胺類抑制劑ZC-NW的合成及評價

劉磊,趙廣淵，郭宏峰,黃俠,李翔,萬永乾,何德磊,徐明飛

(中海油田服務股份有限公司油田生產(chǎn)事業(yè)部，天津 300459)

胺類水基鉆井液是近幾年國外發(fā)展起來的一種高性能強抑制水基鉆井液體系[1-2]，其性能已接近或達到油基鉆井液性能，應用方便且環(huán)保。胺類水基鉆井液技術核心部分是胺類抑制劑的應用。國內外對胺類抑制劑[3]進行了多項研究，并取得了許多階段性成果[4-6]。國外麥克巴ULTRADRILL體系和貝克休斯HPWBM體系具備油基鉆井液優(yōu)異的潤滑性和抑制性，取得了很好的應用效果。國內報道較多、應用效果較好的主要有以下幾種：聚胺抑制劑NH-1、UHIB、SDPA、SIAT、BZ-AN1等，但對胺類處理劑的合成工藝技術等的研究還不是很多，本文室內合成了ZC-NW胺類抑制劑并對其進行了表征和性能評價。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

環(huán)氧氯丙烷、甲醇、三甲胺(33%水溶液)、氯化鉀、膨潤土(鈉基)均為分析純；防膨劑JX-1，工業(yè)品。

NP-01型常溫常壓膨脹量測定儀；KA-1000臺式離心機；ZNN-D6 型六速旋轉粘度計；XGRL-4A型滾子加熱爐；NICOLET 6700 FTIR紅外光譜儀。

1.2 實驗方法

在30 ℃的水浴溫度下，將三甲胺和環(huán)氧氯丙烷倒入裝有溫度計、攪拌器和冷凝管的三口燒瓶中，調整體系的pH值為2，再加入5%的甲醇作增溶劑，按照設計要求控制反應溫度和反應時間，反應后得到胺類抑制劑。反應結束后將反應裝置改為蒸餾裝置，提純得到反應產(chǎn)物。

2 結果與討論

2.1 抑制劑合成條件的篩選

2.1.1 原料配比對膨脹率的影響 在反應溫度為60 ℃，反應時間為7 h時，控制環(huán)氧氯丙烷與三甲胺的摩爾比分別為0.5,0.75,1,1.25,1.5進行實驗。測定環(huán)氧氯丙烷與三甲胺摩爾比對膨脹率的影響，結果見圖1。

圖1 摩爾比對膨脹率的影響

由圖1可知，當摩爾比<1時，膨脹率隨環(huán)氧氯丙烷與三甲胺摩爾比的增大而減少，摩爾比>1時，膨脹率隨著環(huán)氧氯丙烷與三甲胺摩爾比的增大而增大。當環(huán)氧氯丙烷與三甲胺摩爾比為1時，產(chǎn)物膨脹率為28.50%,此時產(chǎn)物對膨潤土的膨脹率最小。即在摩爾比為1時抑制性最好。

2.1.2 反應溫度對膨脹率的影響 在原料摩爾比為1，反應時間為7 h時，控制反應溫度分別為50,60,70,80,90 ℃進行合成實驗，測定不同反應溫度對膨脹率的影響，結果見圖2。

圖2 反應溫度對膨脹率的影響

由圖2可知，在反應溫度<80 ℃時，實驗膨脹率隨溫度的增大而呈減少趨勢；當反應溫度>80 ℃時，實驗膨脹率隨溫度的增大而增大。即在反應溫度為80 ℃時，產(chǎn)物的膨脹率為25.60%，此時產(chǎn)物對膨潤土的膨脹率最小，即在溫度為80 ℃時抑制性最好。

2.1.3 反應時間對膨脹率的影響 在環(huán)氧氯丙烷和三甲胺的摩爾比為1，反應溫度為80 ℃時，控制反應時間分別為7,7.5,8,8.5,9 h進行合成實驗。測定不同反應時間對膨脹率的影響，結果見圖3。

