油基增黏提切剂VSSI的制备和性能评价

2019-07-02

长江大学学报(自科版) 2019年6期

(中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，河北三河 065201) (天津中海油服化学有限公司，天津 300450)

增黏提切剂是油基钻井液的关键处理剂。已有许多学者对油基钻井液增黏剂进行了研究[1～4]，现报道的增黏提切剂普遍为高分子类提切剂[5～12]，以改性丙烯酸类提切剂、苯乙烯类提切剂为主，这些提切剂的普遍特点是在分子中引入了适量的极性基团，其极性基团通过静电引力、氢键和其他基团的相互作用，形成较稳定、比表面积较大的网络结构，并且增黏提切剂分子中的长烷基直链之间也可以通过缔合作用形成网络结构。下面，笔者采用二聚脂肪酸和二乙烯三胺制备油基钻井液增黏提切剂VSSI。

1 增黏提切剂VSSI的制备

1.1 试验试剂

二聚脂防酸(CAS 61788-89-4，工业级，北京欣赛维化学科技有限公司)；二乙烯三胺(CAS 111-40-0，分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；三乙二醇单丁醚(CAS 143-22-6，工业级，南京古田化工有限公司)。

1.2 VSSI的制备难点

由于在反应合成过程中随着增黏提切剂VSSI的生成反应体系变得越来越黏稠，在反应中后期体系生成水不易排出，使得反应变慢(或反应不彻底)；且由于黏度大，易受热不均匀使得局部交联过度出现固化生成固态酰胺树酯。向反应体系中加入三乙二醇单丁醚能够降低体系黏度，使反应时间缩短至不到50min。这是因为:①三乙二醇单丁醚作为稀释溶剂在反应过程中稳定性好(沸点271℃)，不参与反应，极性较强；②三乙二醇单丁醚降低产品黏度使反应容易脱水，缩短反应时间；③不再需要充氮气，降低生产成本。

制备的增黏提切剂VSSI分子量较高且分子网架结构较强，但VSSI在基础油中的溶解速度慢，不利于现场使用。为了解决在不改变VSSI本身结构强度的情况下改善其在基础油中的溶解速度，需要寻找合适的助溶剂或溶剂。因此，在制备过程后期引入溶剂将其稀释，可以极大地缩短VSSI在基础油中的溶解速度。

1.3 VSSI的制备工艺

①在带有搅拌器、加热装置、温度计、滴液漏斗和脱水装置的四口瓶中，加入一定量的二聚脂肪酸；②加入一定量的三乙二醇单丁醚，搅拌均匀并开始加热，将二乙烯三胺通过滴液漏斗缓缓滴入四口瓶中；③待滴完后升温至160℃，保持该温度至不再有水脱出后继续反应15 min；④反应结束后降温至100℃，加入溶剂稀释，搅拌均匀后降温即制得可用于油基钻井液的增黏提切剂VSSI。

2 增黏提切剂VSSI分子结构

VSSI红外光谱如图1(a)所示。3200～3500cm-1处为酰胺基团的N—H伸缩振动， 3069cm-1处为—C==C—H伸缩振动峰，2920.85cm-1和2853.85cm-1处为—CH2—伸缩振动峰，1739cm-1处为C==O的伸缩振动峰，1453.92、1730.12、721.33cm-1处为C—H面外弯曲振动峰。

图1 增黏提切剂 VSSI 合成结果

VSSI的三维分子如图1(b)所示。增黏提切剂的分子间长烷基链比较近，可以通过缔合作用形成网架结构；分子内的酰胺基团也较近，基团间的静电力和氢键作用键能会较大，结构不易被破坏。由于极性基团含量较高，VSSI增黏提切剂分子间的作用力也较强。

3 增黏提切剂VSSI性能评价

3.1 VSSI在基础油中的性能评价

试验步骤：①量取3#白油400mL倒入到高搅杯中，在10000r/min条件下边搅拌边加入增黏提切剂(精确至0.01g)，高速搅拌20min，使其充分分散；②将3#白油和基浆分别倒入老化罐，在120℃下热滚16h，冷却至60℃，高速搅拌5min，测量60℃时基浆的流变性能，试验结果见表1。

表1 增黏提切剂VSSI在基础油中的流变性能

注：PF-MOD为中海油服自有油基钻井液增黏提切剂;Nφ600、Nφ300、Nφ200、Nφ100分别为六速旋转黏度计600、300、200、100r/min对应的读值。

图2 基浆流变性随温度变化曲线

由表1可以看出，增黏提切剂PF-MOD、聚苯乙烯树脂和VSSI都能提高基础油的黏度和屈服值；但VSSI增黏提切效果好于商品化的油基钻井液流型调节剂PF-MOD和无极性官能团的聚苯乙烯树脂。

再分别测试30、40、50、60、70、80℃时基浆流变性，试验结果如图2所示。VSSI在30～80℃能显著地提高基础油的黏度和切力，效果要明显优于商品化的油基钻井液流型调节剂PF-MOD和无极性基团聚苯乙烯树脂。

3.2 VSSI在高温高密度无土相油基钻井液体系中的性能评价

为了提高在高密度油基钻井液中的悬浮性能，通常增加有机土的加量来提高钻井液体系的切力，但会带来钻井液中的固相含量、静切力过高等问题。将制备的增黏提切剂VSSI用于高温高密度无土相油基钻井液体系中，钻井液的基础配方为：3#白油+增黏提切剂VSSI+(0.5%～1%)PF-MOMUL(主乳化剂)+(0.5%～1.5%)PF-MOCOAT(辅乳化剂)+(0.6%～1.5%)PF-MOWET(润湿剂)+25%CaCl2水溶液+(1.5%～3%)CaO+(2%～4%)降滤失剂+重晶石(配方中的百分数为质量分数)。

无土相油基钻井液的性能见表2。可以看出,无土相油基钻井液中加入VSSI后体系的动切力明显增加，破乳电压提高，即体系的悬浮能力增加，说明VSSI在无土相油基钻井液中具有明显的增黏提切作用；随着VSSI质量分数的增加，钻井液的动切力增加明显大于塑性黏度的增加，且钻井液的动态沉降随着VSSI质量分数的增加而降低，说明其提切效果明显高于提黏效果，因此使用油溶性的液体增黏提切剂VSSI替代胶凝性强的有机土可以有效地提升钻机的机械钻速；在260℃的热滚条件下，该无土相油基钻井液体系具有独特的流变性特性，可以提供很强的悬浮能力。

表2 无土相油基钻井液性能

注：1#-4#钻井液配方为3#白油+增黏提切剂VSSI+1.2% PF-MOMUL(主乳)+0.5%PF-MOCOAT(辅乳)+3%PF-

MOWET(润湿剂)+25%CaCl2水溶液+1%CaO+5%OD-1(降滤失剂)(密度2.0g/cm3，油水体积比为 85∶15，试验条件为200℃×16h);5#钻井液配方为3#白油+增黏提切剂VSSI+1% PF-MOMUL(主乳)+1.5% PF-MOCOAT(辅乳)+1.5%PF-MOWET (润湿剂)+25%CaCl2水溶液+2%CaO+3% PF-MOTROL(降滤失剂)(密度2.2g/cm3，油水体积比为90∶10，试验条件为260℃×16h)。