油基鉆井液提切劑的合成與評價

李子鈺，于培志

(中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083)

全球具備分布廣泛且豐富的頁巖氣資源[1]，我國的頁巖氣資源儲量就很豐富，目前主要產自四川盆地[2]，已成為我國天然氣產量的重要組成部分。油基鉆井液可以有效避免頁巖地層的水化膨脹、維護井壁穩(wěn)定、保護儲層[3-4]，但高溫深井中使用的高溫高密度鉆井液流變性和穩(wěn)定性難以控制[5-6]。傳統(tǒng)的油基鉆井液均使用有機土提粘提切，但高密度條件下調整有機土并不能很有效地解決流變性問題，而新漿中過低的有機土含量又會導致體系切力過低[7-8]。且有機土是一種亞微米級膠質顆粒，不利于鉆速，老化后增稠嚴重[9-11]。本文通過合成一種可以代替有機土的提切劑來解決以上問題。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

高純度聚醚胺D-2000、癸二酸(99%)、多元醇均為化學純；三乙二醇單丁醚(GC)，色譜純；油浴鍋用硅油(耐300 ℃)，工業(yè)品。

DF-101S集熱式磁力攪拌器；RW20機械攪拌器。

1.2 提切劑的合成

先使用聚醚胺D-2000與癸二酸在160 ℃的條件下反應，將三乙二醇單丁醚作為溶劑，反應4 h，而后降溫至80 ℃再加入多元醇進行第二階段反應，在200 ℃的條件下反應5～6 h，得到目的產物。提切劑的第一步合成反應見圖1。

圖1 提切劑的第一步合成反應Fig.1 The first step synthesis reaction of the rheology modifier

具體實驗步驟：將聚醚胺D-2000∶癸二酸∶多元醇=6∶3∶1(摩爾比)分兩階段分別加入進行反應。第一階段中進行聚醚胺D-2000與癸二酸的反應，加入適量的三乙二醇單丁醚作為溶劑，將三種試劑加入四口燒瓶中，放進油浴鍋設定溫度為160 ℃，裝配好合成裝置，將攪拌速度調整為200 r/min，進行恒溫加熱攪拌，待溫度升至160 ℃，反應4 h；第二階段，在第一階段反應結束后，降溫至80 ℃，加入多元醇，而后再升溫至200 ℃恒溫反應5～6 h，攪拌速度為200 r/min，待反應至無水生成，即得目的產物——提切劑，冷卻至60 ℃，出料。

1.3 作用機理

反應是通過利用癸二酸與聚醚胺D-2000進行第一步反應，在分子中引入酰胺基，再利用癸二酸及第一階段反應產物與多元醇發(fā)生酯化反應，產生酯基，生成目的產物。產物中的具有酰胺基、酯基和羥基為極性基團，極性基團可通過氫鍵、靜電引力與其它基團相互作用，形成網絡結構，而聚醚胺D-2000為分子引入了長鏈，通過締合作用也可形成網絡結構，從而實現(xiàn)提切作用。

2 結果與討論

2.1 提切劑的表征與評價

圖2為所合成提切劑的紅外光譜。

圖2 提切劑傅里葉紅外光譜Fig.2 Fourier infrared spectrum of rheology modifier

由圖2可知，圖中3 453 cm-1的寬峰帶為仲胺的特征吸收峰；2 924 cm-1及2 868 cm-1尖峰代表烷烴類C—H伸縮振動的特征吸收峰；1 734 cm-1尖峰為酯的特征吸收峰；1 655 cm-1及1 536 cm-1尖峰為酰胺的特征吸收峰；1 457 cm-1及1 373 cm-1對應 —CH3的振動，1 250 cm-1為 —C—C— 的骨架振動，1 141 cm-1為使用的溶劑三乙二醇單丁醚中醚的特征吸收峰，927 cm-1為羧酸中的 —OH振動特征吸收峰。根據紅外光譜的分析表明，反應生成了目的官能團：酰胺基與酯基。

2.2 提切劑加量優(yōu)選與評價

2.2.1 提切劑加量優(yōu)選 構建無土相高密度油基鉆井液體系，主要基于研制合成的提切劑，因此對提切劑的加量進行優(yōu)選，設計7組實驗配方，以0.5%為梯度，將提切劑加量從0提升至3%。

基礎配方：柴油∶25%CaCl2(質量分數)水溶液=80∶20(體積比)、2%主乳+2.5%輔乳+3%潤濕劑+1.5%CaO+4%降濾失劑+重晶石(密度2.20 g/cm3)。

設計配方：①基礎配方+0%提切劑；②基礎配方+0.5%提切劑；③基礎配方+1%提切劑；④基礎配方+1.5%提切劑；⑤基礎配方+2.0%提切劑；⑥基 礎配方+2.5%提切劑；⑦基礎配方+3%提切劑。

150 ℃老化16 h得到實驗數據見表1。

表1 提切劑加量對比實驗數據Table 1 Comparative experimental data of the addition of rheology modifier

由表1可知，在0～3%的加量內，隨著提切劑加量的提升，體系的表觀粘度不斷上升；而塑性粘度先有一個維持不變的區(qū)間，而后也隨之提升；體系動切力隨著提切劑的增加，也不斷上升；而體系的破乳電壓是隨提切劑加量提升，先上升后下降，在1%～1.5%時最高，故可以選擇1%作為提切劑的優(yōu)選加量。

