TACK-2型油基钻井液增粘剂的合成及其流变性能研究

匡绪兵

TACK-2型油基钻井液增粘剂的合成及其流变性能研究

匡绪兵

(中石油长城钻探公司工程技术研究院，辽宁 盘锦 124010)

[摘要]以脂肪酸和多元醇为主要原料，利用缩合法制备了一种全油基钻井液增粘剂。测试了增粘剂样品在不同体系(5#白油、5#白油+有机土体系以及全油基钻井液体系)中的流变性能，并探讨了增粘剂用量、钻井液密度对全配方油基钻井液流变性能的影响。研究结果表明，该增粘剂制备过程相对简单，成本较低，对5#白油+有机土体系以及全油基钻井液均有较好的增粘提切能力,在白油基全配方油基钻井液中加入1.5% TACK-2型增粘剂，150℃热滚16h后Φ3读值可以从2Pa提高到6Pa。

[关键词]增粘剂；油基钻井液；流变性能

油基钻井液由于具有润滑性能优良、抑制性强、井壁稳定性和抗温性能好等优点而得到广泛应用。油基钻井液体系的处理剂特别是增粘提切剂是油基钻井液的核心组成[1]。油基钻井液增粘剂以有机土为主，针对油基钻井液的有机土研究有不少报道[2~4]。常规油基钻井液用有机土在较低温度时凝胶性和增黏提切效果较好，但是当温度较高时则普遍较差，而且单纯的有机土作为增粘剂尚不能完全满足油基钻井液在不同条件下的使用要求。

除了有机土，已有一些针对油基钻井液增粘剂的报道，文献[5]报道了一种脂肪酸的低聚甘油酯油基钻井液增粘剂，其添加量为0.1%~10%。120℃热滚后其动切力最大24lbf/100ft2(1lbf/100ft2=0.4788Pa)，胶体强度(初/终切力)为(10/10)lbf/100ft2。文献[6]报道了马来酸酐接枝三元乙丙橡胶(EPDM)用于油基钻井液，当油基钻井液含油为60%~100%，含水为0%~40%时，400℉(204℃)热滚60h后，动切力最大30lbf/100ft2，胶体强度(初/终切力)为(2/6)lbf/100ft2。 文献[7]报道了用二聚脂肪酸和三聚脂肪酸与二乙醇胺的缩合物作为油基钻井液增粘剂，老化16h后的动切力为5，胶体强度(初/终切力)为(3/7)lbf/100ft2，老化32h后动切切力会略有增加。文献[8]和文献[9]报道了中和磺化的三元乙丙橡胶作为油基钻井液的增粘剂。一般采用合适的酸酐与浓硫酸的混合物作为磺化剂，100g磺化聚合物中含5～15mg磺化基团，高磺化度通常会导致溶解困难。文献[10]报道了用99%的疏水型单体如丙烯酸辛酯与1.0%的亲水型单体如冰丙烯酸进行乳液共聚，得到的共聚物乳液可用于油基钻井液的增粘剂，但是经过破乳后的固体样品使用效果较差。米远祝等[11，12]制备了一系列油基钻井液增粘剂，在白油基钻井液中具有较好的增粘提切性能，该系列油基钻井液增粘剂最高抗温能力可达180℃。

下面，笔者以脂肪酸和多元醇为主要原料，利用缩合法制备了一种全油基钻井液增粘剂，并探讨了该增粘剂在3种不同体系(5#白油、5#白油+有机土体系以及全油基钻井液体系)中的流变性能。

1试验部分

1.1试验仪器及试剂

1)仪器四口烧瓶、机械搅拌器、滴液漏斗、电加热套、XGRL-4A型高温滚子加热炉、400ml不锈钢老化罐、ZNN型六速转子黏度计、ZNS-5A型API滤失量测试仪、GJSS-B12K型高速搅拌机等。

