畢業(yè)設(shè)計(jì)一種油基鉆井液增粘劑劑的合成與性能評(píng)價(jià)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目一種油基鉆井液增粘劑劑的合成與性能評(píng)價(jià)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)0904010228教學(xué)院系化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)年級(jí)2009級(jí)化學(xué)指導(dǎo)教師職稱副教授單位西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院輔導(dǎo)教師職 稱單位完成日期 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摘要對大位移、大斜度、水平井、高溫高壓以及各種敏感性地層，油基泥漿表現(xiàn)出很好的潤滑、抑制和地層保護(hù)能力，以及容許污染物和固相的存在，抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；但油基泥漿在使用過程中存在對鉆井液的黏度控制較為困難的問題，其低剪切速下的黏度值較低，不利于懸浮和攜帶鉆屑，特別是在大斜度、大位移和水平井中。國內(nèi)為了解決油基鉆井液的懸浮問題，一般是加入大量的親油膠體，但這將會(huì)導(dǎo)致塑性黏度也隨之增加。目前，國外鉆井液公司是在油基鉆井液中加入特殊的增黏劑，其效果是加

3、量少、提高切力幅度大，并且對塑性黏度的影響較小。針對這一問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種增黏材料，以gma（甲基丙烯酸縮水甘油酯）接枝sebs，通過改善油基鉆井液的流變性來提高其懸浮鉆屑能力。確定了最佳反應(yīng)條件是：質(zhì)量比bpogmasebs=11030，三種反應(yīng)物總質(zhì)量為10.25g，甲苯為70ml，反應(yīng)溫度為70；最佳條件下合成產(chǎn)品的接枝率達(dá)到92.3%關(guān)鍵詞:增粘劑；流變性；油基鉆井液；傅立葉紅外光譜儀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目錄1文獻(xiàn)綜述111增粘劑1111增粘劑的應(yīng)用2112增粘劑的發(fā)展概況31.2幾種新型增粘劑51.2.1ab型嵌段高分子增粘劑51.2.1bola型增粘劑6

8、1.2.3可降解增粘劑71.3增粘劑91.3.1增粘劑的特點(diǎn)91.3.2增粘劑的分類101.3.3增粘劑的研究現(xiàn)狀1214紅外光譜儀原理132實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)142.1實(shí)驗(yàn)研究的目的及意義142.2主要研究內(nèi)容152.3選題的可行性及意義153實(shí)驗(yàn)過程163.1儀器及試劑1632合成步驟16321163221633紅外光譜測定173.4粘度的測定174實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論184.1合成接枝產(chǎn)物184.2214.3合成物質(zhì)的紅外表征214.4流變性測試235結(jié)論256致謝267參考文獻(xiàn)271文獻(xiàn)綜述11油基鉆井液與油基鉆井液增粘劑油基鉆井液具有強(qiáng)耐溫性、強(qiáng)抑制性、保護(hù)油氣層、抗污能力好、抗腐蝕性強(qiáng)、潤滑性能好

9、等明顯優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)原油、柴油全油基、柴油油包水、低膠質(zhì)油包水、低毒油包水、白油全油基的發(fā)展歷程，是目前鉆水平井、深井、大斜度井以及各種復(fù)雜地層的主要手段。由于環(huán)保要求越來越嚴(yán)格，特別是海上鉆井作業(yè)排放物毒性限制就更加嚴(yán)格了，過去通常使用的以柴油為基油的油基鉆井液無法達(dá)到環(huán)保部提出的毒性要求，所以近年來發(fā)展了低毒和無毒性的油基鉆井液以滿足保護(hù)環(huán)境這一要求。白油就是一個(gè)非常好的選擇，白油芳香烴含量低，生物毒性小，而且精制的白油還可以用于食品和化妝品，并且毒性是歸為低毒這一類，所以，白油適合作為環(huán)保型油基鉆井液基液。油基鉆井液的優(yōu)缺點(diǎn)：與水基鉆井液相比較，油基鉆井液具有能抗高溫、抗鹽鈣侵、有利于井壁穩(wěn)定

