胺类抑制剂ZC-NW的合成及评价

2020-09-09刘磊赵广渊郭宏峰黄侠李翔万永乾何德磊徐明飞

应用化工 2020年8期

刘磊,赵广渊，郭宏峰,黄侠,李翔,万永乾,何德磊,徐明飞

(中海油田服务股份有限公司油田生产事业部，天津 300459)

胺类水基钻井液是近几年国外发展起来的一种高性能强抑制水基钻井液体系[1-2]，其性能已接近或达到油基钻井液性能，应用方便且环保。胺类水基钻井液技术核心部分是胺类抑制剂的应用。国内外对胺类抑制剂[3]进行了多项研究，并取得了许多阶段性成果[4-6]。国外麦克巴ULTRADRILL体系和贝克休斯HPWBM体系具备油基钻井液优异的润滑性和抑制性，取得了很好的应用效果。国内报道较多、应用效果较好的主要有以下几种：聚胺抑制剂NH-1、UHIB、SDPA、SIAT、BZ-AN1等，但对胺类处理剂的合成工艺技术等的研究还不是很多，本文室内合成了ZC-NW胺类抑制剂并对其进行了表征和性能评价。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

环氧氯丙烷、甲醇、三甲胺(33%水溶液)、氯化钾、膨润土(钠基)均为分析纯；防膨剂JX-1，工业品。

NP-01型常温常压膨胀量测定仪；KA-1000台式离心机；ZNN-D6 型六速旋转粘度计；XGRL-4A型滚子加热炉；NICOLET 6700 FTIR红外光谱仪。

1.2 实验方法

在30 ℃的水浴温度下，将三甲胺和环氧氯丙烷倒入装有温度计、搅拌器和冷凝管的三口烧瓶中，调整体系的pH值为2，再加入5%的甲醇作增溶剂，按照设计要求控制反应温度和反应时间，反应后得到胺类抑制剂。反应结束后将反应装置改为蒸馏装置，提纯得到反应产物。

2 结果与讨论

2.1 抑制剂合成条件的筛选

2.1.1 原料配比对膨胀率的影响在反应温度为60 ℃，反应时间为7 h时，控制环氧氯丙烷与三甲胺的摩尔比分别为0.5,0.75,1,1.25,1.5进行实验。测定环氧氯丙烷与三甲胺摩尔比对膨胀率的影响，结果见图1。

图1 摩尔比对膨胀率的影响

由图1可知，当摩尔比<1时，膨胀率随环氧氯丙烷与三甲胺摩尔比的增大而减少，摩尔比>1时，膨胀率随着环氧氯丙烷与三甲胺摩尔比的增大而增大。当环氧氯丙烷与三甲胺摩尔比为1时，产物膨胀率为28.50%,此时产物对膨润土的膨胀率最小。即在摩尔比为1时抑制性最好。

2.1.2 反应温度对膨胀率的影响在原料摩尔比为1，反应时间为7 h时，控制反应温度分别为50,60,70,80,90 ℃进行合成实验，测定不同反应温度对膨胀率的影响，结果见图2。

图2 反应温度对膨胀率的影响

由图2可知，在反应温度<80 ℃时，实验膨胀率随温度的增大而呈减少趋势；当反应温度>80 ℃时，实验膨胀率随温度的增大而增大。即在反应温度为80 ℃时，产物的膨胀率为25.60%，此时产物对膨润土的膨胀率最小，即在温度为80 ℃时抑制性最好。

2.1.3 反应时间对膨胀率的影响在环氧氯丙烷和三甲胺的摩尔比为1，反应温度为80 ℃时，控制反应时间分别为7,7.5,8,8.5,9 h进行合成实验。测定不同反应时间对膨胀率的影响，结果见图3。

图3 反应时间对膨胀率的影响

由图3可知，随着反应时间从7 h逐渐增加至9 h，产物的膨胀率从28.14%降低至23.82%，当反应时间达到8 h后，产物膨胀率基本不变，此时产物膨胀率为23.92%。从反应时间和能量的角度来看，体系的最佳反应时间为8 h。

综上，从单因素实验得到反应的最佳条件为：反应物摩尔比1∶1，反应时间为8 h，反应温度为80 ℃。

2.2 抑制剂的红外光谱分析

将胺类抑制剂产物进行了红外光谱分析，结果见图4。

图4 三甲胺-环氧氯丙烷产物红外光谱图

由图4可知，在红外光谱1 636.26 cm-1处为N—H的振动吸收峰；红外光谱1 482.67 cm-1处为—CH2—的弯曲振动吸收峰；红外光谱1 096.01 cm-1处是CH—OH的C—O的伸缩振动峰；红外光谱981.82 cm-1处是季铵盐的特征吸收峰。由于胺类抑制剂产物中有水存在，在红外光谱的3 300 cm-1(3 381.23 cm-1)附近处出现了水的吸收峰。

2.3 抑制剂的抑制性能评价

2.3.1 体积膨胀实验图5为ZC-NW胺类抑制剂、JX-1抑制剂和KCl在不同浓度梯度下的膨胀率。

图5 不同溶液在不同浓度下对膨润土膨胀率的影响

由图5可知，ZC-NW胺类抑制剂对膨润土膨胀率的影响比相同浓度的KCl和JX-1抑制剂小，其中1%ZC-NW胺类抑制剂的膨胀率为16.38%。

2.3.2 岩屑滚动回收实验分别将60～80目岩屑颗粒加入清水、1%ZC-NW胺类抑制剂、1%JX-1抑制剂、1%KCl溶液中，搅拌均匀，密封在老化罐中120 ℃下滚动16 h，测试岩屑回收率并用激光粒度分析仪测定岩屑在溶液中的分布规律。在ZC-NW胺类抑制剂加量为1%时，岩屑滚动回收率分别为76.32%,69.78%,53.25%。由表1可知，ZC-NW胺类抑制剂对岩屑具有较强的抑制作用，从颗粒粒径为1～10 μm范围体积分数和分散的粒径中值来看，3种抑制剂抑制能力的强弱顺序为：ZC-NW胺类抑制剂>JX-1抑制剂>KCl。