毕业设计一种油基钻井液增粘剂剂的合成与性能评价

1、 本科毕业设计（论文）题目一种油基钻井液增粘剂剂的合成与性能评价学生姓名学号0904010228教学院系化学化工学院专业年级2009级化学指导教师职称副教授单位西南石油大学化学化工学院辅导教师职 称单位完成日期 2013 年 6 月 10 日southwest petroleum university graduation thesis the synthesis of an oil-based drilling fluid thickener agent and performance evaluationgrade: 2009name: sun chongspeciality: chemi

2、stryinstructor: zhang ruischool of chemistry and chemical engineering2013-6摘要对大位移、大斜度、水平井、高温高压以及各种敏感性地层，油基泥浆表现出很好的润滑、抑制和地层保护能力，以及容许污染物和固相的存在，抗污染能力强等优点；但油基泥浆在使用过程中存在对钻井液的黏度控制较为困难的问题，其低剪切速下的黏度值较低，不利于悬浮和携带钻屑，特别是在大斜度、大位移和水平井中。国内为了解决油基钻井液的悬浮问题，一般是加入大量的亲油胶体，但这将会导致塑性黏度也随之增加。目前，国外钻井液公司是在油基钻井液中加入特殊的增黏剂，其效果是加

3、量少、提高切力幅度大，并且对塑性黏度的影响较小。针对这一问题，本文研究设计了一种增黏材料，以gma（甲基丙烯酸缩水甘油酯）接枝sebs，通过改善油基钻井液的流变性来提高其悬浮钻屑能力。确定了最佳反应条件是：质量比bpogmasebs=11030，三种反应物总质量为10.25g，甲苯为70ml，反应温度为70；最佳条件下合成产品的接枝率达到92.3%关键词:增粘剂；流变性；油基钻井液；傅立叶红外光谱仪abstractfor large displacement, high angle, horizontal wells, and a variety of high temperature and

4、 pressure sensitive formations, oil-based mud showed good lubrication, suppression and formation protection, and to allow the presence of pollutants and solid, strong anti-pollution etc.; but oil-based mud in the course of the existence of the drilling fluid viscosity control more difficult problems

5、, the low shear rate viscosity value is lower, is not conducive to suspension and carry cuttings, especially in high-angle, large displacement and horizontal wells. domestic oil-based drilling fluid in order to solve the problem suspension, adding a large number of generally lipophilic gel, but this

6、 will cause the plastic viscosity increases.at present, foreign companies in oil-base drilling fluid by adding a special thickening agent, and its effect is to add less, increase shear amplitude, and less impact on the plastic viscosity. to solve this problem, this paper the design of a thickening m

7、aterial to gma (glycidyl methacrylate) grafted sebs, by improving the rheology of oil-based drilling fluids to increase the capacity of which was suspended cuttings.key words：thickener；rheology；oil-based drilling fluids；ir目录1文献综述111增粘剂1111增粘剂的应用2112增粘剂的发展概况31.2几种新型增粘剂51.2.1ab型嵌段高分子增粘剂51.2.1bola型增粘剂6

8、1.2.3可降解增粘剂71.3增粘剂91.3.1增粘剂的特点91.3.2增粘剂的分类101.3.3增粘剂的研究现状1214红外光谱仪原理132实验设计142.1实验研究的目的及意义142.2主要研究内容152.3选题的可行性及意义153实验过程163.1仪器及试剂1632合成步骤16321163221633红外光谱测定173.4粘度的测定174实验结果和讨论184.1合成接枝产物184.2214.3合成物质的红外表征214.4流变性测试235结论256致谢267参考文献271文献综述11油基钻井液与油基钻井液增粘剂油基钻井液具有强耐温性、强抑制性、保护油气层、抗污能力好、抗腐蚀性强、润滑性能好

9、等明显优点，经原油、柴油全油基、柴油油包水、低胶质油包水、低毒油包水、白油全油基的发展历程，是目前钻水平井、深井、大斜度井以及各种复杂地层的主要手段。由于环保要求越来越严格，特别是海上钻井作业排放物毒性限制就更加严格了，过去通常使用的以柴油为基油的油基钻井液无法达到环保部提出的毒性要求，所以近年来发展了低毒和无毒性的油基钻井液以满足保护环境这一要求。白油就是一个非常好的选择，白油芳香烃含量低，生物毒性小，而且精制的白油还可以用于食品和化妆品，并且毒性是归为低毒这一类，所以，白油适合作为环保型油基钻井液基液。油基钻井液的优缺点：与水基钻井液相比较，油基钻井液具有能抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定

