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一种环保型封堵剂的制备及其性能评价

2024-01-16韩银府周书胜魏世旺

辽宁化工 2023年12期
关键词:基浆泥饼磺化

韩银府,周书胜,魏世旺

(荆州嘉华科技有限公司, 湖北 荆州 434000)

常规油气资源的开采无法有效满足国内能源消耗,促使了钻探工作向复杂地层油气资源投入。复杂地层钻探工程给钻井液技术带来严峻挑战[1-2]。要求钻井液具有优异的封堵、抑制性能以及低滤失量性能,提高井壁稳定性,确保钻井效率。由于水基钻井液具有低成本、环境友好型的特点,被广泛应用于钻井现场[3-4]。但水基钻井液在钻进过程中压差和毛管力的作用下,钻井液滤液进入井眼近井地带,改变井眼应力分布且使地层岩石强度降低,易发生钻头憋跳和起下钻遇阻频繁,严重影响钻井周期,不利于钻井安全[5-6]。可通过加入封堵剂来提高钻井液泥饼质量,减少滤液对地层的干扰,粘结地层岩石的微裂缝,达到稳定井壁的目的。沥青类封堵剂(氧化沥青,磺化沥青,乳化沥青等)应用于水基钻井液中均表现出理想的封堵性能,但该封堵剂荧光级别高,影响测井,且环保性能差,使其应用受限制。聚合醇类封堵剂对于裂缝类地层无法有效封堵。乳化石蜡类封堵剂低温稳定性较差[7-10]。基于以上分析,改性C5石油树脂常用于油基钻井液中,提高油基钻井液的稳定性和封堵性能[11-12]。本文通过水溶性多功能单体改性C5石油树脂制备一种不含有芳烃等有毒物质的环保型仿沥青封堵剂FD-HX,并评价其封堵性能和与钻井液的配伍性。

1 实验方法

1.1 主要材料与仪器

主要材料:C5石油树脂,工业级,淄博鲁华泓锦新材料股份有限公司;马来酸酐(MA)、二叔丁基过氧化物(DTBP)、单乙醇胺(MEA),Na2CO3,NaOH,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;钠基膨润土,工业级,新疆夏子街膨润土有限公司;改性淀粉降滤失剂(STARFLO)、流型调节剂VIS-H、聚合物高温稳定剂GW-H,工业级,荆州嘉华科技有限公司;KCl、NaCl,工业级,青岛裕丰达精细化工有限公司。

主要仪器:Nicolet710 傅里叶变换红外光谱仪,美国 Nicolet 公司;GW300 高温滚子加热炉、GJSS-B12K 变频高速搅拌机、ZNN-D6 六速旋转黏度计,青岛创梦仪器有限公司;GGS42-2A 高温高压滤失仪,青岛恒泰达机电设备有限公司;PPT171-193-1 型渗透性封堵仪,美国OFITE 公司。

1.2 封堵剂FD-HX 的制备与表征

在装有搅拌器、冷凝管和温度计的三口圆底烧瓶中依次加入50 g C5石油树脂和20 g MA(马来酸酐),置于恒温油浴锅中,溶液体系在搅拌条件下加热至130 ℃,搅拌10 min 使其混合均匀,再通入氮气30 min 后,加入0.2 g DTBP(二叔丁基过氧化物)作为引发剂,恒温搅拌下反应7 h,在C5石油树脂上接枝MA 分子,最后加入10 g MEA(单乙醇胺),搅拌条件下加热至160 ℃反应4 h,发生酰胺化反应,将粗产物真空干燥至恒重,破碎、筛分,得到封堵剂FD-HX。取一定量的封堵剂与溴化钾晶体混合均匀,压片制样,通过红外光谱仪对其结构进行表征。

1.3 封堵剂FD-HX 性能评价

1.3.1 钠基膨润土基浆的配制

基浆配制:将1.2 g Na2CO3溶解于400 mL淡水中,分别加入12 g、24 g 钠基膨润土,在高速搅拌器下搅拌30 min,使钠基膨润土充分分散、在密闭容器中养护24 h 后分别得到3%、6%钠基膨润土基浆。

1.3.2 高温高压静失水评价

将3% 封堵剂分别加入上述3% 钠基膨润土基浆,并以6% 钠基膨润土基浆作为对比样,分别置于温度为120 ℃滚子加热炉热滚16 h,参考GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业 钻井液现场测试第1 部分:水基钻井液》,采用高温高压滤失仪评价封堵剂的封堵效果。

1.3.3 PPT 封堵实验评价

将3%封堵剂分别加入上述3%钠基膨润土基浆,120 ℃下热滚16 h 后,置于渗透性封堵仪中,将实验温度、实验时间分别设置为110 ℃和30 min,釜体压差为3.5 MPa,以滤失量作为封堵性能评价标准。

1.3.4 环境友好型分析

参考GB/T 18420.2—2009《海油石油勘探开发污染物生物毒性 第二部分:检测方法》,评价封堵剂的生物毒性对卤虫幼体的影响,测试封堵剂对卤虫的半数致死浓度LC50,封堵剂最大使用浓度为5%;参考SY/T 6788—2020《水溶性油田化学剂环境保护技术评价方法》,评价封堵剂的生物降解性能。

