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耐温耐盐降滤失剂的合成及与蒙脱土的相互作用研究

2020-12-09阅读(780)

耐温耐盐降滤失剂的合成及与蒙脱土的相互作用研究

论文摘要

随着国内外石油工业的发展和对石油需求的不断增长,油田勘探开发逐渐从浅部地层向深部地层、由浅海向深海转变,对钻井液提出了更高的抗温和抗盐要求。本文拟通过提高处理剂自身耐温耐盐性能来加强水基钻井液高温稳定性,采用分子结构设计理论,优选出四种不同的单体：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酰胺（AM）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAM）、N-乙烯吡咯烷酮（NVP）,利用自由基水溶液聚合法合成了P（AMPS-AM-DMAM-NVP）四元共聚物作为高温水基钻井液降滤失剂,有效地提高了水基钻井液耐温耐盐性能。一、P（AMPS-AM-DMAM-NVP）四元共聚物的合成与表征P（AMPS-AM-DMAM-NVP）四元共聚物的自由基水溶液聚合实验采用正交实验法和改变单体浓度法得到了最佳反应条件：引发剂过硫酸钾（KPS）用量0.3wt%（占单体质量分数）,单体摩尔比AMPS:AM:DMAM:NVP=3:4:2:1,络合剂乙二胺四乙酸（EDTA）用量0.15wt%（占单体质量分数）,温度75℃,单体浓度30wt%（质量分数）,反应时间6 h。红外光谱分析验证了四元共聚物中各单体的存在以及反应的完全性；元素分析实验基本证明了合成聚合物与设计聚合物组成一致；特性粘度实验确定了四元共聚物的粘均分子量约为72.23万；热重-差示扫描量热（TG-DSC）实验和特性粘度保留率实验表明合成共聚物具有良好的耐温性。二、P（AMPS-AM-DMAM-NVP）四元共聚物在不同泥浆体系中的降滤失效果评价通过流变和滤失实验,发现共聚物浓度、温度、NaCl浓度、老化时间等对泥浆体系流变和滤失性质具有重要的影响。共聚物的加入使得淡水泥浆、盐水泥浆、复合盐水泥浆和饱和盐水泥浆在高温老化后具有不增粘以及良好的降滤失效果。与国外产品Driscal D相比发现,高温老化后,在淡水泥浆、复合盐水泥浆中两者降滤失效果相当；在盐水泥浆、饱和盐水泥浆中,共聚物降滤失效果优于Driscal D。这表明此共聚物有望在深井钻探中得到应用。三、P（AMPS-AM-DMAM-NVP）四元共聚物与蒙脱土的相互作用研究为了更好的解释共聚物在粘土分散体系中的耐温耐盐性,利用总有机碳分析实验和流变实验研究了共聚物与蒙脱土的相互作用。结果发现：随着共聚物浓度增加,其在蒙脱土颗粒表面的吸附量增加并逐渐达到吸附平台,符合Langmuir型吸附等温线；电解质的加入使共聚物在钠蒙脱土颗粒表面吸附量增加,在较低浓度下,CaCl2对共聚物在颗粒表面吸附的影响程度大于NaCl；继续增加电解质浓度,随CaCl2浓度增加出现饱和吸附平台,而随NaCl浓度增加并未出现饱和吸附的趋势；温度增加,共聚物在颗粒表面吸附量降低。流变实验结果表明,共聚物水溶液符合幂律模型,随浓度增加,流型曲线上升；随剪切速率增加,粘度降低,具有剪切稀释性；而钠蒙脱土分散体系及共聚物-钠蒙脱土复合体系均符合Herschel-Bulkely模型,随着共聚物浓度增加,屈服值和稠度系数随之增加而流型指数减小,这与振荡频率扫描实验结果一致；无论是钠蒙脱土分散体系还是共聚物-钠蒙脱土复合体系,随着NaCl浓度的增加,体系屈服值和稠度系数均表现出先增大后减小的趋势,流型指数正好相反。四、P（AMPS-AM-DMAM-NVP）四元共聚物降滤失机理研究从胶体与界面化学的基本理论出发,初步提出了共聚物的降滤失机理,可以概括为：（1）利用共聚物在颗粒表面吸附提高静电排斥力、疏水作用力、水化膜斥力来稳定粘土颗粒；（2）共聚物对粘土分散体系起增粘作用,降低了滤液的流动性,增加了渗滤阻力；（3）共聚物的加入有助于粘土分散体系中结构网的形成,提高聚结稳定性；（4）共聚物本身的分子尺寸在胶体颗粒范围之内,它的加入相当于增加了胶体颗粒的含量,对滤饼起到封堵孔隙的作用。