10、、潤滑性好和對油氣層損害程度較小等多種優(yōu)點(diǎn)。目前已成為鉆高難度的高溫深井、大位移井、水平井和各種復(fù)雜地層的重要手段，并且還可廣泛地用作解卡液、射孔完井液、修井液和取心液等。油基鉆井液的配制成本比水基鉆井液高得多，并對井場附近的環(huán)境會(huì)造成影響。目前推廣應(yīng)用的油基鉆井液，在使用過程中出現(xiàn)的問題： 1、鉆井液的黏度控制較為困難； 2、表觀黏度、懸浮能力及鉆井液的濾失量等性能不容易同時(shí)兼顧； 3、降低表觀黏度導(dǎo)致切力下降，使鉆井液的懸浮能力惡化、鉆井液濾失量大幅度增加； 4、提高切力使表觀黏度大幅度上升，影響機(jī)械鉆速；目前，國外鉆井液公司是在油基鉆井液中加入特殊的增黏劑，其效果是加量少、提高切力幅度大

11、，并且對塑性黏度的影響較小。但油基泥漿在使用的過程中存在著對鉆井液黏度控制較為困難的突出問題，其低剪切速率下的黏度值仍然較低，不利于懸浮以及攜帶鉆屑，特別是在大斜度、大位移和水平井中。國內(nèi)為了解決油基鉆井液的懸浮問題，一般是加入大量的親油膠體，但這將會(huì)導(dǎo)致塑性黏度也隨之增加。技術(shù)難點(diǎn):1、懸浮穩(wěn)定性對于油基鉆井液，加重材料的沉降問題尤其突出。研究表明，加重劑的油潤濕性和油包水鉆井液中水相的組成，對加重劑的懸浮穩(wěn)定性影響較大。在白油中將重晶石磨碎(通常使60的粒子直徑大于2 m)，可提高油潤濕性和懸浮能力。采用處理后的重晶石，可以形成穩(wěn)定的、高密度、低黏度、低固相鉆井液 。2、乳液穩(wěn)定性確保油基

12、鉆井液的乳液穩(wěn)定性非常重要。目前，表示乳液穩(wěn)定性的主要指標(biāo)是破乳電壓。破乳電壓通常是將老化處理后的鉆井液于低溫下測定，結(jié)果并不能真實(shí)反映油基鉆井液在高溫下的穩(wěn)定性。因此，鉆井液工作者提出了采用sw-i高溫高壓電穩(wěn)定儀來測量高溫下的破乳電壓7。從鉆井液的組成講，乳液穩(wěn)定性關(guān)鍵取決于表面活性劑的特性及高溫穩(wěn)定性以及與其他處理劑的配伍性，故研制高性能表面活性劑是提高油基鉆井液穩(wěn)定性的關(guān)鍵。3 、鉆屑或鉆井液污染問題鉆屑或鉆井液的排放，會(huì)對環(huán)境造成一定的影響，影響程度取決于鉆井液的毒性、生物可降解性和聚集特性，影響范圍主要取決于鉆屑的排放量、排放深度等，在深水區(qū)域由于水流，排放點(diǎn)越深影響的區(qū)域就越廣。

13、使用油基鉆井液時(shí)，鉆屑上滯留的油量越多，處理越復(fù)雜。國外研制出一種復(fù)合陽離子表面活性劑ccs，添加至油基鉆井液后，不僅有效地減少鉆屑表面所吸附的油量，還具有改善流變性和降濾失的作用。通過加入一種油溶性的聚合物表面活性劑，能夠顯著降低巖屑上油的滯留量。4 、低剪切速率流變性控制在海洋深水鉆井作業(yè)中鉆井液循環(huán)過程不僅處于低溫下，且當(dāng)鉆井液流經(jīng)立管時(shí)還會(huì)處于低剪切速率下。研究表明n ，油包水鉆井液在靜置或低剪切速率下，會(huì)形成一種高彈性類凝膠結(jié)構(gòu)。溫度升高時(shí)，凝膠結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱。剪切力可使鉆井液從黏彈性固態(tài)轉(zhuǎn)化成黏彈性液態(tài)。經(jīng)剪切的鉆井液靜止后會(huì)轉(zhuǎn)化成固態(tài)結(jié)構(gòu)，黏彈性會(huì)逐漸增大，一定時(shí)間后(大于4 h)

