱和盐水基浆中加入不同浓度SLJWP 降滤失剂,使其充分溶解后,测API失水,考察SLJWP 抗盐污染能力。实验结果(见表3)。从表3 可以看出:滤失量随着降滤失剂加量的上升而下降,当加量为l.5 %时,盐水基浆的滤失量与淡水基浆的滤失量差别不大。这表明SLJWP 降滤失剂可以有效地控制泥浆的滤失量,具有较好抗盐性能。

表3 SLJWP 降滤失剂在不同基浆中抗污染能力

3.6 老化温度对SLJWP 降滤失性的影响

测定4 %基浆及基浆中加入1 % SLJWP 的钻井液老化前后的滤失量,结果(见图3)。由图3 看出,温度超过150 ℃后,基浆的滤失量明显升高;温度超过180 ℃后,SLJWP 钻井液滤失量略有升高。

图3 老化温度对SLJWP 降滤失效果的影响

3.7 抗高温滤失性及泥饼微观形态

3.7.1 抗高温滤失性 为了考察SLJWP 降滤失剂的优越性,与目前常用聚合物降滤失剂、抗高温降滤失剂进行性能对比,结果(见表4、表5)。

表4 与常见聚合物降滤失剂的滤失性对比

表5 与抗高温降滤失剂的滤失性对比

由表4 可知,在同样条件下,SLJWP 降滤失剂的降滤失性能、钻井液流变性抗温能力明显优于常见的聚合物降滤失剂。同样,从表5 数据可以看出,在同样温度下老化后,SLJWP 降滤失剂的降滤失性能明显优于SMP-Ⅰ、SPNH,这也从另一个方面体现了其具有良好的热稳定性。

3.7.2 泥饼的微观形态 采用API 滤失试验制得泥饼,试验条件为常温、0.69 MPa 下,压制7.5 min。通过数码照相机观察泥饼结构(见图4)。

图4 加入不同降滤失剂淡水基浆泥饼的数码图片

由图4 可知,泥饼厚度:(a)为5 mm,(b)、(c)、(d)小于1 mm。(a)不添加降滤失剂的泥饼表面凹凸不平,泥饼厚而松散,用自来水冲洗泥饼,表面大量虚的泥饼被冲掉,但加入降滤失剂后,泥饼变得薄而致密。(b)、(c)、(d)虽然泥饼厚度相当,但是(b)的泥饼致密,用大量自来水冲洗,都不易破坏其结构,而(c)、(d)的泥饼较松散,容易被自来水冲散。表明使用SLJWP 聚合物降滤失剂的泥饼,泥饼结构紧密,强度相对较高。

同时采用M7000 电子显微镜将上述制备的泥饼放大10 倍观察泥饼微观结构(见图5)。

由图5 可知,(a)图存在大量不同孔径的孔隙;(b)图基本没有空隙且钻井液呈云片状封堵在滤纸上;(c)和(d)图颗粒分布不均,存在一些大孔隙。从泥饼微观图片进一步表明,使用SLJWP 聚合物降滤失剂的泥饼,泥饼颗粒分布均匀,结构紧密。

4 结论

(1)SLJWP 降滤失剂具有良好的抑制页岩膨胀能力,当浓度达到1.5 %时,其抑制页岩膨胀的降低率达到69%。

(2)SLJWP 降滤失剂具有良好的润滑性能在4 %膨润土浆中加入1.0 %SLJWP 降滤失剂后,润滑系数降低了70 %左右,泥饼粘附系数降低了30 %。

图5 加入不同降滤失剂后泥饼放大10 倍电子显微图片

(3)SLJWP 降滤失剂具有良好的降滤失性能。在4 %膨润土浆中加入SLJWP 降滤失剂后,塑性粘度、表观粘度、切力均呈上升趋势而失水量则大幅度降低。同时,与常用的抗温降滤失剂对比,其降滤失性能优于SMP-1、SPNH。

(4)SLJWP 降滤失剂还具有良好抗盐性,在饱和盐水中,仍具有良好的降滤失效果。

[1] 鄢捷年.钻井液工艺学[M].东营:石油大学出版社,2005:132-133.

[2] 马如然,马喜平,王新胜,等.一种抗盐抗温降滤失剂的合成及性能研究[J].山东化工,2011,40(3):32-35.

[3] 袁丽.钻井液用润滑降滤失剂SRHJ-1 的室内研究[J].钻井液与完井液,2008,(6):26-28.

[4] 刘传禄,唐仕忠.新型防卡降滤失剂PPL 的研究与应用[J].油田化学,1994,(4):278-282.

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