【摘要】：隨著我國國民經(jīng)濟的快速增長,對石油和天然氣需求的逐年增多,油氣進口量大幅度增加,油氣資源已經(jīng)成為影響到國家能源安全的戰(zhàn)略性問題。目前大慶油田已經(jīng)進入油田開發(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、巖性復雜、黏土礦物含量高,同時在儲層中存在大量微裂縫/裂縫和破碎帶,導致在油田開發(fā)鉆井過程中極易發(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,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題是抗溫性能,目前深井鉆井液采用的抗高溫化學材料一直依賴進口,因此研究抗高溫化學材料,進一步研發(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,分別進行了分子結(jié)構(gòu)設計,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)用測試等分析測試手段,對其分子結(jié)構(gòu)及性能進行了表征。并進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理;兩種鉆井液體系在現(xiàn)場實施了工程化應用。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吸附基團可提高表面活性,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),增強了界面膜的緊密程度和機械強度,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,在主鏈上引入的保護基團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,通過正交實驗優(yōu)選了有機土、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。通過在溫度260℃熱滾16h實驗后,破乳電壓依然保持在500V以上,析液量僅為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理。該體系在大慶油田144口井現(xiàn)場應用過程中表現(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、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理符合強抑制特性的“疏水場”理論。在大慶油田、新疆塔東和海外油田累計完成580口井,水平段平均長度1522m,最長水平段達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,裂縫長度范圍是2~5m/m~2,模擬地層裂縫特征制備了封堵評價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價方法,模擬縫寬范圍在1~200μm之間,工作溫度最高達200℃,壓力在3.5~5.0MPa之間,將封堵評價方法應用到研發(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 合成條件對產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率的影響研究在該乳化劑的合成實驗中，根據(jù)正交試驗結(jié)果，得到最佳合成條件為

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

【參考文獻】

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本文編號：2660998