10、、润滑性好和对油气层损害程度较小等多种优点。目前已成为钻高难度的高温深井、大位移井、水平井和各种复杂地层的重要手段，并且还可广泛地用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。油基钻井液的配制成本比水基钻井液高得多，并对井场附近的环境会造成影响。目前推广应用的油基钻井液，在使用过程中出现的问题： 1、钻井液的黏度控制较为困难； 2、表观黏度、悬浮能力及钻井液的滤失量等性能不容易同时兼顾； 3、降低表观黏度导致切力下降，使钻井液的悬浮能力恶化、钻井液滤失量大幅度增加； 4、提高切力使表观黏度大幅度上升，影响机械钻速；目前，国外钻井液公司是在油基钻井液中加入特殊的增黏剂，其效果是加量少、提高切力幅度大

11、，并且对塑性黏度的影响较小。但油基泥浆在使用的过程中存在着对钻井液黏度控制较为困难的突出问题，其低剪切速率下的黏度值仍然较低，不利于悬浮以及携带钻屑，特别是在大斜度、大位移和水平井中。国内为了解决油基钻井液的悬浮问题，一般是加入大量的亲油胶体，但这将会导致塑性黏度也随之增加。技术难点:1、悬浮稳定性对于油基钻井液，加重材料的沉降问题尤其突出。研究表明，加重剂的油润湿性和油包水钻井液中水相的组成，对加重剂的悬浮稳定性影响较大。在白油中将重晶石磨碎(通常使60的粒子直径大于2 m)，可提高油润湿性和悬浮能力。采用处理后的重晶石，可以形成稳定的、高密度、低黏度、低固相钻井液 。2、乳液稳定性确保油基

12、钻井液的乳液稳定性非常重要。目前，表示乳液稳定性的主要指标是破乳电压。破乳电压通常是将老化处理后的钻井液于低温下测定，结果并不能真实反映油基钻井液在高温下的稳定性。因此，钻井液工作者提出了采用sw-i高温高压电稳定仪来测量高温下的破乳电压7。从钻井液的组成讲，乳液稳定性关键取决于表面活性剂的特性及高温稳定性以及与其他处理剂的配伍性，故研制高性能表面活性剂是提高油基钻井液稳定性的关键。3 、钻屑或钻井液污染问题钻屑或钻井液的排放，会对环境造成一定的影响，影响程度取决于钻井液的毒性、生物可降解性和聚集特性，影响范围主要取决于钻屑的排放量、排放深度等，在深水区域由于水流，排放点越深影响的区域就越广。

13、使用油基钻井液时，钻屑上滞留的油量越多，处理越复杂。国外研制出一种复合阳离子表面活性剂ccs，添加至油基钻井液后，不仅有效地减少钻屑表面所吸附的油量，还具有改善流变性和降滤失的作用。通过加入一种油溶性的聚合物表面活性剂，能够显著降低岩屑上油的滞留量。4 、低剪切速率流变性控制在海洋深水钻井作业中钻井液循环过程不仅处于低温下，且当钻井液流经立管时还会处于低剪切速率下。研究表明n ，油包水钻井液在静置或低剪切速率下，会形成一种高弹性类凝胶结构。温度升高时，凝胶结构强度减弱。剪切力可使钻井液从黏弹性固态转化成黏弹性液态。经剪切的钻井液静止后会转化成固态结构，黏弹性会逐渐增大，一定时间后(大于4 h)

14、趋于平衡。这一现象对于现场作业很不利，故保证钻井液低剪切速率下良好的流变性非常重要。12 国内外的研究现状111增粘剂的应用1.1.1.1增粘剂的传统应用1.2几种新型增粘剂对大位移、大斜度、水平井、高温高压以及各种敏感性地层，油基泥浆表现出很好的润滑、抑制和地层保护能力，以及容许污染物和固相的存在，抗污染能力强等优点；但油基泥浆在使用过程中存在对钻井液的黏度控制较为困难的问题，其低剪切速率下的黏度值较低，不利于悬浮和携带岩屑，特别是在大斜度、大位移和水平井中。针对这一问题，室内研究设计了一种增黏材料，通过改善油基钻井液的流变性来提高其携岩能力。1.2.1几种新型增粘剂1.2.1.1 mah溶