14、趨于平衡。這一現(xiàn)象對于現(xiàn)場作業(yè)很不利，故保證鉆井液低剪切速率下良好的流變性非常重要。12 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀111增粘劑的應(yīng)用1.1.1.1增粘劑的傳統(tǒng)應(yīng)用1.2幾種新型增粘劑對大位移、大斜度、水平井、高溫高壓以及各種敏感性地層，油基泥漿表現(xiàn)出很好的潤滑、抑制和地層保護(hù)能力，以及容許污染物和固相的存在，抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；但油基泥漿在使用過程中存在對鉆井液的黏度控制較為困難的問題，其低剪切速率下的黏度值較低，不利于懸浮和攜帶巖屑，特別是在大斜度、大位移和水平井中。針對這一問題，室內(nèi)研究設(shè)計(jì)了一種增黏材料，通過改善油基鉆井液的流變性來提高其攜巖能力。1.2.1幾種新型增粘劑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熱塑性彈性體的簡稱，為相分離體系，有兩個(gè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，具有塑料和橡膠的雙重性質(zhì) ，它具有彈性好，強(qiáng)度高、耐低溫、溶解性優(yōu)、熔體粘度低等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于橡膠制品、樹脂改性、粘合劑和瀝青改性改性劑等領(lǐng)域口。但由于sbs是一種非極性材料因而與極性材料相容性差，限制了它的應(yīng)用。近年來，sbs接枝改性研究工作開展的很多，其中大部分使用的是化學(xué)接枝方法 ，接枝單體有丙烯腈 、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，以馬來酸酐(mah)為單體對sbs進(jìn)行接枝處理，研究了反應(yīng)溫度、mah用量、反應(yīng)時(shí)間及引發(fā)劑用種類及用量對接枝

16、率的影響，并對接枝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。采用溶液接枝法制得了mah接枝的sbs，ftir確認(rèn)了接枝產(chǎn)物的生成。得到接枝的最佳條件以：溶劑為二甲苯，乙酸乙酯(質(zhì)量比為4：1)的混合溶劑；m(sbs)m(mah)m(bpo)m(溶劑)=100：10：08：400；反應(yīng)溫度為75 ；反應(yīng)時(shí)間為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) 是一類新型的熱塑性彈性體。sebs 是sbs 經(jīng)加氫處理后的產(chǎn)物。由于sebs 的不飽和鍵含量顯著降低, 故具有優(yōu)異的加工性能、尤其是具有優(yōu)異的耐臭氧、耐氧化、耐紫外線和戶外的耐候性能。sebs 及其改性聚合物

17、作為聚合物共混增容劑, 已經(jīng)獲得了深入的研究。以丙烯酸為研究對象, 研究了溶液中sebs 與丙烯酸的接枝反應(yīng), 并對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和表面性能進(jìn)行了研究。 以過氧化二苯甲酰(bpo ) 為引發(fā)劑, 在甲苯溶液中進(jìn)行丙烯酸(aa ) 接枝sebs 樹脂。經(jīng)紅外光譜和光電子能譜(esca ) 分析表明, 丙烯酸已接枝到sebs 樹脂上。研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、單體濃度、引發(fā)劑濃度等因素對單體轉(zhuǎn)化率、接枝聚合物接枝率、單體接枝效率等的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 接枝反應(yīng)的適宜條件: 溫度為90 , 引發(fā)劑用量為聚合物的10% , 丙烯酸用量為5 ml , 時(shí)間6 h 8 h。接枝率gr 和接枝效率ge的測定:

18、 gr = (w1- w0) / w0 ge = (w1- w0) / wm其中:w1產(chǎn)物質(zhì)量；w0實(shí)驗(yàn)開始時(shí)加入的sebs 質(zhì)量；wm 已聚合單體量；1.2.1.3 14紅外光譜儀原理紅外光譜與分子的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是研究表征分子結(jié)構(gòu)的一種有效手段，與其它方法相比較，紅外光譜由于對樣品沒有任何限制，它是公認(rèn)的一種重要分析工具。在分子構(gòu)型和構(gòu)象研究、化學(xué)化工、物理、能源、材料、天文、氣象、遙感、環(huán)境、地質(zhì)、生物、醫(yī)學(xué)、藥物、農(nóng)業(yè)、食品、法庭鑒定和工業(yè)過程控制等多方面的分析測定中都有十分廣泛的應(yīng)用。紅外光譜可以研究分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，如力常數(shù)的測定和分子對稱性等，利用紅外光譜方法可測定分子的鍵長和

19、鍵角，并由此推測分子的立體構(gòu)型。根據(jù)所得的力常數(shù)可推知化學(xué)鍵的強(qiáng)弱，由簡正頻率計(jì)算熱力學(xué)函數(shù)等。分子中的某些基團(tuán)或化學(xué)鍵在不同化合物中所對應(yīng)的譜帶波數(shù)基本上是固定的或只在小波段范圍內(nèi)變化，因此許多有機(jī)官能團(tuán)例如甲基、亞甲基、羰基，氰基，羥基，胺基等等，在紅外光譜中都有特征吸收，通過紅外光譜測定，人們就可以判定未知樣品中存在哪些有機(jī)官能團(tuán)，這為最終確定未知物的化學(xué)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。由于分子內(nèi)和分子間相互作用，有機(jī)官能團(tuán)的特征頻率會(huì)由于官能團(tuán)所處的化學(xué)環(huán)境不同而發(fā)生微細(xì)變化，這為研究表征分子內(nèi)、分子間相互作用創(chuàng)造了條件。分子在低波數(shù)區(qū)的許多簡正振動(dòng)往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振動(dòng)方式彼此不同

20、，這使得紅外光譜具有像指紋一樣高度的特征性，稱為指紋區(qū)。利用這一特點(diǎn)，人們采集了成千上萬種已知化合物的紅外光譜，并把它們存入計(jì)算機(jī)中，編成紅外光譜標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫。人們只需把測得未知物的紅外光譜與標(biāo)準(zhǔn)庫中的光譜進(jìn)行比對，就可以迅速判定未知化合物的成份。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)2.1實(shí)驗(yàn)研究的目的及意義目前，國內(nèi)全油基鉆井液尚處于研究、試驗(yàn)、完善階段，白油全油基鉆井液技術(shù)的研究在國內(nèi)剛剛起步，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006全球鉆井液服務(wù)市場規(guī)模達(dá)到75.71億美元。其中，鉆井液與完井液61.99億美元，占81.87，固控服務(wù)和廢棄物處理13.72億美元，占18.12%。油基鉆井液體系在國外應(yīng)用較為普遍，市場規(guī)模大，占鉆井液市場份

21、額的26%。長城鉆探公司目前服務(wù)的委內(nèi)瑞拉地區(qū)油基鉆井液比例已達(dá)60%，墨西哥、阿爾及利亞地區(qū)油基鉆井液比例已達(dá)70%，敘利亞、巴基斯坦、伊朗等地區(qū)也有需求。就國內(nèi)而言，在山前構(gòu)造、高密度深井以及淺海大位移水平井的鉆井過程中仍存在著一些水基鉆井液難以解決的問題。根據(jù)國外油基鉆井液的研究應(yīng)用成果，全油基鉆井液能夠解決這些難題，如油基鉆井液用于這類地層，鉆井過程中的復(fù)雜情況將會(huì)減少，鉆井速度將會(huì)提高，鉆井綜合成本將會(huì)降低。雖然目前國內(nèi)全油基鉆井液尚未大面積推廣，但是隨著我國對全油基鉆井液技術(shù)的逐步掌握，全油基鉆井液技術(shù)的不斷提高，今后中國石油勘探開發(fā)向深井、超深井等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的展開，全油基鉆井液

