抗高温磺化沥青降滤失剂的室内研究

罗春芝，赵世贵（长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023）

由于天然沥青在水基钻井液中分散性差，不能直接用于水基钻井液中做降滤失剂及防塌抑制剂。将天然沥青进行磺化，引入亲水的磺酸基，提高沥青水化分散性。当磺化沥青的亲水端吸附在泥页岩界面上时，亲油端可覆盖在泥页岩表面，改善泥饼质量，降低钻井液滤失量，阻止页岩颗粒的水化分散起到防塌作用；同时，亲油部分又能填充孔喉和裂缝起到封堵作用［1］。由于磺化沥青的降滤失性、防塌抑制性及抗温抗盐性与沥青、磺化试剂、反应温度和催化剂等因素关系很大［2～6］，尤其是磺化度对产品抗温抗盐性能影响很大。为了提高产品的抗温抗盐性，笔者改变传统的普通搅拌反应工艺为捏合挤压反应釜来合成样品，使原料直接充分接触。引入催化剂，便于降低反应温度，提高反应速度，防止煤油挥发。引入溶剂油［7］煤油，防止沥青成团，以便于沥青与发烟硫酸充分反应。室内选择不同软化点的沥青、在不同原料比、温度及催化剂加量的条件下合成磺化沥青，按中石化钻井液用沥青类处理剂标准［8］进行评价，优选出最佳沥青原料及最佳反应条件，指导该类产品的生产及应用。

1 样品的合成

1.1 主要原料

软化点为135℃的沥青A、软化点为125℃的沥青B和软化点为110℃的沥青C，均为阿联酋进口工业级沥青；0号柴油，吉林石化生产的工业级；催化剂LFG－1为自制样品；发烟硫酸，上海振兴化工化学纯；NaOH，武汉中天化工化学纯。

1.2 合成方法

首先称取一定量的沥青、0号柴油和催化剂LFG－1于捏合机中加热捏合，待达到反应温度后加入发烟硫酸，恒温捏合反应4h后用NaOH调节至pH＝10，再反应1h后倒出产物，冷却粉碎后即得到样品。

1.3 沥青的优选

选择软化点为135℃的沥青A，软化点为125℃的沥青B，软化点为110℃的沥青C为原料沥青，50g发烟硫酸，5g催化剂LFG－1、12.5g溶剂油，在不同温度下合成9个样品。并按照钻井液用沥青类处理剂技术标准Q／SHCG 3－2011检测其各项性能，以高温高压滤失量（FLHTHP）为优选指标评价其降滤失作用。样品配方及性能见表1。由表1可以看出，由沥青C在不同条件下合成的磺化沥青的FLHTHP都小于25ml，而且分散性、水溶性、油溶性等都能达到标准要求，而且在温度为40℃、NaOH加量为95g时降滤失作用最好，故选用软化点为110℃的沥青C为最佳沥青。

表1 沥青对合成样品质量的影响

1.4 样品的合成及优选

选用沥青C为沥青原料，改变原料配比（沥青、发烟硫酸和0号柴油）、反应温度和催化剂的加量，按照正交试验法合成9个样品（见表2）。按标准Q／SHCG 3－2011检测其FLHTHP、观察滤饼质量（见表3），以此优选出最佳试验配方。

表2 样品合成正交试验表

表3 高温高压滤失量及滤饼的现象

对试验结果进行正交分析（见表4）可以看出，原料配比的极差最大，说明原料配比是影响反应的主要因素，其次是温度和催化剂加量。各因素滤失量最小的水平为40℃、原料配比为12∶8∶1、催化剂加量为7.5g。在9组试验中，没有该产品，因此需要追加样品合成。检测追加样品的FLHTHP为19.2ml，比15＃样品滤失量大。从表4中可以看出，15＃样品不仅滤失量最小，并且滤饼质量和在泥浆中的分散性也最好。所以仍选15＃为最佳样品。