2)试剂脂肪酸、多元醇、浓硫酸、氢氧化钾固体、5#白油、有机土、降失水剂N1、降失水剂N2、CaO、超细重质CaCO3、重晶石、润湿剂等。

1.2TACK-2型增粘剂的制备

向四口烧瓶中加入47.08g脂肪酸和23.23g多元醇，通氮气，开动搅拌器，开始加热并打开冷凝水。向反应体系中滴加3滴浓硫酸，缓慢升温到220～230℃，并控制在此温度反应3h。然后冷却到90℃继续水浴，同时向其中加入0.3g氢氧化钾固体，再水浴反应0.5h。反应完毕，待冷却到室温后取出产品备用。

1.3增粘剂的流变性能研究

分别于5#白油、5#白油+3%有机土体系、白油基全配方体系中加入1.5% TACK-2增粘剂样品，在11000r/min高速搅拌20min，使其分散，25℃下于ZNN型六转速转子黏度计上测定其表观黏度、塑性黏度和动切力。然后再将钻井液装入400ml高温不锈钢罐中，充入1.0MPa的氮气，放入数显式滚子加热炉中，150℃热滚16h后取出后冷却至25℃，高速搅拌20 min，测定其表观黏度、塑性黏度和动切力。滤失量为0.7MPa下7.5min后测试，标示值为所测值的2倍。

全配方油基钻井液的配方如下：5#白油、3%有机土、2%降失水剂N1、2%降失水剂N2、0.5%CaO、3%超细重质CaCO3、重晶石、0.2%润湿剂、增粘剂。

2TACK-2型增粘剂的增粘性能评价

表1所示为5#白油、5#白油+有机土体系以及全配方钻井液体系中加入1.5% TACK-2增粘剂在热滚老化前后的流变性能数据。钻井液密度1.5kg/dm，热滚老化条件为150℃和16h。

由表1可知，在不同体系中加入1.5% TACK-2增粘剂后，其Φ3(六速旋转黏度计3r/min读数)读值、表观黏度、塑性黏度以及动切力值均发生明显的改变。在5#白油体系中，未加入增粘剂时，热滚前后的Φ3读值和胶体强度均为0，但是加入增粘剂以后，热滚前后的Φ3读值均为0.5, 初/终切力分别为0.5/0.5、0.5/1Pa，说明增粘剂对单纯的5#白油体系具有一定的增粘性能，但是增粘效果并不显著。在5#白油+有机土体系中，在未加入增粘剂时，热滚前的Φ3读值和胶体强度均为0，热滚后的Φ3读值和胶体强度均略有增加，但是增加的幅度非常小，在加入增粘剂以后，热滚前后的Φ3读值分别为2和3, 初/终切力分别为1.5/2.5、2/3Pa，说明增粘剂对5#基础白油+有机土体系具有较为明显的增粘性能。而且，对比5#白油体系中的数据可知，增粘剂与有机土配合使用具有更佳的增粘性能。在全配方钻井液体系中，加入增粘剂后，热滚前Φ3读值从2增加到了6，初/终切力从2/2Pa增加到了5/8Pa；热滚后Φ3读值从2增加到了5，初/终切力从3/5Pa增加到了5/7Pa。由以上数据可知，增粘剂在全配方白油基钻井液中，具有明显的增粘性能，而且与其他的钻井液处理剂具有良好的配伍性能。

此外，从表1中动切力数据可以看出，在3种体系中，未加入增粘剂时，动切力为0或者非常小，当加入增粘剂以后，热滚老化前后动切力均有明显的提高。在全配方钻井液体系中，未加入增粘剂时，热滚老化前后的动切力值分别为2.5、2Pa；但是加入增粘剂以后，热滚老化前后的动切力值分别为12.5、13.5Pa，动切力值增加明显，说明增粘剂对全配方钻井液具有十分明显的提切能力。在全配方钻井液中，增粘剂能够明显地降低钻井液的表观黏度和塑性黏度，塑性黏度的降低有利于钻进过程中降低摩阻。从表中的API滤失量数据还可以看出，在全配方钻井液体系中加入增粘剂后，API滤失量的降低十分明显，加入前的滤失量均为4ml, 加入后的滤失量均减小为1ml,说明增粘剂能有效降低全油基钻井液体系的滤失量。

