油基钻井液提切剂的合成与评价

李子钰，于培志

(中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083)

全球具备分布广泛且丰富的页岩气资源[1]，我国的页岩气资源储量就很丰富，目前主要产自四川盆地[2]，已成为我国天然气产量的重要组成部分。油基钻井液可以有效避免页岩地层的水化膨胀、维护井壁稳定、保护储层[3-4]，但高温深井中使用的高温高密度钻井液流变性和稳定性难以控制[5-6]。传统的油基钻井液均使用有机土提粘提切，但高密度条件下调整有机土并不能很有效地解决流变性问题，而新浆中过低的有机土含量又会导致体系切力过低[7-8]。且有机土是一种亚微米级胶质颗粒，不利于钻速，老化后增稠严重[9-11]。本文通过合成一种可以代替有机土的提切剂来解决以上问题。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

高纯度聚醚胺D-2000、癸二酸(99%)、多元醇均为化学纯；三乙二醇单丁醚(GC)，色谱纯；油浴锅用硅油(耐300 ℃)，工业品。

DF-101S集热式磁力搅拌器；RW20机械搅拌器。

1.2 提切剂的合成

先使用聚醚胺D-2000与癸二酸在160 ℃的条件下反应，将三乙二醇单丁醚作为溶剂，反应4 h，而后降温至80 ℃再加入多元醇进行第二阶段反应，在200 ℃的条件下反应5～6 h，得到目的产物。提切剂的第一步合成反应见图1。

图1 提切剂的第一步合成反应Fig.1 The first step synthesis reaction of the rheology modifier

具体实验步骤：将聚醚胺D-2000∶癸二酸∶多元醇=6∶3∶1(摩尔比)分两阶段分别加入进行反应。第一阶段中进行聚醚胺D-2000与癸二酸的反应，加入适量的三乙二醇单丁醚作为溶剂，将三种试剂加入四口烧瓶中，放进油浴锅设定温度为160 ℃，装配好合成装置，将搅拌速度调整为200 r/min，进行恒温加热搅拌，待温度升至160 ℃，反应4 h；第二阶段，在第一阶段反应结束后，降温至80 ℃，加入多元醇，而后再升温至200 ℃恒温反应5～6 h，搅拌速度为200 r/min，待反应至无水生成，即得目的产物——提切剂，冷却至60 ℃，出料。

1.3 作用机理

反应是通过利用癸二酸与聚醚胺D-2000进行第一步反应，在分子中引入酰胺基，再利用癸二酸及第一阶段反应产物与多元醇发生酯化反应，产生酯基，生成目的产物。产物中的具有酰胺基、酯基和羟基为极性基团，极性基团可通过氢键、静电引力与其它基团相互作用，形成网络结构，而聚醚胺D-2000为分子引入了长链，通过缔合作用也可形成网络结构，从而实现提切作用。

2 结果与讨论

2.1 提切剂的表征与评价

图2为所合成提切剂的红外光谱。

图2 提切剂傅里叶红外光谱Fig.2 Fourier infrared spectrum of rheology modifier

由图2可知，图中3 453 cm-1的宽峰带为仲胺的特征吸收峰；2 924 cm-1及2 868 cm-1尖峰代表烷烃类C—H伸缩振动的特征吸收峰；1 734 cm-1尖峰为酯的特征吸收峰；1 655 cm-1及1 536 cm-1尖峰为酰胺的特征吸收峰；1 457 cm-1及1 373 cm-1对应 —CH3的振动，1 250 cm-1为 —C—C— 的骨架振动，1 141 cm-1为使用的溶剂三乙二醇单丁醚中醚的特征吸收峰，927 cm-1为羧酸中的 —OH振动特征吸收峰。根据红外光谱的分析表明，反应生成了目的官能团：酰胺基与酯基。

2.2 提切剂加量优选与评价

2.2.1 提切剂加量优选 构建无土相高密度油基钻井液体系，主要基于研制合成的提切剂，因此对提切剂的加量进行优选，设计7组实验配方，以0.5%为梯度，将提切剂加量从0提升至3%。

基础配方：柴油∶25%CaCl2(质量分数)水溶液=80∶20(体积比)、2%主乳+2.5%辅乳+3%润湿剂+1.5%CaO+4%降滤失剂+重晶石(密度2.20 g/cm3)。

设计配方：①基础配方+0%提切剂；②基础配方+0.5%提切剂；③基础配方+1%提切剂；④基础配方+1.5%提切剂；⑤基础配方+2.0%提切剂；⑥基 础配方+2.5%提切剂；⑦基础配方+3%提切剂。

150 ℃老化16 h得到实验数据见表1。

表1 提切剂加量对比实验数据Table 1 Comparative experimental data of the addition of rheology modifier

由表1可知，在0～3%的加量内，随着提切剂加量的提升，体系的表观粘度不断上升；而塑性粘度先有一个维持不变的区间，而后也随之提升；体系动切力随着提切剂的增加，也不断上升；而体系的破乳电压是随提切剂加量提升，先上升后下降，在1%～1.5%时最高，故可以选择1%作为提切剂的优选加量。