15、液法接枝sbs的研究sbs是苯乙烯丁二烯苯乙烯三元嵌段热塑性弹性体的简称，为相分离体系，有两个玻璃化转变温度，具有塑料和橡胶的双重性质 ，它具有弹性好，强度高、耐低温、溶解性优、熔体粘度低等优点，因而广泛应用于橡胶制品、树脂改性、粘合剂和沥青改性改性剂等领域口。但由于sbs是一种非极性材料因而与极性材料相容性差，限制了它的应用。近年来，sbs接枝改性研究工作开展的很多，其中大部分使用的是化学接枝方法 ，接枝单体有丙烯腈 、丙烯酸 1及丙烯酸酯 、甲基丙烯酸甲酯 等。本文采用溶液接枝法，以马来酸酐(mah)为单体对sbs进行接枝处理，研究了反应温度、mah用量、反应时间及引发剂用种类及用量对接枝

16、率的影响，并对接枝产物的结构进行了表征。采用溶液接枝法制得了mah接枝的sbs，ftir确认了接枝产物的生成。得到接枝的最佳条件以：溶剂为二甲苯，乙酸乙酯(质量比为4：1)的混合溶剂；m(sbs)m(mah)m(bpo)m(溶剂)=100：10：08：400；反应温度为75 ；反应时间为3h。1.2.1.2 sebs-丙烯酸接枝共聚物 苯乙烯-2-乙烯-2-丁烯-2-苯乙烯(sebs) 是一类新型的热塑性弹性体。sebs 是sbs 经加氢处理后的产物。由于sebs 的不饱和键含量显著降低, 故具有优异的加工性能、尤其是具有优异的耐臭氧、耐氧化、耐紫外线和户外的耐候性能。sebs 及其改性聚合物

17、作为聚合物共混增容剂, 已经获得了深入的研究。以丙烯酸为研究对象, 研究了溶液中sebs 与丙烯酸的接枝反应, 并对产物的结构和表面性能进行了研究。 以过氧化二苯甲酰(bpo ) 为引发剂, 在甲苯溶液中进行丙烯酸(aa ) 接枝sebs 树脂。经红外光谱和光电子能谱(esca ) 分析表明, 丙烯酸已接枝到sebs 树脂上。研究了反应温度、反应时间、单体浓度、引发剂浓度等因素对单体转化率、接枝聚合物接枝率、单体接枝效率等的影响。根据实验结果, 接枝反应的适宜条件: 温度为90 , 引发剂用量为聚合物的10% , 丙烯酸用量为5 ml , 时间6 h 8 h。接枝率gr 和接枝效率ge的测定:

18、 gr = (w1- w0) / w0 ge = (w1- w0) / wm其中:w1产物质量；w0实验开始时加入的sebs 质量；wm 已聚合单体量；1.2.1.3 14红外光谱仪原理红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，与其它方法相比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，它是公认的一种重要分析工具。在分子构型和构象研究、化学化工、物理、能源、材料、天文、气象、遥感、环境、地质、生物、医学、药物、农业、食品、法庭鉴定和工业过程控制等多方面的分析测定中都有十分广泛的应用。红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光谱方法可测定分子的键长和

19、键角，并由此推测分子的立体构型。根据所得的力常数可推知化学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，因此许多有机官能团例如甲基、亚甲基、羰基，氰基，羟基，胺基等等，在红外光谱中都有特征吸收，通过红外光谱测定，人们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基础。由于分子内和分子间相互作用，有机官能团的特征频率会由于官能团所处的化学环境不同而发生微细变化，这为研究表征分子内、分子间相互作用创造了条件。分子在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此不同

20、，这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性，称为指纹区。利用这一特点，人们采集了成千上万种已知化合物的红外光谱，并把它们存入计算机中，编成红外光谱标准谱图库。人们只需把测得未知物的红外光谱与标准库中的光谱进行比对，就可以迅速判定未知化合物的成份。2实验设计2.1实验研究的目的及意义目前，国内全油基钻井液尚处于研究、试验、完善阶段，白油全油基钻井液技术的研究在国内刚刚起步，据统计，2006全球钻井液服务市场规模达到75.71亿美元。其中，钻井液与完井液61.99亿美元，占81.87，固控服务和废弃物处理13.72亿美元，占18.12%。油基钻井液体系在国外应用较为普遍，市场规模大，占钻井液市场份

