引言

有機土是油基鉆井液中的最基本親油膠體,在油基鉆井液中既可提高泥漿的粘度和切力,又能降低油基鉆井液的濾失量,因此有機土是油基鉆井液中不可缺少的添加劑｡目前有機土的制備方法普遍使用陽離子表面活性劑和高度分散的親水粘土發生離子交換吸附而制成,根據文獻記載,在井溫超過177℃時,這種結合在高溫下會發生分解,失去應有的功效[1]｡

我國南海西部的鶯—瓊盆地是一個很有開發潛力的油氣田,這個地區的地質條件惡劣,地溫梯度高,異常壓力大,預測井底最高溫度高達220℃,鉆井液密度要求達到2.30g/cm³,是世界上地質條件高溫超壓同時并存的地區之一,因此準備用抗高溫高密度的油基鉆井液體系來解決這個地區的安全鉆進問題｡抗高溫的鉆井液體系必須有抗高溫的處理劑,傳統方法制備的有機土顯然無法在220℃的高溫下保持穩定不分解,因此研制一種抗高溫的有機土急為迫切[2]｡

1 現有有機土的制備方法[3]

有機土是高度分散的親水粘土與陽離子表面活性劑(季胺鹽)發生了離子交換吸附而制成的｡典型的有機土反應如下:粘土—Na⁺+C₁₂H₂₅—N⁺—(CH₃)₃Br⁺———→

粘土—[C₁₂H₂₅—N⁺—CH₃]₃+NaBr

由于季胺鹽陽離子在粘土表面的吸附,使親水的粘土轉變為親油的有機土,保證在油基泥漿中很好地分散｡

有機土的質量主要取決于粘土的種類,陽離子表面活性劑的類型､碳鏈長短和在粘土上的覆蓋程度以及制造的外部條件,如溫度､PH等｡有機土在油中的分散性與有機胺離子碳鏈長短和覆蓋率有密切關系｡試驗發現,有機土在有機液體中的膨脹體積與碳鏈數目呈函數關系｡當碳原子數超過10達到12時,體積膨脹達到最大值｡

目前,普遍使用的陽離子表面活性劑是十二烷基三甲基溴化銨,由此得到的有機土在柴油中分散性良好;但抗溫能力有限,在高溫下會發生分解｡傳統的有機土是粘土與季銨鹽反應而成,這種有機土有兩方面的缺點:季銨鹽與粘土的結合力不夠強,導致在高溫下季銨鹽解析;季銨鹽多采用十二烷基三甲基溴化銨或十二烷基芐基二甲基溴化銨,根據形成乳狀液的定向楔型理論,形成并穩定W/O乳狀液,要求表面活性劑極性基團截面積與非極性基團截面積之比應小于1,也就是要求d極/d非<1｡而十二烷基三甲基溴化銨或十二烷基芐基二甲基中極性基半徑與非極性基半徑之比大于1,它從粘土表面的解吸進入W/O乳狀液中不利于乳狀液穩定｡

2抗高溫有機土XNORB的研制

2.1 研制思路

為了克服有機土抗溫能力有限的問題,1993年,俄羅斯鉆井技術研究院提出了制備有機土的新方法,該方法從以下兩方面進行改進:

(1)優選使用有利于W/O乳狀液穩定的季銨鹽,季銨鹽具有如下分子結構特點:d_極/d_非=0.53~0.74｡

(2)引入螫合劑｡在粘土親油化過程中,螫合劑吸附在粘土粒子表面和季銨鹽的親油端,起螯合,加固季銨鹽和粘土之間結合的作用｡由于螫合劑的作用提高季銨鹽在粘土上的吸附穩定性,削弱季銨鹽在高溫下的解吸作用,保證在高溫下吸附量｡

采用這種方法制成的有機土在油中的分散性進一步提高,并提高W/O乳狀液的電穩定性｡影響產品性能因素有粘土的水化分散性､螫合劑種類加量､季銨鹽的種類和加量以及加入方式和反應條件等｡

2.2 制備方法

制備XNORB的關鍵是優選使用有利于W/O乳狀液穩定的季銨鹽和螫合劑｡根據形成乳狀液的定向楔型理論,形成并穩定W/O乳狀液,要求表面活性劑極性基團截面積與非極性基團截面積之比應小于1,即d_極/d_非<1｡據此所選用的季胺鹽具有d_極/d_非=0.53~0.74分子結構特點｡螫合劑選用一種兩親的胺化合物｡XNORB的制備步驟如下:

