Dung dịch khoan đóng vai trò quan trọng trong quá trình khai thác dầu khí. Một tác nhân kiểm soát mất dịch (fluid loss agent) mới, có khả năng chịu nhiệt cao với cấu trúc lai vô cơ/hữu cơ, được ký hiệu là PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2 đã được nghiên cứu trước đây bởi Phòng thí nghiệm Dung dịch Khoan thuộc Đại học Khoa học Địa chất Trung Quốc. Tuy nhiên, Ca-MMT (bentonite canxi, cấu trúc lớp) không thể làm giảm điểm chảy do cấu trúc lớp của nó. Hơn nữa, hàm lượng SiO2 không đủ để duy trì Na2SiO3 cho độ nhớt phù hợp.
SMA (copolymer của styrene và maleic anhydride), với nhiều ứng dụng đa dạng, có thể dễ dàng được điều chỉnh do sự hiện diện của anhydride và các nhóm chức thơm. Với hình dạng hạt, CaCO3 có khả năng chịu nhiệt cao và có lực cản chuyển động thấp hơn Ca-MMT.
Dựa trên những điều trên, một tác nhân kiểm soát mất dịch chịu nhiệt độ cao được cải tiến với các đặc tính lưu biến tốt hơn—SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 bao gồm SMA, SiO2, CaCl2 và CaCO3—đã được điều chế.
Thử nghiệm
Tổng hợp và đặc tính của SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2
SMA được điều chế bằng phương pháp trùng hợp kết tủa: 0.7 g CaCO3 và 0.66 g KH550 được thêm vào 20 mL ethanol trong bình cầu được trang bị máy khuấy từ và bộ phận hồi lưu ở 60 ºC trong 3 giờ; dung dịch được xử lý bằng sóng siêu âm ở 60 ºC trong 3 giờ. Sau đó, CaCO3 đã biến tính được ly tâm, và phần kết tủa được rửa bằng ethanol ba lần để loại bỏ lượng KH550 dư thừa, chất này đã được hấp thụ trên bề mặt CaCO3. Cuối cùng, CaCO3 đã biến tính được sấy khô ở 110 ºC trong 24 giờ trong điều kiện chân không. Polymer ghép (chứa CaCl2) của CaCO3 đã biến tính và SMA và sự bao bọc polymer ghép bằng silicon dioxide được điều chế tương tự như PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2.
Tiếp theo, SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 thu được. CaCO3, CaCO3 đã biến tính, copolymer ghép của CaCO3 đã biến tính và SMA, và SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 được đặc trưng bởi quang phổ FTIR, phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
Đánh giá SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2
Các thử nghiệm tính chất của dung dịch khoan được thực hiện theo các thông số kỹ thuật của Viện Dầu khí Hoa Kỳ. Công thức A = 3% bentonite + 0.75% natri hydroxit + 100% H2O. Công thức B = Công thức A + 0.15% carboxymethyl cellulose (CMC) (theo trọng lượng). AV và PV liên quan đến độ nhớt của dung dịch khoan. YP là giá trị năng suất của dung dịch khoan.
Kết quả và thảo luận
Quang phổ FTIR của sản phẩm trong quá trình và SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 được thể hiện trong Hình 1. Có hai dải hấp thụ ở 3672 cm−1 và 1053 cm−1 cho CaCO3 đã biến tính của Hình 1b được gán cho –NH2 và liên kết oxy silicon, cho thấy rằng CaCO3 đã được biến tính bởi KH550.
Dải hấp thụ ở 3029 cm−1 của Hình 1c được gán cho –CH3 và các dải hấp thụ của –CH2 được tăng cường. Trong khi đó, các dải tập trung ở 623 cm−1, 1453 cm−1 và 3029 cm−1 trong Hình 1c là các đỉnh rung kéo dài của polystyrene trong SMA. Các dải xuất hiện ở 1660 cm−1 và 1570 cm−1 trong Hình 1c liên quan đến các đỉnh của liên kết amido. Tất cả những điều này chỉ ra rằng các polymer lai của CaCO3 đã biến tính và SMA đã được tổng hợp. Hai dải mạnh ở 1104 cm−1 và 800 cm−1 trong Hình 1d tương ứng với đỉnh rung bất đối xứng Si–O–Si và liên kết oxy silicon từ SiO2; hơn nữa, cường độ đỉnh khác trở nên yếu, điều này chứng tỏ rằng copolymer ghép đã được bao bọc bằng silicon dioxide.
Các đường cong TGA của polymer ghép và SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 được hiển thị trong Hình 2. Từ các đường cong của Hình 2a và b, sự giảm trọng lượng giữa 30 ºC và 200 ºC là do sự bay hơi của nước. Giai đoạn ở 200–450 ºC là do sự mất mát của SMA, và ở 450–750 ºC là do sự phân hủy của KH550. Sau 750 ºC, các vật liệu còn lại lần lượt là CaCO3 (hàm lượng tro: 20%) và CaCO3/SiO2 (hàm lượng tro: 50.93%), cho thấy rằng % trọng lượng của silicon dioxide là 30.93%. Tuy nhiên, hàm lượng SiO2 trong PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2 là 10.91%.
