【doc】聚合物泥浆稀释机理和稀释剂的研究

【doc】聚合物泥浆稀释机理和稀释剂的研究 聚合物泥浆稀释机理和稀释剂的研究 油田化学 OiliieIdChemistry 1991.8,No/.1—6 聚合物泥浆稀释机理和稀释剂的研究 孙德军张春光侯万国王果庭 (山东大学肢体与界面化学研究所) 提要研究了十三种稀释剞对聚合特泥浆的稀释特胜.发现稀释曲线形状分三熹,改-肚的天然化 合物妻主要作用于拈土颗粒,故不能消除高聚物的提牯效应j磷酸盐熹同时作用于拈土颗枉和高聚 特,故能太部消隆高聚物的提拈效应j台成高聚枷稀释剂能同桥联太分子形成络舍特,故可使聚合特 .尼菜拈度降至搬土.尼浆拈度之下.文章对它{f1的稀释机理连行了讨论. 一 ,刖吾 六十年代之前的钻井液多属于分散型泥浆.钻lJ}过程中的增稠主要是由于钻屑的侵入和 分散.在无法降低钻井液中的固相含量时,就必须使用稀释剂来保证泥浆的流变性质.在这 种泥浆体系中,稀释剂的主要作用是拆散粘土粒在泥浆中所形成的网架结构.因此,凡能 在片状粘土颗粒的边棱产生吸附并带有一个阴离子水化基刚的药剂,都有稀释作用,例如具 有太阴离子的磷酸盐和多磷酸盐,能产生整合吸附的台有多酚氧基的瞍如单宁酸盐术质素 磺酸盐类等.无疑,这些稀释剂同时电是粘土颗粒的分散剂.七十年代之后,不分散 聚合物 泥浆得到了推广,泥浆净化设备也有了进一步发展,泥浆的固相含量得到了有效控制.泥浆 的流变学性质实际上是由线形大分子与牯土颗粒形J捉的桥联复合体来控制的.钻井过程中泥 浆的增稠主要是钻屑侵入后桥联结构中桥墩数增加,整个空间结构增强所致.传统的稀释剂 对拆散这种结构已经无能为力而它们对钻屑的分散作用却对钻井效率极为不利.研制新型 稀释剂和发展稀释理论已成为十分紧迫的任务.我们曾对聚合物混浆提出旨在拆散聚合物桥 联作用的络合物"稀释机理"并通过紫外光谱,流变学法,pH滴定,电导等方法.研 究了这种络台稀释的条件.提出了尽量不作用于牯土颗粒的不分散稀释剂应具有的 结构特点本文则对国内外13种稀释剂进行了研究,对它们稀释特征和作用机理进行了讨 论.显然,这对于新型稀释的研制和指导应用具有一定的意义 二,降粘试验 稀释剂样品1.改性的天然化合物;铁铬术质素磺酸盐(FCLS),磺甲基栲胶 (SMK),磺甲基褐煤(SMC),磺甲基单宁(SMT);2.无机磷酸盐:焦磷酸钠(Na;PzO), 三聚磷酸钠(NaPaOo),六偏磷酸钠(NaePeO)3.多元共聚物'磺化苯乙烯一马来酸 酐共聚物(SSMA),醋酸乙烯酯一马来酸酐共聚物(VAMA),XB一4O,XT一501XW一74. 通讯联系^250100~东省济南市山东天学皮球与界面化学研完所孙德军. }SSMA和VAMA系山东大学油匠幢体化学研完室室内台成产品,xB40,XT501,xw74融北京石涟助探开发 科学研究院油田化学所研制并提供 l 聚合物水解聚丙烯酰胺(HPAM),分量1.82×10.水解度33.3师;丙烯酰胺一丙 烯酸共聚物(8A051). 泥浆配制在1000ml蒸馏水中加60g安丘膨润土和3gNazCOa高速搅拌20rain后在密 闭容器中老化24h即得到膨润土基浆.在膨润土基浆中加入200ppm的聚合物(HPAM或 8A051,预先配成2%的溶液),高速搅拌5rain即为聚合物一膨润土基浆. 稀释曲线的绘制在各种基浆中加入不同浓度的稀释剂,用浓度为10@的NaOH溶液 调整泥浆pH值为8.0—8.5,高速搅拌5rain,按AP/仪器和方法测定泥浆的观粘度 .,然后在直角坐标纸上绘制.随稀释剂浓度c的变化曲线. 三,实验结果与讨论 绘制的稀释曲线见图1(1)一(11),样品SSMA和VAMA在文献"中已公布,此处不 再列出每图都有两条曲线,一条是稀释剂对膨润土基浆的稀释曲线标记为B,另一条是 对聚合物一膨润土基浆的稀释曲线标记为P-B.各条曲线可按照形状分为三种类型:?曲 线图1(1)一(4),稀释剂都是改性的天然化合物,它们对聚合物一膨润土泥浆和对膨润土泥浆 的降粘曲线大致平行,说明他们基本上没有消除聚合物的提粘效应;?