钻井液防黏附剂的合成研究

钻井液防黏附剂的合成研究

影响钻井速度的钻孔溶液因素包括钻头溶液的润滑性、密度、流变性、固相含量和防止钻头泥包性能。1实验部分1.1实验试剂和仪器腐植酸(98%),化学纯,脂肪胺(一级),浓硫酸(≥98%),二氯亚砜(≥99%),成都格雷西亚化学技术公司;N,N-二甲基甲酰胺,二氯甲烷,氢氧化钠,碳酸氢钠,分析纯,成都苌钲化玻有限公司;三乙胺,分析纯,上海陵尔化工有限公司;膨润土,新疆中非夏子街膨润土有限责任公司。DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,重庆高教玻璃仪器厂;GJO-B12K变频高速搅拌机,重庆鑫德勤石油专用仪器厂;BZY-1全自动表面张力仪,上海衡平仪表仪器厂;VCAOptima/VCA3000S接触角测定仪,美国AST公司;SZ-4AEP极压润滑仪,CPZ-2双通道常温常压膨胀仪,青岛同春石油仪器有限公司。1.2腐植酰氯的制备钻井液防黏附剂的合成分磺化、酰氯化和酰胺化三步进行。(1)磺化:向装有强力搅拌装置的干燥烧瓶中加入一定量的腐植酸(90℃下烘焙24h),按投料比加入一定量的浓硫酸,开动搅拌装置,油浴加热升温至预定温度(140数180℃),恒温反应一段时间后,用砂芯漏斗滤掉残余酸,用蒸馏水反复洗涤至中性,烘干即得磺化腐植酸。(2)酰氯化:三口烧瓶置于集热式恒温加热磁力搅拌器水浴中,向烧瓶中加入一定量磺化腐植酸,室温下加入过量的二氯亚砜,迅速接上球形冷凝管、尾气吸收装置(加缓冲瓶),尾气吸收用氢氧化钠溶液。搅拌升温至预定温度,反应一定时间后减压蒸馏除去过量的二氯亚砜。加入少量二氯甲烷,摇匀后减压去除,将所得产物用二氯甲烷溶解后倒入干燥的恒压滴液漏斗中密闭备用。(3)酰胺化:把上述盛有腐植酰氯溶液的滴液漏斗装在干燥的三口烧瓶上,按投料比向烧瓶中加入一定量的脂肪胺和二氯甲烷溶解、高速搅拌、于冷水浴中(0数10℃)缓慢滴入配制好的腐植酰氯溶液(30min内滴完)。反应1h后缓慢加入适当过量的缚酸剂(三乙胺),待反应3h后减压蒸馏除去二氯甲烷,用饱和氢氧化钠溶液、稀盐酸、热乙醇、蒸馏水等洗涤至中性,得到外观为褐色闪亮的黏状物。1.3u3000naoh用量试验(1)将0.20g原料加入25mL0.05mol/L的Ba(OH)(2)游离酸含量测定:另在0.10g原料中加入25mL蒸馏水,装上球型冷凝器,在沸水浴中回流2h,取下冷却后用砂芯漏斗将试液抽滤至抽滤瓶中,用蒸馏水洗涤至与滤液Ⅰ体积相等,得滤液Ⅱ,用0.lmol/LNaOH标准溶液滴定至终点(用酚酞做指示剂),记录NaOH用量L(3)按(1)的步骤,不加原料做空白对照,记录NaOH用量L酸性基团总量=c(L其中,c—NaOH标准溶液的浓度,mol/L;L1.4润湿度评价用润湿接触角测定仪测定防黏附剂在强亲水性玻璃板上的润湿角。2结果与讨论2.1综合条件的选择2.1.1反应时间对磺化腐植酸酸性基团总量的影响(1)反应温度在反应时间6h、30g腐植酸、60mL浓硫酸的条件下,反应温度对磺化腐植酸酸性基团总量的影响见表1。由表1可见,磺化反应的最佳温度为160℃。温度太低,反应活化能上不去,反应条件达不到要求;温度太高,腐植酸分子氧化反应速率加快,导致原料分子的深度氧化分解和热分解,降低主反应效率。(2)反应时间在反应温度160℃、30g腐植酸、60mL浓硫酸的条件下,反应时间对磺化腐植酸酸性基团总量影响见表1。由表1可见,磺化反应的最佳时间为8h。反应时间进一步增加时,原料受浓硫酸碳化影响,酸性基团总量反而减少。(3)酸用量在反应温度160℃、30g腐植酸、反应时间8h的条件下,浓硫酸加量对磺化腐植酸酸性基团总量的影响见表1。由表1可见,当浓硫酸体积超过50mL后,酸性基团总量逐渐减少,故最佳酸用量为50mL,即腐植酸与浓硫酸的质量体积比为3∶5。通过以上实验,确定腐植酸磺化反应的最佳条件为:温度160℃、反应时间8h、腐植酸与浓硫酸的质量体积比为3∶5。2.1.2反应温度和反应时间对产物润湿接触角的影响在酰氯化反应中,二氯亚砜既是溶剂又是反应原料,反应量无法控制,故仅考察反应时间和温度的影响;同时,在反应中加入一定量的脂肪胺,使得酰氯化反应生成目标产物,以目标产物的接触角为标准来优选酰氯化反应的最佳条件。