3TACK-2型增粘剂用量对钻井液流变性能的影响

表2所示为TACK-2型增粘剂不同用量对全配方钻井液流变性能影响的数据，钻井液密度1.5kg/dm，热滚老化条件为150℃和16h。从表2可以看出，TACK-2型增粘剂的用量对钻井液的流变性能有着较大的影响，未加入增粘剂之前，热滚前后Φ3读值变化不大。随着增粘剂用量的增大，热滚老化前后的Φ3读值均有不断增大的趋势，当增粘剂加量分别为1.5%、2.0%和3.0%时，150℃热滚前的Φ3读值分别为6、8和9，初/终切力分别为5/8、8/10和10/12Pa；150℃热滚后的Φ3读值分别为5、6和8，初/终切力分别为5/7、6/7、8/10Pa。从表2中数据还可以看出，在相同增粘剂加量时，热滚后的Φ3读值和初/终切力会略有降低，但是降低的幅度不大。从表2中塑性黏度和动切力数据可以看出，随着增粘剂用量的增加，热滚前塑性黏度值有减小的趋势，但是热滚后塑性黏度值变化并不大，热滚前后动切力均呈增大的趋势。从表2中API数据可以看出，尽管增粘剂有助于滤失量的降低，但是随着增粘剂加量的增大，滤失量始终保持在1ml不变化，说明增粘剂的加量对滤失量的影响不是太大。

表1　TACK-2增粘剂在不同体系中的增黏性能测试数据

注：Φ600、Φ300、Φ6分别为六速旋转黏度计600、300、6r/min读数。下表同。

表2　不同增粘剂加量对全配方钻井液流变性能的影响

4钻井液密度对增粘剂增黏性能的影响

表3所示为加入1.5% TACK-2型增粘剂的全配方钻井液中钻井液密度对其流变性能影响的数据，热滚老化条件为150℃和16h。

由表3可以看出，当钻井液的密度分别为1.0、1.2、1.5和2.0kg/dm时， 150℃热滚前的Φ3读值分别为5、6、6和9，初/终切力分别为4/6、5/7、5/8和8/9Pa；150℃热滚后的Φ3读值分别为3、4、6和7，初/终切力分别为3/6、5/6、5/7和6/9Pa。说明随着钻井液密度的增加，增粘剂对全油基钻井液的增黏性能有增强的趋势，但是钻井液在相同的密度时150℃热滚老化16h以后，Φ3读值略有降低，而初/终切力值变化不大。从表中数据还可以看出，钻井液密度对塑性黏度影响并不是太大，但是随着钻井液密度的增大，热滚前后的动切力增大的趋势较为明显，热滚前分别为6、12、12.5和18.5Pa，热滚后分别为8、13、13.5和20Pa，表明相同钻井液密度的条件下，热滚前后动切力变化不大。

表3　钻井液密度对增粘剂增黏性能的影响

5结论

1)以脂肪酸和多元醇为主要原料，利用缩合法制备了一种全油基钻井液增粘剂。

2)测试了增粘剂样品在3种不同体系即5#白油、5#白油+有机土体系以及全油基钻井液体系中的流变性能，并探讨了增粘剂用量、钻井液密度对全配方钻井液流变性能的影响。研究结果表明，该增粘剂样品对5#基础白油、5#白油+有机土体系以及全油基钻井液均有较好的增粘能力。在全配方油基钻井液中加入1.5% TACK-2型增粘剂后，150℃热滚16h后Φ3读值可以从2提高到6Pa。

3)该增粘剂具有制备过程相对简单，成本相对较低等优点，可望应用于油基钻井液中。

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[编辑]洪云飞

[引著格式]匡绪兵.TACK-2型油基钻井液增粘剂的合成及其流变性能研究[J].长江大学学报(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

[作者简介]曾嘉(1984-)，男，助理工程师，现主要从事化学驱物理模拟方面的研究工作；E-mail：dqzengjia@petrochina.com.cn。

[基金项目]国家科技重大专项(2011ZX05010-005)。

[收稿日期]2014-12-03

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)13-0020-04

[中图分类号]TE254