(1)粘土充分分散于水中配制成粘土懸浮體,水溫60~70℃,并加入4%Na2CO3(粘土量為基數),懸浮體室溫陳化過夜｡

(2)在攪拌狀態下緩慢向粘土懸浮體中加入螯合劑和季銨鹽水溶液,攪拌60min待離子交換吸附反應充分進行,形成有機土｡

(3)分離有機土､干燥､研磨即得產品｡

3有機土的性能對比評價

收集了兩種國產有機土(有機土､有機陶土)和美國M—I泥漿公司的有機土(VG—69),對它們在油中的造漿能力和對W/O乳狀液穩定性的影響進行對比評價和分析｡

3.1 有機土在白油中的造漿能力

基油是廣東茂名石化廠出產的5#白油｡在白油中加入6%的有機土,在高速攪拌器中攪拌20min,室溫下測性能;懸浮體在220℃滾動16h,再在室溫下測定性能｡實驗結果見表1｡

注:有機土加量6%,220℃陳化16h,室溫測量

實驗結果表明,四種有機土在白油中的造漿能力不強,表現在表觀粘度比純白油略高,動切應力小,無靜切力,濾失量特大｡相對而言,XNORB在白油中的增粘效果最好,VG—69效果次之,說明XNORB､VG—69在白油中的分散效果最好｡

3.2 有機土在柴油中的造漿能力

按同樣的方法評價各種有機土在0#柴油中的造漿能力｡實驗結果見表2｡通過實驗發現,有機土和有機陶土在柴油的造漿能力比VG—69要差｡突出的表現在經過220℃陳化后,國產有機土和有機陶土的懸浮體粘度低､靜切力小､API濾失量大｡而用VG—69配制的柴油懸浮體經高溫陳化后表觀粘度高達44mPa·s,靜切力達30.5Pa｡

對比表1和表2,能明顯看到同一種有機土在白油和柴油中相差極大,在柴油中各種有機土的分散性比白油中好得多｡柴油中有機土的懸浮體在粘度切力等方面明顯大于白油的懸浮體;而在濾失量方面,柴油懸浮體則小得多｡主要是白油的芳烴含量低,有機土在其中分散效果不良造成的｡只有XNORB在兩種油中相差不大｡

3.3 有機土對油包水乳狀液的影響[4]

把有機土加入油包水乳狀液中考查乳狀液性能的變化｡乳狀液配方為270ml柴油+3%有機土+4%乳化劑XNEMUL+30mlCaCl2鹽水;陳化條件是220℃陳化16h｡實驗結果見表3｡

注: 表示陳化后有泥球且攪不散

從表3可知,國產有機土和有機陶土加入乳狀液中高溫陳化后破乳電壓很低,國產有機土和有機陶土所配油包水乳化泥漿經高溫陳化后有泥球形成,攪拌泥球不能分散,說明國產有機土的抗溫性能較差,高溫下發生嚴重解吸,并且對乳狀液的穩定性產生了影響｡而VG—69在W/O乳化泥漿中形成很小的泥球,但攪拌易分散,說明VG—69在高溫下只有少量解吸,對乳狀液穩定性影響不大｡XNORB則基本上沒有泥球,表明XNORB在220℃的高溫下比較穩定,對乳狀液的影響非常小｡

泥球形成的主要原因在于,乳狀液在高溫陳化過程中,季銨鹽從土上解吸,導致兩方面的惡果,一方面使親油性有機土變為親水性;另一方面,解吸出來的季銨鹽不利于乳狀液的穩定,加快甚至直接破壞乳狀液,使水珠變大析出｡析出的水與親水性土發生水化作用產生水化膨脹,但又不能分散在油中,從而形成泥球｡

4結論

(1)優選d_極/d_非=0.53~0.74的季銨鹽,采用螯和技術,合成了一種新型的抗高溫有機土XNORB｡

(2)在白油和柴油中XNORB的增粘和降濾失效果好,且在兩種油中相差不大,其性能明顯優于國產有機土､有機陶土,與美國產品VG—69的效果相當｡

(3)能在220℃的高溫下基本保持穩定不分解,陳化前后對乳狀液穩定性無不利影響,能作為高溫(220℃)油包水鉆井液的處理劑｡

參考文獻:

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

[2] 高海洋,黃進軍,崔茂榮,等.新型抗高溫油基鉆井液降濾失劑的研制[J].西南石油學院學報,2001,22(4):61-64.

[3] 徐同臺,陳樂亮,羅平亞編著.深井泥漿[M].北京:石油工業出版社,1994.107-108.

[4] 梁大川,黃進軍,崔茂榮,等.抗高溫高密度低毒油包水鉆井液的乳化劑優選和研制[J].西南石油學院學報,2000,22(3):74-77.