(1)反应温度在二氯亚砜过量(二氯亚砜与磺化腐植酸体积质量比为14∶5,下同)、反应时间5h、磺化腐植酸与脂肪胺质量比5∶1的条件下,反应温度对酰氯化反应的影响见表2。由表2可见,随着反应温度升高,产物润湿接触角增大。这是由于温度升高,原料分子酰氯化越完全,酰胺化反应接上的长烃链越多,润湿性越强;当温度超过70℃后,产物润湿接触角降低。故酰氯化反应的最佳温度为70℃。(2)反应时间在反应温度70℃、磺化腐植酸与脂肪胺质量比5∶1的条件下,反应时间对酰氯化反应的影响见表2。由表2可见,反应时间为6h时,产物润湿接触角最大。故酰氯化反应的最佳时间为6h。酰氯化反应的最佳条件为:二氯亚砜过量,温度70℃,反应时间6h。2.1.3反应时间对酰胺化反应的影响酰胺化反应是缩合放热反应,温度越低对反应越有利。为了使反应平稳进行和减少副反应,选择冰水浴(0数10℃)控制酰胺化反应温度,考察脂肪胺用量和反应时间对实验结果的影响。(1)胺用量在反应时间6h、25g腐植酰氯、二氯亚砜过量的条件下,脂肪胺加量对酰胺化反应的影响见表3。由表3可见,当胺加量为4g时,产物接触角达到最大,超过4g后接触角不再变化,说明此时由于反应时间和温度的限制,脂肪胺已经过量。故酰胺化反应腐植酰氯与脂肪胺的最佳质量比为25∶4。(2)反应时间在腐植酰氯与脂肪胺质量比25:4、二氯亚砜过量的条件下,反应时间对酰胺化反应的影响见表3。由表3可见,当酰胺化反应时间超过4h后,产物润湿接触角基本稳定,故酰胺化反应的最佳时间为4h。酰胺化反应的最佳条件为:温度0数10℃,反应时间4h,腐植酰氯与脂肪胺的质量比为25∶4。综合实验结果可以得出合成钻井液防黏附剂最佳条件为:腐植酸与浓硫酸在质量体积比3∶5、温度160℃的条件下反应8h,生成磺化腐植酸;然后与过量二氯亚砜在70℃下反应6h,生成腐植酰氯;最后按腐植酰氯与脂肪胺质量比25∶4加入脂肪胺,在0数10℃下反应4h,得到目标产物钻井液防黏附剂。2.2防粘剂的性能评价2.2.1防黏附剂水溶液浓度对润湿接触角的影响要减少或消除钻屑中黏土矿物在钻具、井壁及钻屑之间的吸附,必须改变钻屑中黏土矿物、钻具、井壁的表面润湿性能,使表面由强亲水转变为弱亲水,因此防黏附剂的润湿性能是评价该处理剂性能好坏的关键。不同浓度的防黏附剂水溶液润湿接触角的变化如图1所示。由图1可见,随着防黏附剂水溶液浓度增加,润湿接触角明显增大;当加量大于1.5%后,接触角降低。防黏附剂质量分数由0增至1.5%时,水溶液润湿接触角由33°增至68.3°。说明防黏附剂溶液在质量分数小于1.5%时是单分子层吸附,当质量分数大于1.5%后就逐渐变为双分子层吸附。2.2.2黏附剂表面张力钻井液防黏附剂不但要有强的润湿性,还要具有降低钻井液体系表面张力的能力。用表面张力仪测定不同浓度的防黏附剂水溶液表面张力,每个样品测3次,取平均值,结果如图2所示。由图2可见,表面张力随防黏附剂加量增大而显著降低。防黏附剂质量分数由0增至1.5%时,表面张力由74.4mN/m降为42.0mN/m。当质量分数超过1.5%时,溶液的表面张力变化较小,说明此时防黏附剂已达临界胶束浓度。2.2.3润滑系数测定用极压润滑仪考察加入不同量防黏附剂的钠膨润土浆(4%)的润滑系数,每个样品测3次,取平均值,结果见表4。由表可见,钠膨润土浆的润滑系数随防黏附剂加量的增大而减小,说明防黏附剂润滑性较好。2.2.4膨胀率的测定用双通道常温常压膨胀仪测试用膨润土制成的岩心(将10g膨润土置于膨胀仪的测筒内,插入活塞杆,在压力机上均匀加压至5MPa后稳压5min形成岩心)在1.5%防黏附剂水溶液的膨胀率为1.6%(测试时间2h)和3.5%(16h),而在相同条件下测得在蒸馏水中的膨胀率为8.34%(2h)和17.03%(16h)。防黏附剂的抑制性明显优于蒸馏水,其抑制膨润土膨胀的能力较好。这是由于防黏附剂的吸附基吸附在岩样表面,在岩样表面形成单分子膜,阻止了水的浸入,从而抑制了膨润土的膨胀。3钻头、岩屑的重排盐试验通过磺化、酰氯化和酰胺化反应,合成了钻井液防