论文目录

  • 目录
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号说明
  • 第一章 前言
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.2 高温对深井水基钻井液性能的影响
  • 1.2.1 高温对钻井液中粘土的影响
  • 1.2.2 高温对钻井液中处理剂的影响
  • 1.2.3 高温对处理剂与粘土相互作用的影响
  • 1.2.4 高温引起的钻井液性能变化
  • 1.3 高温降滤失剂研究进展
  • 1.3.1 降滤失剂的分类
  • 1.3.2 国外研究现状
  • 1.3.3 国内研究现状
  • 1.4 聚合物与粘土相互作用研究
  • 1.4.1 蒙脱石的胶体化学性质
  • 1.4.2 聚合物在蒙脱土颗粒表面的吸附
  • 1.4.3 聚合物对蒙脱土分散体系流变性的影响
  • 1.4.4 聚合物-粘土分散体系稳定性的研究
  • 1.4.4.1 DLVO理论
  • 1.4.4.2 空间稳定性理论
  • 1.4.4.3 空位稳定理论
  • 1.5 本文研究思想和内容
  • 1.5.1 耐温耐盐降滤失剂的合成设计思路
  • 1.5.2 耐温耐盐降滤失剂的表征
  • 1.5.3 聚合物-蒙脱土分散体系的降滤失性
  • 1.5.4 聚合物与蒙脱土的相互作用研究
  • 第二章 P（AMPS-AM-DMAM-NVP）四元共聚物合成与表征
  • 2.1 实验原料与试剂
  • 2.2 实验仪器
  • 2.3 P（AMPS-AM-DMAM-NVP）四元共聚物合成
  • 2.3.1 单体选择
  • 2.3.2 四元共聚物合成条件的确定
  • 2.3.2.1 正交实验
  • 2.3.2.2 单体浓度对聚合反应的影响
  • 2.4 P（AMPS-AM-DMAM-NVP）四元共聚物表征
  • 2.4.1 红外分析
  • 2.4.2 分子量的测定
  • 2.4.3 元素分析
  • 2.4.4 热稳定性分析
  • 2.4.4.1 热重-差示扫描量热分析
  • 2.4.4.2 特性粘度保留率分析
  • 2.5 小结
  • 第三章 P（AMPS-AM-DMAM-NVP）共聚物的降滤失效果评价
  • 3.1 实验药品
  • 3.2 实验仪器
  • 3.3 实验方法
  • 3.3.1 泥浆配置
  • 3.3.2 性能测试
  • 3.4 各因素对粘土分散体系流变和滤失性质的影响
  • 3.4.1 共聚物浓度的影响
  • 3.4.2 温度的影响
  • 3.4.3 NaCl浓度的影响
  • 3.4.4 老化时间的影响
  • 3.5 共聚物对不同泥浆体系的降滤失效果评价
  • 3.5.1 对淡水泥浆的降滤失效果评价
  • 3.5.2 对盐水泥浆的降滤失效果评价
  • 3.5.3 对复合盐水泥浆的降滤失效果评价
  • 3.5.4 对饱和盐水泥浆的降滤失效果评价
  • 3.6 小结
  • 第四章 P（AMPS-AM-DMAM-NVP）共聚物在蒙脱土表面的吸附
  • 4.1 实验药品
  • 4.2 实验仪器
  • 4.3 实验方法
  • 4.4 共聚物在蒙脱土颗粒表面的吸附
  • 4.5 共聚物在钠蒙脱土颗粒表面吸附的影响因素
  • 4.5.1 氯化钠的影响
  • 4.5.2 氯化钙的影响
  • 4.5.3 温度的影响
  • 4.6 小结
  • 第五章 P（AMPS-AM-DMAM-NVP）共聚物-蒙脱土分散体系流变性研究
  • 5.1 实验药品
  • 5.2 实验仪器
  • 5.3 实验方法
  • 5.4 共聚物对钠蒙脱土分散体系流变性的影响
  • 5.4.1 共聚物溶液及共聚物-钠蒙脱土复合体系流型曲线的变化
  • 5.4.2 共聚物-钠蒙脱土复合体系粘弹性的变化
  • 5.5 电解质对共聚物-钠蒙脱土复合体系流变性的影响
  • 5.5.1 NaCl对钠蒙脱土及共聚物-钠蒙脱土复合体系流型曲线的影响
  • 5.5.2 NaCl对钠蒙脱土及共聚物-钠蒙脱土复合体系粘弹性的影响
  • 5.6 小结
  • 第六章 P（AMPS-AM-DMAM-NVP）共聚物降滤失机理研究
  • 6.1 吸附在蒙脱土表面的共聚物
  • 6.2 共聚物对粘土分散体系的增粘作用
  • 6.3 结构网的形成
  • 6.4 堵孔作用
  • 6.5 小结
  • 参考文献
  • 致谢
  • 硕士期间发表论文情况
  • 学位论文评阅及答辩情况表

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