21、额的26%。长城钻探公司目前服务的委内瑞拉地区油基钻井液比例已达60%，墨西哥、阿尔及利亚地区油基钻井液比例已达70%，叙利亚、巴基斯坦、伊朗等地区也有需求。就国内而言，在山前构造、高密度深井以及浅海大位移水平井的钻井过程中仍存在着一些水基钻井液难以解决的问题。根据国外油基钻井液的研究应用成果，全油基钻井液能够解决这些难题，如油基钻井液用于这类地层，钻井过程中的复杂情况将会减少，钻井速度将会提高，钻井综合成本将会降低。虽然目前国内全油基钻井液尚未大面积推广，但是随着我国对全油基钻井液技术的逐步掌握，全油基钻井液技术的不断提高，今后中国石油勘探开发向深井、超深井等复杂地质构造的展开，全油基钻井液

22、的需求将会越来越多，全油基钻井液市场规模将会越来越大。白油适合作为环保型油基钻井液基液。但油基泥浆在使用过程中存在对钻井液的黏度控制较为困难的问题，其低剪切速率下的黏度值较低，不利于悬浮和携带钻屑，特别是在大斜度、大位移和水平井中。国内为了解决油基钻井液的悬浮问题，一般是加入大量的亲油胶体，但这将会导致塑性黏度也随之增加。钻井液的黏度控制较为困难；表观黏度、悬浮能力及钻井液的滤失量等性能不容易同时兼顾；降低表观黏度导致切力下降，使钻井液的悬浮能力恶化、钻井液滤失量大幅度增加；提高切力使表观黏度大幅度上升，影响机械钻速；因此，新型环保型增粘剂的研制显得颇为重要。针对这一问题，本文研究设计了一种增

23、黏材料，以gma（甲基丙烯酸缩水甘油酯）接枝sebs，通过改善油基钻井液的流变性来提高其悬浮钻屑能力。2.2主要研究内容用双螺杆反应挤出法将甲基丙烯酸缩水甘油酯（gma）接枝到氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（sebs）上，研究引发剂过氧化苯甲酰、活性单体gma用量、溶剂甲苯用量、合成原料的质量比对接枝率的影响；并对产物进行红外表征以验证是否成功接枝、测定其在白油中的粘度、流变性能、以及最后配成完整的钻井液时的粘度性能。接枝情况如下图：2.3选题的可行性及意义目标化合物的设计主要是以前人的工作为基础，进行了改造，从结构而言具有一定的合理性。实验路线的设计合理，所使用的原料和试剂都是常见、方

24、便易得的化合物，实验过程简洁可行。因此本论文对该接枝反应具有一定的探索意义。3实验过程3.1仪器及试剂仪器:三口烧瓶，冷凝管，恒温磁力搅拌器，真空泵，温度计锥形瓶，傅立叶红外光谱仪，电子分析天平，玻璃棒，烘箱，旋转粘度计，流变仪，电动搅拌器，烧杯试剂：gma（甲基丙烯酸缩水甘油酯）、sebs、bpo（过氧化苯甲酰）、甲苯、异丙醇、正丙醇、5号白油反应所用试剂或溶剂均为市售国产试剂，反应试剂，溶剂均按照文献或试剂手册进行了无水处理。32接枝反应合成步骤1、 按实验计划准确称量好gma、sebs、bpo的质量，用移液管准确量取好甲苯的体积；2、 将gma与bpo在一干燥的烧杯中混合均匀、溶解；3、 把称量好的sebs放入三颈烧瓶中，并用比实验计划的甲苯少10ml的量溶解sebs。4、 把步骤2中混合均匀的物质加入三颈烧瓶中，并用剩余的10ml甲苯冲洗烧杯壁，以使gma与bpo的混合物充分进入三颈烧瓶中。5、 按实验计划将三颈烧瓶置于一定温度下恒温水浴一定时间；6、 将产物边搅拌边加入异丙醇，沉淀、抽滤，重复2-3次；7、 将抽滤后的产物置于烘箱中约4h；正交试验表：采用四因素三水平制定正交表 试验号 时间(h) 质量比（bpo:gma:sebs） 温度（） 甲苯量(ml)00111:10:30605000211:5:20706000311:5:10807