图1(5)一(7),稀释 剂都是无机磷酸盐,基本上能消除聚合物的提粘效应?图1(8)一(11),稀释剂都是合成的 多元共聚物,加量很小时产生提牯效应,这是由于它们都属于线型聚合物,有轻微的桥联作 用;当加量足够时即表现出很强的稀释作用不仅完全消除聚合物的提粘效应而且使聚台 2 csMK.ppm (2) C$MCtppm (3) C)?,I)I)m (8) C耵_?,pPmC,ppfI】 图llO种稀释荆的降粘曲线 B--单纯膨润土诧浆,p-B一聚台物一膨谰土泥浆,其中(I),(5),(6),(7),(9)各图中所用聚台物 为HPAM.(2),(3),(4),(8),(IO),(n)各图中所用聚台衔为8A051 物一膨润土泥浆的粘度曲线降到膨润土泥浆的粘度曲线之下.降粘曲线形状的差别反映了稀 释机理的不同. 第一类稀释剂(图I(z)-(4))是使用多年的传统稀释剂,对于分散型泥浆.是通过在粘 土颗粒边棱上吸附,增加粘土颗粒的水化性,破坏颗粒的边一边和边一面结合.拆散泥浆中 的结构而取得降粘效果的.聚合物一膨润土泥浆与单纯膨润土泥浆的降粘曲线没有很大差别, 因此可以推测,粘土颗粒同高聚物的桥联结构没有受到多少影响.按文献(4)作含有一定量 稀释剂时HPAM水溶液的相对粘度q和HPAM浓度C关系图,见图2(1)一(5).曲线上出 现拐点说明稀释剂同高聚物形成了络合物,在pH=8.5时FCLS同HPAM不形成络合物. 见图2(1).所以这样推测是正确的. 第二类稀释剂(图I(5)一(7))是无机磷酸盐,是典型的分散剂从图2(2)看,三聚磷酸 钠分子同HPAM大分子在pH6.5和8.5时都有一定的络合作用.无机盐类无论在粘土颗粒 表面的吸附还是与高分子上基团的络台都是可逆平衡的.并且与粘土晶体之闯产生大量的离 子交换,稀释作用分配于粘土颗粒和大分子之间.所能使聚台物一膨润土泥浆的粘度曲线 接近单纯膨润土泥浆的牯度曲线,几乎可完垒消除大分子的提牯效应 第三类稀释剂(图l(8)一(11)]是人工台成的多元共聚物,分子中都台有2种以上官能团, 其中一种是羧基,其余的为羟基,磺酸基或磺酸盐,羧酸盐和古氮基团(一NHt,一CN, 一 CONH等)中的一种或几种.关于VAMA和ssMA已有详细的研究"',证明它们都能 同HPAM类大分子形成络合物,络合作用随着pH的升高而减弱,pH<lo时这种络合作用 引起大分子同粘土颗粒之间的桥联结构破坏,大分子之间盼交联作用减弱,整个体系随着大 分子发生收缩和疏水化,泥浆体系的粘度因而大幅度下降,并可能降到普通膨润土泥浆的粘 度之下,于是就产生了圉1(8)一(1】)这种形状的降粘曲线XB-40,XT-501和xW-74对 .n 3.0 . J300:II.j呻 CIn1 图2在不同pH下台有一定量稀释剂fl:jHPAM水溶液均相对粘度一浓度C关系曲线 HPAM水溶液rlr-C圈的影响见嗣2(3)u(5).可以清楚看出,加入每一种稀释剂后在 某一pH 值以下曲线上都出现明显的拐点.结论与过去的研究一致.在文献""中曾得出泥浆pH升 高时大分子与稀释剂之间的络合作用减弱,稀释剂对聚合物泥浆的稀释作用减弱的结论并计 算出了不同pH时作用于粘土颗粒和作用于高分子这两种稀释荆作用机理所占的分数.如果 果真如此,pH也应对稀释剂的降粘嗌线形状产生影响.为此,我们绘制了pH=10时XB- 4O,XT一501和XW-74对不同泥浆的降牯曲线,见图3(1)一(4).把它们同图l(8)一(11)对 照,可以清楚看出随着pH提高,曲线形状由第三类向第二类转化.这也证明第三类稀释剂 的稀释作用是与大分子络台物的形成密切相关的.