2 加量对模拟聚合物钻井液体系性能影响

在模拟聚合物钻井液体系中，分别加入不同加量的15＃和FT－1，在150℃下滚动16h后，评价其对钻井液体系的性能影响（见表5、表6）。由表5可以看出，15＃加量为3%时FLHTHP为11.0ml，加量为4%时FLHTHP为10.8ml，FLHTHP下降不大，考虑钻井液成本，最佳加量选3%。FT－1加量为3%时FLHTHP为12.4ml，加量为4%时FLHTHP为11.4ml，超过4%时FLHTHP下降不大，故其最佳加量选4%。

表4 正交表分析

表5 15＃加量对模拟聚合物钻井液体系性能影响

表6 FT－1加量对模拟聚合物钻井液体系性能影响

3 抗盐性

在模拟聚合物钻井液中加入不同加量的盐（NaCl），评价盐对其流变性及滤失量的影响。同理，在模拟聚合物钻井液中分别加入3%15＃和3%FT－1，再加入不同加量的盐，评价盐对其流变性和滤失量的影响。试验结果见表7。

表7 NaCl对钻井液性能影响

由表7可以看出，随着盐加量的增加，模拟聚合物钻井液和加有样品的模拟聚合物钻井液的API滤失量FLAPI、FLHTHP均增加；表观黏度和动切力均下降。盐的加量小于15%时，FLHTHP的增加都比较缓慢，但加有15＃和FT－1的钻井液体系的黏度、切力及滤失量的变化明显小一些。盐的加量达到20%时，15＃和FT－1的FLHTHP都明显增加；表明15＃和FT－1的抗盐性能达到15%，能提高聚合物钻井液性能的稳定性。

4 抗温性

将加有3%15＃和FT－1的模拟聚合物钻井液体系分别在140、150、160、170和180℃下热滚16h，然后测定钻井液的流变性、API滤失量和相应温度下的FLHTHP。试验结果见表8。

表8 抗温性对比

从表8中可以看出，温度在140～150℃时，15＃和FT－1的流变性和滤失量变化很小；温度在160～170℃时，流变性参数略有下降，滤失量略增加；FT－1的高温高压滤失量明显增加，表明其抗温能力为150℃。温度超过180℃时，15＃的API滤失量和高温高压滤失量增加很明显，表明15＃抗温能力为170℃。

5 结论

1）合成样品的最佳条件为：软化点为110℃的沥青C、反应温度为40℃、沥青与发烟硫酸和溶剂油的比例为12∶8∶1、催化剂的加量为2%。

2）按标准Q／SHCG 3－2011检测15＃样品的各项性能均达到标准要求，而且高温高压滤失量只有17.2ml，远小于标准（≤25.0ml）要求，表现出很强的降滤失性。

3）对比评价15＃样品与现场使用的FT－1在模拟聚合钻井液中的最佳加量、抗盐性和抗温性，结果为：15＃最佳加量3%（11.0ml），FT－1为4%（11.4ml）；15＃抗盐为15%，FT－1抗盐也为15%；15＃抗温为170℃，FT－1为150℃。

4）15＃样品最佳加量比FT－1少1%，抗温性比FT－1高出20℃。由此可以看出15＃比现场常用的产品高温高压降滤失性和抗温好，具有很好的推广应用价值。

［1］鄢捷年.钻井液工艺学［M］.东营：中国石油大学出版社，2011.

［2］Rodriguez－Valverde M A，Cabrerizo－Vilchez M A.Stability of highly charged particles：bitumen－in－water dispersions［J］.Colloids and Surfaces，2003，222：233～251.

［3］曹建喜.磺化沥青的使用性能与原料沥青化学组成的关系［J］.石油沥青，1995（2）：26～27.

［4］蒋官澄，李涛江，都捷年，等.原料沥青对磺化沥青产品性能的影响［J］.油田化学，1995，12（4）：308～311.

［5］马广华.高软化点沥青分散体系的制备及稳定性研究［D］.东营：中国石油大学（华东），2013.

［6］胡金鹏，雷恒永，赵善波，等.关于钻井液用磺化沥青FT－1产品技术指标的探讨［J］.钻井液与完井液，2010，27（6）：85～88.

［7］王天贵，薛东峰，刘伟.粉状磺化沥青的质量改进［J］.河南化工，1996（3）：17～18.

［8］Q／SHCG 3－2011，钻井液用沥青类处理剂技术要求［S］.