體系動切力隨提切劑而變化的點線圖見圖3。

圖3 提切劑加量對體系動切力的影響Fig.3 The influence of the addition of rheology modifier on the dynamic shearing force of the system

由圖3可知，加量在1%之前，切力上升梯度大，而后放緩，而加量在2%之后，切力提升基本趨于平緩，故因此也可選擇1%作為體系提切劑的最優(yōu)加量。

2.2.2 提切劑對比有機土評價 將合成的提切劑以1%的加量加入到基礎配方中，對比加量同為1%有機土的有土相常規(guī)油基鉆井液，對合成的提切劑做性能評價。

基礎配方：柴油∶25%CaCl2(質量分數)水溶液=80∶20(體積比)、2%主乳+2.5%輔乳+3%潤濕劑+1.5%CaO+4%降濾失劑+重晶石(密度2.20 g/cm3)。

設計三組配方：①基礎配方；②基礎配方+1%有機土；③基礎配方+1%提切劑。

150 ℃老化16 h得到實驗數據見表2。

表2 提切劑評價實驗老化后數據Table 2 The data after the aging of the rheology modifier evaluation experiment

由表2數據分析可知，提切劑可以提升鉆井液的低轉速值，有利于體系的懸浮性能，且相較于有機土擁有更好的效果；與有機土一樣可以提升基礎配方的初終切，但比有機土更能提升體系的初切，而具有略低的終切，能更快形成“弱凝膠”結構；提切劑的提切效果是有機土的1倍以上，擁有優(yōu)于有機土的提切能力，但所配制無土相體系表觀粘度低于有土相系，且使用提切劑不會提升體系的塑性粘度。能起到提切不提粘的效果；破乳電壓方面，可以提升基礎配方的電穩(wěn)定性。

2.2.3 提切劑懸浮穩(wěn)定性評價 體系使用提切劑代替有機土，形成無土相高密度油基鉆井液，但在常規(guī)有土相油基鉆井液體系中，主要是利用有機土來起到增粘提切、提高體系懸浮穩(wěn)定性的作用，因此在使用提切劑組成的無土相高密度油基鉆井液體系中，需要對體系的懸浮穩(wěn)定性進行評價。對體系的懸浮穩(wěn)定性評價，主要測試體系的靜沉降系數(SF)及動沉降系數(VSST)。靜沉降系數由鉆井液靜置一定時間后(本實驗中靜置2 h)，分別取等量上下層液體，計算上層密度(ρt)及下層密度(ρb)，而后按靜沉降系數計算公式計算所得。靜沉降系數計算公式為：SF=ρb/(ρb+ρt)，SF=0.5代表未沉降，而當SF>0.52代表體系靜沉降穩(wěn)定性較差。動沉降系數(VSST)使用六速旋轉粘度儀，在六速測量杯中加入沉降鞋，用100 r/min的速率剪切30 min，剪切前后分別使用帶粗徑金屬長針頭的注射器吸取沉降鞋收集孔中10 mL的鉆井液稱量質量，而后按動沉降系數計算公式計算所得。動沉降系數計算公式：VSST(g/cm3)=0.1×(W2-W1)，W1為剪切前10 mL收集孔處鉆井液質量，W2為剪切后10 mL收集孔處鉆井液質量，VSST<0.12 g/cm3則動沉降不明顯。

150 ℃老化16 h后按相應步驟測量結果見表3。

表3 靜沉降、動沉降測試結果Table 3 Test results of static and dynamic settlement

由表3可知，測得體系靜沉降系數(SF)<0.52，說明體系靜沉降穩(wěn)定性良好；測得體系動沉降系數(VSST)<0.12 g/cm3，說明體系動沉降穩(wěn)定性良好。由此可以說明，所合成提切劑可以代替有機土，使體系獲得良好的懸浮穩(wěn)定性。

3 結論

(1)使用聚醚胺D-2000、癸二酸及多元醇反應，合成了一種油基提切劑。利用反應在目的分子中引入極性基團酰胺基及酯基，極性基團與其他基團通過靜電引力和氫鍵形成網絡結構；以及利用到聚醚胺D-2000帶來的長鏈，也可以通過締合作用形成網絡結構，從而實現(xiàn)提切的作用。

(2)對提切劑加量進行優(yōu)選，結果表明，隨著提切劑加量的提升，體系的切力會不斷提高，但提切劑加量在1%之前，切力提升明顯，而后放緩；體系粘度也會隨提切劑加量提升得到升高，但提切劑加量在1%之前，體系的塑性粘度基本不變；破乳電壓隨著提切劑加量的提升，先提升后降低，在1%～1.5% 之間時最高。因此綜合而言，提切劑加量可選擇1%加量。

(3)將合成提切劑配制無土相高密度油基泥漿，與傳統(tǒng)有土相高密度油基泥漿進行對比，性能對比發(fā)現(xiàn)，使用合成提切劑相較使用有機土可以使體系獲得更高的動切力及初切，有利于體系攜巖；擁有更低的表觀粘度，且基本不提升體系塑性粘度，實現(xiàn)了提切不提粘的效果；也能提升體系的破乳電壓。

(4)對提切劑的懸浮穩(wěn)定性進行評價，靜沉降系數(SF)=0.504、動沉降系數(VSST)=0.081 g/cm3，因此合成提切劑擁有良好的懸浮穩(wěn)定性。