由于这类稀释剂主要是通过和聚合物分子 相作用发挥稀释效能,避开了同粘土颗粒的吸附,因此对牯土的分散作用很小,这对聚台物 不分散泥浆具有重要意义. ' 2~t00{1fJn『_1r???2U01d()0 C蛐一?,ppm (1)(2) f3)(4) 图3pH=10.0时3种台成多元共聚物释稀剂的降辅雌线 B一单纯膨润土记荣;PB一聚台物一膨调土记装,其中(i),(2),(4)-ZN中所用聚合物为8A051 (3)图中为HPAM 四,结论 1.稀释剂对聚合物泥浆的降粘曲线可分为三种类型:?不能消除聚合物的提粘效应即 非消除型:?大部清除型;?超消除型. 2.FCLSSMKSMC,SMT等改性天然化舍物稀释剂主要作用于粘土颗粒,与大分 子的络合作用不明显. 3.无机磷酸盐稀释剂可同时作用于粘粒与聚合物分子.但不能使聚合物一膨润土 泥浆牯度降到单纯膨润土泥浆牯度之下. 4.多元共聚物类稀释剂通过与聚合物分子生成络台物产生稀释作用,能使聚台物一膨 润土泥浆粘度降到单纯膨涧土泥浆牯度之下.对泥浆的分散性小,是聚台物泥浆的理想稀释 剂. 参考文献 1.王果庭,杜德标,张眷光;油田化学,1986, 2.张春光,侯万国,王果庭:油田化学,1988, 8,路福绥,张春光,王果庭;油田化学,1988, 蚰 } Oo0NNN l 艇万国,王果庭:钴井液与完井蔽,1988,4,26 健万目,陈虏平王果庭:高分子,1988,5,223—226 便万国,王果庭:山东太学,1988,25,No3,68—73 张春光王果庭:山东是学,1989,24,No2,^1一^7 (1990年4月13日收到) THINNINGMECHANIZMSANDCHEMICALTHrNNERS INPOLYMER—BENTONITEDRILLINGFLUIDS SunDe—Jun,ZhangChun—Guang,HouWan—Guo,andWangGu&一Ting (InstituteofCoHoldandInterfaceScience,ShandonoUniversity,Jinan) Abstract Thethinningeffectofthirteenkindsofchemicalth~nnersinpolymer—bentonitedrilling flu挝shasBeenstudied.Accordingtothecurvefeaturesinapparentviscosityvs.concentra- tlonplots.allthinnersstudiedcanbedividedintothreebasisclasses.(1)ClassI--modifled naturalsubstances.Theseadditivesareonlyadsorbedontheedgesofbentoniteparticles, thushardlycalleliminatetheviscosifyingeffectcausedbythepolymermoleculesbridging betweenbentoniteparticles.(2)Classi—p01y曲0sphates.TheseadditivesareadsorbedoB bentoniteparticlesandalsoinvolvedininteractionwiththebridgingpolymermoleeulos,so theycanreducetheviscosityofthedrillingfluidsdrastically.(3)Class?--synthetic copolymers.Theseadditivescandecreasetheviscosityofpolymer— bentonitedrillingfluids belowthatofbentonitedrillingfluidsowingtointerpolymercomplexationofcopolymerand bridgingpolymermolecules.Thesemecbanizmsofthinninghavebeendiscussedinthis article. 光光光缓春春春福 张张张路 4567