圖3 反應時間對膨脹率的影響

由圖3可知，隨著反應時間從7 h逐漸增加至9 h，產(chǎn)物的膨脹率從28.14%降低至23.82%，當反應時間達到8 h后，產(chǎn)物膨脹率基本不變，此時產(chǎn)物膨脹率為23.92%。從反應時間和能量的角度來看，體系的最佳反應時間為8 h。

綜上，從單因素實驗得到反應的最佳條件為：反應物摩爾比1∶1，反應時間為8 h，反應溫度為80 ℃。

2.2 抑制劑的紅外光譜分析

將胺類抑制劑產(chǎn)物進行了紅外光譜分析，結果見圖4。

圖4 三甲胺-環(huán)氧氯丙烷產(chǎn)物紅外光譜圖

由圖4可知，在紅外光譜1 636.26 cm-1處為N—H的振動吸收峰；紅外光譜1 482.67 cm-1處為—CH2—的彎曲振動吸收峰；紅外光譜1 096.01 cm-1處是CH—OH的C—O的伸縮振動峰；紅外光譜981.82 cm-1處是季銨鹽的特征吸收峰。由于胺類抑制劑產(chǎn)物中有水存在，在紅外光譜的3 300 cm-1(3 381.23 cm-1)附近處出現(xiàn)了水的吸收峰。

2.3 抑制劑的抑制性能評價

2.3.1 體積膨脹實驗 圖5為ZC-NW胺類抑制劑、JX-1抑制劑和KCl在不同濃度梯度下的膨脹率。

圖5 不同溶液在不同濃度下對膨潤土膨脹率的影響

由圖5可知，ZC-NW胺類抑制劑對膨潤土膨脹率的影響比相同濃度的KCl和JX-1抑制劑小，其中1%ZC-NW胺類抑制劑的膨脹率為16.38%。

2.3.2 巖屑滾動回收實驗 分別將60～80目巖屑顆粒加入清水、1%ZC-NW胺類抑制劑、1%JX-1抑制劑、1%KCl溶液中，攪拌均勻，密封在老化罐中120 ℃下滾動16 h，測試巖屑回收率并用激光粒度分析儀測定巖屑在溶液中的分布規(guī)律。在ZC-NW胺類抑制劑加量為1%時，巖屑滾動回收率分別為76.32%,69.78%,53.25%。由表1可知，ZC-NW胺類抑制劑對巖屑具有較強的抑制作用，從顆粒粒徑為1～10 μm范圍體積分數(shù)和分散的粒徑中值來看，3種抑制劑抑制能力的強弱順序為：ZC-NW胺類抑制劑>JX-1抑制劑>KCl。

表1 巖屑在不同溶液中的激光粒度分析結果

2.4 抑制劑與鉆井液性能評價

向燒杯中加入一定量的淡水，加入0.2%的碳酸鈉和4.0%的膨潤土，攪拌2 h，密封放置老化24 h后。向基漿中分入0.5%ZC-NW胺類抑制劑后，室溫性能見表2。

表2 室溫下加入處理劑鉆井液的性能

由表2可知，室溫下，加入ZC-NW胺類抑制劑后，鉆井液的 AV、PV、YP、YP/PV 均明顯增大。加入0.5%ZC-NW胺類抑制劑后，鉆井液的AV提高2.64倍，YP值提高3.17倍，其FL也有所增加，為21.40 mL。黏度和切力都有所增加，濾失量也顯著增大。

3 結論

(1)環(huán)氧氯丙烷與三甲胺按摩爾比為1∶1，在80 ℃、8 h反應條件下合成的抑制劑對膨潤土抑制性最強。1%ZC-NW胺類抑制劑的反應產(chǎn)物的膨脹率為16.38%，巖屑回收率76.32%。

(2)室溫下，在鉆井液基漿中加入0.5%ZC-NW胺類抑制劑后，鉆井液的表觀粘度提高2.64倍，動切力提高3.17倍。黏度和切力都有所增加，濾失量也顯著增大。