一种新型抗高温有机土的研制及性能评价

引言

有机土是油基钻井液中的最基本亲油胶体,在油基钻井液中既可提高泥浆的粘度和切力,又能降低油基钻井液的滤失量,因此有机土是油基钻井液中不可缺少的添加剂｡目前有机土的制备方法普遍使用阳离子表面活性剂和高度分散的亲水粘土发生离子交换吸附而制成,根据文献记载,在井温超过177℃时,这种结合在高温下会发生分解,失去应有的功效[1]｡

我国南海西部的莺—琼盆地是一个很有开发潜力的油气田,这个地区的地质条件恶劣,地温梯度高,异常压力大,预测井底最高温度高达220℃,钻井液密度要求达到2.30g/cm³,是世界上地质条件高温超压同时并存的地区之一,因此准备用抗高温高密度的油基钻井液体系来解决这个地区的安全钻进问题｡抗高温的钻井液体系必须有抗高温的处理剂,传统方法制备的有机土显然无法在220℃的高温下保持稳定不分解,因此研制一种抗高温的有机土急为迫切[2]｡

1 现有有机土的制备方法[3]

有机土是高度分散的亲水粘土与阳离子表面活性剂(季胺盐)发生了离子交换吸附而制成的｡典型的有机土反应如下:粘土—Na⁺+C₁₂H₂₅—N⁺—(CH₃)₃Br⁺———→

粘土—[C₁₂H₂₅—N⁺—CH₃]₃+NaBr

由于季胺盐阳离子在粘土表面的吸附,使亲水的粘土转变为亲油的有机土,保证在油基泥浆中很好地分散｡

有机土的质量主要取决于粘土的种类,阳离子表面活性剂的类型､碳链长短和在粘土上的覆盖程度以及制造的外部条件,如温度､PH等｡有机土在油中的分散性与有机胺离子碳链长短和覆盖率有密切关系｡试验发现,有机土在有机液体中的膨胀体积与碳链数目呈函数关系｡当碳原子数超过10达到12时,体积膨胀达到最大值｡

目前,普遍使用的阳离子表面活性剂是十二烷基三甲基溴化铵,由此得到的有机土在柴油中分散性良好;但抗温能力有限,在高温下会发生分解｡传统的有机土是粘土与季铵盐反应而成,这种有机土有两方面的缺点:季铵盐与粘土的结合力不够强,导致在高温下季铵盐解析;季铵盐多采用十二烷基三甲基溴化铵或十二烷基苄基二甲基溴化铵,根据形成乳状液的定向楔型理论,形成并稳定W/O乳状液,要求表面活性剂极性基团截面积与非极性基团截面积之比应小于1,也就是要求d极/d非<1｡而十二烷基三甲基溴化铵或十二烷基苄基二甲基中极性基半径与非极性基半径之比大于1,它从粘土表面的解吸进入W/O乳状液中不利于乳状液稳定｡

2抗高温有机土XNORB的研制

2.1 研制思路

为了克服有机土抗温能力有限的问题,1993年,俄罗斯钻井技术研究院提出了制备有机土的新方法,该方法从以下两方面进行改进:

(1)优选使用有利于W/O乳状液稳定的季铵盐,季铵盐具有如下分子结构特点:d_极/d_非=0.53~0.74｡

(2)引入螫合剂｡在粘土亲油化过程中,螫合剂吸附在粘土粒子表面和季铵盐的亲油端,起螯合,加固季铵盐和粘土之间结合的作用｡由于螫合剂的作用提高季铵盐在粘土上的吸附稳定性,削弱季铵盐在高温下的解吸作用,保证在高温下吸附量｡

采用这种方法制成的有机土在油中的分散性进一步提高,并提高W/O乳状液的电稳定性｡影响产品性能因素有粘土的水化分散性､螫合剂种类加量､季铵盐的种类和加量以及加入方式和反应条件等｡

2.2 制备方法

制备XNORB的关键是优选使用有利于W/O乳状液稳定的季铵盐和螫合剂｡根据形成乳状液的定向楔型理论,形成并稳定W/O乳状液,要求表面活性剂极性基团截面积与非极性基团截面积之比应小于1,即d_极/d_非<1｡据此所选用的季胺盐具有d_极/d_非=0.53~0.74分子结构特点｡螫合剂选用一种两亲的胺化合物｡XNORB的制备步骤如下:

(1)粘土充分分散于水中配制成粘土悬浮体,水温60~70℃,并加入4%Na2CO3(粘土量为基数),悬浮体室温陈化过夜｡

(2)在搅拌状态下缓慢向粘土悬浮体中加入螯合剂和季铵盐水溶液,搅拌60min待离子交换吸附反应充分进行,形成有机土｡

(3)分离有机土､干燥､研磨即得产品｡

3有机土的性能对比评价

收集了两种国产有机土(有机土､有机陶土)和美国M—I泥浆公司的有机土(VG—69),对它们在油中的造浆能力和对W/O乳状液稳定性的影响进行对比评价和分析｡

3.1 有机土在白油中的造浆能力

基油是广东茂名石化厂出产的5#白油｡在白油中加入6%的有机土,在高速搅拌器中搅拌20min,室温下测性能;悬浮体在220℃滚动16h,再在室温下测定性能｡实验结果见表1｡

注:有机土加量6%,220℃陈化16h,室温测量

实验结果表明,四种有机土在白油中的造浆能力不强,表现在表观粘度比纯白油略高,动切应力小,无静切力,滤失量特大｡相对而言,XNORB在白油中的增粘效果最好,VG—69效果次之,说明XNORB､VG—69在白油中的分散效果最好｡

3.2 有机土在柴油中的造浆能力

按同样的方法评价各种有机土在0#柴油中的造浆能力｡实验结果见表2｡通过实验发现,有机土和有机陶土在柴油的造浆能力比VG—69要差｡突出的表现在经过220℃陈化后,国产有机土和有机陶土的悬浮体粘度低､静切力小､API滤失量大｡而用VG—69配制的柴油悬浮体经高温陈化后表观粘度高达44mPa·s,静切力达30.5Pa｡

对比表1和表2,能明显看到同一种有机土在白油和柴油中相差极大,在柴油中各种有机土的分散性比白油中好得多｡柴油中有机土的悬浮体在粘度切力等方面明显大于白油的悬浮体;而在滤失量方面,柴油悬浮体则小得多｡主要是白油的芳烃含量低,有机土在其中分散效果不良造成的｡只有XNORB在两种油中相差不大｡

3.3 有机土对油包水乳状液的影响[4]

把有机土加入油包水乳状液中考查乳状液性能的变化｡乳状液配方为270ml柴油+3%有机土+4%乳化剂XNEMUL+30mlCaCl2盐水;陈化条件是220℃陈化16h｡实验结果见表3｡

注: 表示陈化后有泥球且搅不散

从表3可知,国产有机土和有机陶土加入乳状液中高温陈化后破乳电压很低,国产有机土和有机陶土所配油包水乳化泥浆经高温陈化后有泥球形成,搅拌泥球不能分散,说明国产有机土的抗温性能较差,高温下发生严重解吸,并且对乳状液的稳定性产生了影响｡而VG—69在W/O乳化泥浆中形成很小的泥球,但搅拌易分散,说明VG—69在高温下只有少量解吸,对乳状液稳定性影响不大｡XNORB则基本上没有泥球,表明XNORB在220℃的高温下比较稳定,对乳状液的影响非常小｡

泥球形成的主要原因在于,乳状液在高温陈化过程中,季铵盐从土上解吸,导致两方面的恶果,一方面使亲油性有机土变为亲水性;另一方面,解吸出来的季铵盐不利于乳状液的稳定,加快甚至直接破坏乳状液,使水珠变大析出｡析出的水与亲水性土发生水化作用产生水化膨胀,但又不能分散在油中,从而形成泥球｡

4结论

(1)优选d_极/d_非=0.53~0.74的季铵盐,采用螯和技术,合成了一种新型的抗高温有机土XNORB｡

(2)在白油和柴油中XNORB的增粘和降滤失效果好,且在两种油中相差不大,其性能明显优于国产有机土､有机陶土,与美国产品VG—69的效果相当｡

(3)能在220℃的高温下基本保持稳定不分解,陈化前后对乳状液稳定性无不利影响,能作为高温(220℃)油包水钻井液的处理剂｡

参考文献:

[1] Tatum J P. Organoclays[S]. Russia, patent,GB798267,1993.

[2] 高海洋,黄进军,崔茂荣,等.新型抗高温油基钻井液降滤失剂的研制[J].西南石油学院学报,2001,22(4):61-64.

[3] 徐同台,陈乐亮,罗平亚编著.深井泥浆[M].北京:石油工业出版社,1994.107-108.

[4] 梁大川,黄进军,崔茂荣,等.抗高温高密度低毒油包水钻井液的乳化剂优选和研制[J].西南石油学院学报,2000,22(3):74-77.