1.4 封堵剂对水基钻井液性能的影响

水基钻井液配方:3%钠基膨润土基浆+0.25%NaOH+0.2%Na2CO3+3%STARFLO+0.5%VIS-H+3%GW-H+5%KCl+5%NaCl+封堵剂+重晶石(密度为1.3 g/cm3),温度为120 ℃下热滚16 h,参考GB/T 16783.1—2014《石油天然气工业 钻井液现场测试第1 部分:水基钻井液》规定的测试程序,进行钻井液流变性和滤失量的测定。

2 结果与讨论

2.1 封堵剂FD-HX 结构表征

封堵剂FD-HX 结构表征见图1。从图1 可知,3 310 cm-1处出现宽又强的-OH 伸缩振动峰;2 950 cm-1处出现胺基的N-H 伸缩吸收峰;1 638 cm-1处出现酰胺基团较强的吸收峰;720 cm-1处出现-CH2-所组成的长链摇摆振动吸收峰,800 cm-1处出现的吸收峰归属于六元环主链结构的存在,上述分析表明原料间发生了接枝反应和酰胺化反应,合成产物即为目标产物。

图1 封堵剂FD-HX 红外光谱图

2.2 高温高压滤失量评价

将6%钠基膨润土基浆和含有封堵剂的3%钠基膨润土基浆热滚后,采用高温高压静失水方法评价,实验温度为热滚温度(120 ℃),实验结果见表1。从表1 可知,随着封堵剂的加入,均使钠基膨润土基浆的高温高压滤失量(FL(HTHP))明显下降,化学封堵剂颗粒能吸附在黏土颗粒表面,降低泥饼的孔隙,提高其致密性,使泥饼的渗透率明显降低;惰性封堵剂能有效填充在泥饼孔隙,从而降低泥饼的渗透率,均表现处较好的封堵效果。磺化沥青、封堵剂FD-HX 的封堵效果更为明显,使高温高压滤失量降低超过65%,其中本文制备的仿沥青封堵剂的封堵效果最佳,使高温高压滤失量降低超过70%。

表1 封堵剂对基浆滤失量的影响

2.3 PPT 封堵实验评价

采用渗透性封堵仪进一步评价磺化沥青、封堵剂FD-HX 的封堵性能,并以6%钠基膨润土基浆作为对比样,采用渗透率为400 mD 的砂盘模拟地层,实验结果见表2。从表2 可知,测试液每隔5 min测试滤失量,6%基浆在不同时段的滤失量均较大,滤失总量为24 mL;加入3%封堵剂后,其不同时段的滤失量均出现明显下降,其中封堵剂FD-HX 使测试液滤失量下降更为明显,含3%封堵剂FD-HX 的测试液的滤失总量仅为4.7 mL,测试液的封堵性能与高温高压滤失量评价效果一致。

表2 封堵性能评价

2.4 封堵剂环保性能评价

对封堵剂FD-HX 的环境友好型分析,以磺化沥青作为对比样,实验结果见表3。从表3 可知,封堵剂FD-HX 的LC50为1.1×105mg/L,远大于3.0×104mg/L 标准值,而磺化沥青的LC50仅为1.8×104mg/L,小于3.0×104mg/L 标准值;封堵剂FD-HX 的BOD5与CODcr 的比值为15.8%,大于10%的标准要求,而磺化沥青的BOD5与CODcr 的比值仅为5.1%,表明封堵剂FD-HX 具有良好的环境好友性,而磺化沥青达不到环境保护要求。由于沥青分子本身环保性能较差,且分子含有大量的磺酸基团,抑制酶渗透进入分子的活性部位,降低大分子发生水解反应,对生物降解性有抑制作用[13]。

表3 封堵剂环保性能评价

2.5 封堵剂对水基钻井液性能的影响

在上述水基钻井液配方中分别加入一定量的封堵剂FD-HX,热滚后测试其流变性和滤失量,实验结果见表4。从表4 可知,随着封堵剂FD-HX 的增加,钻井液的滤失量逐渐降低,表明封堵剂FD-HX 有效地填充泥饼,降低泥饼的渗透率;当封堵剂FD-HX加量为5%时,其钻井液滤失量仅为4.2 mL,且封堵剂FD-HX 加入对钻井液的流变性能影响较小。

表4 封堵剂对水基钻井液性能的影响

3 结 论

以C5石油树脂、马来酸酐和单乙醇胺为原料制备的仿沥青封堵剂FD-HX 使钠基膨润土基浆的高温高压滤失量显著降低,该封堵剂分子具有沥青的封堵性能,且含有大量的水化活性基团,能吸附在黏土颗粒表面,降低泥饼的孔隙,提高其致密性,使泥饼的渗透率明显降低,使高温高压滤失量降低超过70%;封堵剂FD-HX 加入水基钻井液中,能显著降低钻井液的高温高压滤失量,且封堵剂FD-HX 加入对钻井液的流变性能影响较小。从生物毒性以及生物降解性实验分析,封堵剂FD-HX 具有良好的环境好友性,且不含有磺酸基团,有利于酶渗透进入分子的活性部位,促进大分子发生水解反应。

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