体系动切力随提切剂而变化的点线图见图3。

图3 提切剂加量对体系动切力的影响Fig.3 The influence of the addition of rheology modifier on the dynamic shearing force of the system

由图3可知，加量在1%之前，切力上升梯度大，而后放缓，而加量在2%之后，切力提升基本趋于平缓，故因此也可选择1%作为体系提切剂的最优加量。

2.2.2 提切剂对比有机土评价 将合成的提切剂以1%的加量加入到基础配方中，对比加量同为1%有机土的有土相常规油基钻井液，对合成的提切剂做性能评价。

基础配方：柴油∶25%CaCl2(质量分数)水溶液=80∶20(体积比)、2%主乳+2.5%辅乳+3%润湿剂+1.5%CaO+4%降滤失剂+重晶石(密度2.20 g/cm3)。

设计三组配方：①基础配方；②基础配方+1%有机土；③基础配方+1%提切剂。

150 ℃老化16 h得到实验数据见表2。

表2 提切剂评价实验老化后数据Table 2 The data after the aging of the rheology modifier evaluation experiment

由表2数据分析可知，提切剂可以提升钻井液的低转速值，有利于体系的悬浮性能，且相较于有机土拥有更好的效果；与有机土一样可以提升基础配方的初终切，但比有机土更能提升体系的初切，而具有略低的终切，能更快形成“弱凝胶”结构；提切剂的提切效果是有机土的1倍以上，拥有优于有机土的提切能力，但所配制无土相体系表观粘度低于有土相系，且使用提切剂不会提升体系的塑性粘度。能起到提切不提粘的效果；破乳电压方面，可以提升基础配方的电稳定性。

2.2.3 提切剂悬浮稳定性评价 体系使用提切剂代替有机土，形成无土相高密度油基钻井液，但在常规有土相油基钻井液体系中，主要是利用有机土来起到增粘提切、提高体系悬浮稳定性的作用，因此在使用提切剂组成的无土相高密度油基钻井液体系中，需要对体系的悬浮稳定性进行评价。对体系的悬浮稳定性评价，主要测试体系的静沉降系数(SF)及动沉降系数(VSST)。静沉降系数由钻井液静置一定时间后(本实验中静置2 h)，分别取等量上下层液体，计算上层密度(ρt)及下层密度(ρb)，而后按静沉降系数计算公式计算所得。静沉降系数计算公式为：SF=ρb/(ρb+ρt)，SF=0.5代表未沉降，而当SF>0.52代表体系静沉降稳定性较差。动沉降系数(VSST)使用六速旋转粘度仪，在六速测量杯中加入沉降鞋，用100 r/min的速率剪切30 min，剪切前后分别使用带粗径金属长针头的注射器吸取沉降鞋收集孔中10 mL的钻井液称量质量，而后按动沉降系数计算公式计算所得。动沉降系数计算公式：VSST(g/cm3)=0.1×(W2-W1)，W1为剪切前10 mL收集孔处钻井液质量，W2为剪切后10 mL收集孔处钻井液质量，VSST<0.12 g/cm3则动沉降不明显。

150 ℃老化16 h后按相应步骤测量结果见表3。

表3 静沉降、动沉降测试结果Table 3 Test results of static and dynamic settlement

由表3可知，测得体系静沉降系数(SF)<0.52，说明体系静沉降稳定性良好；测得体系动沉降系数(VSST)<0.12 g/cm3，说明体系动沉降稳定性良好。由此可以说明，所合成提切剂可以代替有机土，使体系获得良好的悬浮稳定性。

3 结论

(1)使用聚醚胺D-2000、癸二酸及多元醇反应，合成了一种油基提切剂。利用反应在目的分子中引入极性基团酰胺基及酯基，极性基团与其他基团通过静电引力和氢键形成网络结构；以及利用到聚醚胺D-2000带来的长链，也可以通过缔合作用形成网络结构，从而实现提切的作用。

(2)对提切剂加量进行优选，结果表明，随着提切剂加量的提升，体系的切力会不断提高，但提切剂加量在1%之前，切力提升明显，而后放缓；体系粘度也会随提切剂加量提升得到升高，但提切剂加量在1%之前，体系的塑性粘度基本不变；破乳电压随着提切剂加量的提升，先提升后降低，在1%～1.5% 之间时最高。因此综合而言，提切剂加量可选择1%加量。

(3)将合成提切剂配制无土相高密度油基泥浆，与传统有土相高密度油基泥浆进行对比，性能对比发现，使用合成提切剂相较使用有机土可以使体系获得更高的动切力及初切，有利于体系携岩；拥有更低的表观粘度，且基本不提升体系塑性粘度，实现了提切不提粘的效果；也能提升体系的破乳电压。

(4)对提切剂的悬浮稳定性进行评价，静沉降系数(SF)=0.504、动沉降系数(VSST)=0.081 g/cm3，因此合成提切剂拥有良好的悬浮稳定性。