22、的需求將會(huì)越來越多，全油基鉆井液市場規(guī)模將會(huì)越來越大。白油適合作為環(huán)保型油基鉆井液基液。但油基泥漿在使用過程中存在對鉆井液的黏度控制較為困難的問題，其低剪切速率下的黏度值較低，不利于懸浮和攜帶鉆屑，特別是在大斜度、大位移和水平井中。國內(nèi)為了解決油基鉆井液的懸浮問題，一般是加入大量的親油膠體，但這將會(huì)導(dǎo)致塑性黏度也隨之增加。鉆井液的黏度控制較為困難；表觀黏度、懸浮能力及鉆井液的濾失量等性能不容易同時(shí)兼顧；降低表觀黏度導(dǎo)致切力下降，使鉆井液的懸浮能力惡化、鉆井液濾失量大幅度增加；提高切力使表觀黏度大幅度上升，影響機(jī)械鉆速；因此，新型環(huán)保型增粘劑的研制顯得頗為重要。針對這一問題，本文研究設(shè)計(jì)了一種增

23、黏材料，以gma（甲基丙烯酸縮水甘油酯）接枝sebs，通過改善油基鉆井液的流變性來提高其懸浮鉆屑能力。2.2主要研究內(nèi)容用雙螺桿反應(yīng)擠出法將甲基丙烯酸縮水甘油酯（gma）接枝到氫化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（sebs）上，研究引發(fā)劑過氧化苯甲酰、活性單體gma用量、溶劑甲苯用量、合成原料的質(zhì)量比對接枝率的影響；并對產(chǎn)物進(jìn)行紅外表征以驗(yàn)證是否成功接枝、測定其在白油中的粘度、流變性能、以及最后配成完整的鉆井液時(shí)的粘度性能。接枝情況如下圖：2.3選題的可行性及意義目標(biāo)化合物的設(shè)計(jì)主要是以前人的工作為基礎(chǔ)，進(jìn)行了改造，從結(jié)構(gòu)而言具有一定的合理性。實(shí)驗(yàn)路線的設(shè)計(jì)合理，所使用的原料和試劑都是常見、方

24、便易得的化合物，實(shí)驗(yàn)過程簡潔可行。因此本論文對該接枝反應(yīng)具有一定的探索意義。3實(shí)驗(yàn)過程3.1儀器及試劑儀器:三口燒瓶，冷凝管，恒溫磁力攪拌器，真空泵，溫度計(jì)錐形瓶，傅立葉紅外光譜儀，電子分析天平，玻璃棒，烘箱，旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，流變儀，電動(dòng)攪拌器，燒杯試劑：gma（甲基丙烯酸縮水甘油酯）、sebs、bpo（過氧化苯甲酰）、甲苯、異丙醇、正丙醇、5號(hào)白油反應(yīng)所用試劑或溶劑均為市售國產(chǎn)試劑，反應(yīng)試劑，溶劑均按照文獻(xiàn)或試劑手冊進(jìn)行了無水處理。32接枝反應(yīng)合成步驟1、 按實(shí)驗(yàn)計(jì)劃準(zhǔn)確稱量好gma、sebs、bpo的質(zhì)量，用移液管準(zhǔn)確量取好甲苯的體積；2、 將gma與bpo在一干燥的燒杯中混合均勻、溶解；3、 把稱量好的sebs放入三頸燒瓶中，并用比實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的甲苯少10ml的量溶解sebs。4、 把步驟2中混合均勻的物質(zhì)加入三頸燒瓶中，并用剩余的10ml甲苯?jīng)_洗燒杯壁，以使gma與bpo的混合物充分進(jìn)入三頸燒瓶中。5、 按實(shí)驗(yàn)計(jì)劃將三頸燒瓶置于一定溫度下恒溫水浴一定時(shí)間；6、 將產(chǎn)物邊攪拌邊加入異丙醇，沉淀、抽濾，重復(fù)2-3次；7、 將抽濾后的產(chǎn)物置于烘箱中約4h；正交試驗(yàn)表：采用四因素三水平制定正交表 試驗(yàn)號(hào) 時(shí)間(h) 質(zhì)量比（bpo:gma:sebs） 溫度（） 甲苯量(ml)00111:10:30605000211:5:20706000311:5:10807