【摘要】：隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng),對(duì)石油和天然氣需求的逐年增多,油氣進(jìn)口量大幅度增加,油氣資源已經(jīng)成為影響到國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略性問(wèn)題。目前大慶油田已經(jīng)進(jìn)入油田開發(fā)中后期,中淺層油氣資源日趨枯竭,深層傳統(tǒng)油氣資源及頁(yè)巖氣、致密氣和致密油等油氣資源勘探開發(fā)已成為油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要接替資源之一;但是由于深部地層存在溫度高、巖性復(fù)雜、黏土礦物含量高,同時(shí)在儲(chǔ)層中存在大量微裂縫/裂縫和破碎帶,導(dǎo)致在油田開發(fā)鉆井過(guò)程中極易發(fā)生井壁剝落、坍塌和惡性漏失等事故。鉆井是油氣田開發(fā)的基礎(chǔ),而鉆井液是保障安全鉆井施工的重要環(huán)節(jié),在深層鉆井施工中,鉆井液尤為重要。深井鉆井液最突出的問(wèn)題是抗溫性能,目前深井鉆井液采用的抗高溫化學(xué)材料一直依賴進(jìn)口,因此研究抗高溫化學(xué)材料,進(jìn)一步研發(fā)性能優(yōu)異的鉆井液體系有著十分重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。深層鉆井常用的鉆井液主要有油基鉆井液和水基鉆井液兩種體系,油基鉆井液中的核心材料是抗高溫乳化劑,水基鉆井液的核心材料是抗高溫抑制劑。本論文主要研究制備了鉆井液體系中兩種核心材料,分別進(jìn)行了分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),合成出兩種新型抗高溫材料。利用紅外光譜、熱重分析、核磁共振和液質(zhì)聯(lián)用測(cè)試等分析測(cè)試手段,對(duì)其分子結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了表征。并進(jìn)一步研究制備了新型抗高溫的油基鉆井液和水基鉆井液體系,探討了兩種材料在鉆井液體系中的作用機(jī)理;兩種鉆井液體系在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了工程化應(yīng)用。采用N,N-二甲基-1,3丙二胺、環(huán)氧氯丙烷等單體,合成了新型油基鉆井液核心材料-乳化劑,研究了新型油基鉆井液乳化劑的分子結(jié)構(gòu),以及合成工藝和條件對(duì)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率的影響。研究表明合成的新型三元共聚乳化劑具有多個(gè)吸附基團(tuán)可提高表面活性,特殊的分子結(jié)構(gòu)可以自聚集或相互搭接形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了界面膜的緊密程度和機(jī)械強(qiáng)度,引入的五元環(huán)結(jié)構(gòu)單體提高了高溫穩(wěn)定性,由此形成的乳液液滴在高溫下更加均勻和致密,有效解決了傳統(tǒng)乳化劑高溫穩(wěn)定性和觸變性的難題。將N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)單體引入到二乙烯基乙二醇分子結(jié)構(gòu)中,三步法合成了含NVP結(jié)構(gòu)的新型水基鉆井液核心材料抗高溫二元共聚抑制劑,研究了新型抑制劑合成工藝條件對(duì)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率的影響。合成的新型抑制劑含有較多的胺基團(tuán),在主鏈上引入的保護(hù)基團(tuán)N-乙烯基吡咯烷酮單體增加了空間位阻,提高了該材料的高溫穩(wěn)定性。在鈉膨潤(rùn)土懸浮液中加入0.5%新型抑制劑,層間距由1.932nm降低到1.418nm,阻止了水分子進(jìn)入粘土晶層間,起到抑制、封堵防塌作用。以新型三元共聚乳化劑為核心材料,通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)選了有機(jī)土、氧化瀝青、降濾失劑等其它鉆井液材料,研究制備了高觸變性油基鉆井液體系。通過(guò)在溫度260℃熱滾16h實(shí)驗(yàn)后,破乳電壓依然保持在500V以上,析液量?jī)H為0.5mL,表明該體系具有良好的抗高溫、低粘高切的特性;并利用“蜂巢”結(jié)構(gòu)理論解釋了該體系低粘、高切、高觸變特性的作用機(jī)理。該體系在大慶油田144口井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中表現(xiàn)出了良好的流變性和濾失造壁性,破乳電壓1500V,動(dòng)塑比0.4,性能穩(wěn)定,有效解決了深層水平井溫度高、易形成巖屑床、井壁穩(wěn)定性差等難題,滿足了深層油氣資源的鉆探需求。以研究合成的新型抗高溫二元共聚抑制劑為核心材料,優(yōu)化了鉆井液體系中封堵防塌劑、流型調(diào)節(jié)劑等材料,研究制備了抗溫200℃、抑制能力強(qiáng)、封堵防塌效果好的高性能水基鉆井液體系,新型抗高溫二元共聚抑制劑及在水基鉆井液體系中的抑制作用機(jī)理符合強(qiáng)抑制特性的“疏水場(chǎng)”理論。在大慶油田、新疆塔東和海外油田累計(jì)完成580口井,水平段平均長(zhǎng)度1522m,最長(zhǎng)水平段達(dá)2033m。大慶油田深部地層存在大量構(gòu)造縫和溶蝕縫,裂縫范圍是1~5條/m,裂縫長(zhǎng)度范圍是2~5m/m~2,模擬地層裂縫特征制備了封堵評(píng)價(jià)裝置和硅鋁酸鹽微裂縫巖心模型,建立了模擬微裂縫封堵的評(píng)價(jià)方法,模擬縫寬范圍在1~200μm之間,工作溫度最高達(dá)200℃,壓力在3.5~5.0MPa之間,將封堵評(píng)價(jià)方法應(yīng)用到研發(fā)的新型油基鉆井液和高性能水基鉆井液中,具有較強(qiáng)的封堵能力,攜砂效果好,施工的井都未發(fā)生井漏、卡鉆和托壓等復(fù)雜和事故,滿足了深層鉆井施工需求。
【圖文】：

圖 3-2 乳化劑分子結(jié)構(gòu)圖Fig.3-2 Molecular structure diagram of emulsifie2 合成條件對(duì)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率的影響研究在該乳化劑的合成實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，得到最佳合成條件為

圖 3-3 單體總濃度對(duì)轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3-3 The effect of monomer total concentration on conversion rate摩爾比的影響反應(yīng)溫度為 160℃ ，反應(yīng)時(shí)間為 4h，，中間產(chǎn)物℃ 與中間產(chǎn)物量，研究摩爾比對(duì)單體轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖 3-4。圖 3-4
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE254.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2660998