Hình 3 – Ảnh TEM: polymer ghép của CaCO3 và SMA (a), và SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 (b).
Ảnh TEM của copolymer ghép và YSW-1 được thể hiện trong Hình 3. SiO2 có ảnh hưởng mạnh đến hình thái của polymer ghép vì nó được lắng đọng chặt chẽ trên hạt polymer ghép theo từng hạt từ các bức ảnh.
Bảng 1 và 2 liệt kê ảnh hưởng của SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 và PSA/Ca-MMT/ CaCl2@SiO2 đến các đặc tính lưu biến và lọc trong Công thức A và B trước và sau các thử nghiệm lão hóa.
Bảng 1 – Đặc tính dung dịch khoan của PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2 và SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 trong Công thức A trước và sau các thử nghiệm lão hóa nhiệt (200 ºC)*
Bảng 2 – Đặc tính dung dịch khoan của PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2 và SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 trong Công thức B trước và sau các thử nghiệm lão hóa nhiệt (200 ºC)*
Như được thể hiện trong Bảng 1, ảnh hưởng của SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 và PSA/ Ca-MMT/CaCl2@SiO2 đến các đặc tính lưu biến là không đáng kể, nhưng ảnh hưởng đến các đặc tính lọc là đáng kể ở nhiệt độ phòng, trái ngược với Công thức A. Mức độ mất dịch của SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 gần tương đương với PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2. Ở nhiệt độ phòng, một lượng tối thiểu SiO2 được giải phóng từ PSA/Ca-MMT/ CaCl2@SiO2 và SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 trong dung dịch kiềm. Sau đó, tất cả chúng phản ứng với Ca2+ để tạo ra CaSiO3 (calcium silicate); do đó, mức độ mất dịch gần như giống nhau.
Sau các thử nghiệm lão hóa nhiệt (200 ºC), ảnh hưởng của SMA/CaCO3/CaCl2@ SiO2 đến AV, PV và YP lớn hơn PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2, nhưng mức độ mất dịch lớn hơn PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2. Ở 200 ºC, SiO2 đã được giải phóng từ bề mặt của PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2 và SMA/ CaCO3/CaCl2@SiO2. Tuy nhiên, dung dịch khoan của SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 có độ nhớt cao hơn vì có Na2SiO3 dư do có nhiều SiO2 hơn. Thêm vào đó, nó có điểm chảy thấp hơn do CaCO3 dạng tròn.
So với Công thức B, SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 và PSA/Ca-MMT/ CaCl2@SiO2 có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính lưu biến và đặc tính lọc (Bảng 2). Mức độ mất dịch của PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2 ít hơn SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 do cấu trúc mạng lưới của CMC và nhiều CaSiO3 hơn (hiệu ứng lấp đầy) được tạo ra từ PSA/Ca-MMT/CaCl2@ SiO2, nhưng độ nhớt cũng nhỏ hơn SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 vì chất này có nhiều Na2SiO3 hơn.
Sau các thử nghiệm lão hóa nhiệt (200 ºC), SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 và PSA/ Ca-MMT/CaCl2@SiO2 có tác động đáng kể đến các đặc tính lưu biến và đặc tính lọc. Mức độ mất dịch giảm đáng kể vì bột polymer ghép bên trong (hiệu ứng lấp đầy tắc nghẽn và hiệu ứng mạng lưới của chuỗi polymer dài), CaSiO3 (hiệu ứng lấp đầy) và Na2SiO3 (hiệu ứng màng) phối hợp với nhau để giảm mức độ mất dịch. Mức độ mất dịch của PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2 lớn hơn SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 do sự phân hủy của CMC. SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 có độ nhớt cao hơn vì có Na2SiO3 dư. Nó có điểm chảy thấp hơn do CaCO3 dạng hạt.
Tóm lại, các đặc tính lưu biến và đặc tính lọc của SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 vượt trội hơn trong dung dịch khoan gốc nước ngọt và dung dịch khoan gốc CMC ở 200 ºC. Ngoài ra, độ nhớt và điểm chảy của SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 trong dung dịch khoan tốt hơn PSA/Ca-MMT/ CaCl2@SiO2.
SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 trong dung dịch khoan trước và sau các thử nghiệm lão hóa nhiệt (200 ºC) được thể hiện trong Hình 4. Màng từ Na2SiO3 có thể nhìn thấy rõ ràng sau các thử nghiệm lão hóa nhiệt.
Bảng 1, Bảng 2 và Hình 4 cho thấy rằng các đặc tính lưu biến và đặc tính lọc tuyệt vời có liên quan đến bột polymer ghép bên trong (hiệu ứng lấp đầy tắc nghẽn và hiệu ứng mạng lưới của chuỗi polymer dài), CaSiO3 (hiệu ứng lấp đầy) và Na2SiO3 (hiệu ứng màng). Tất cả những điều này phối hợp với nhau để giảm mức độ mất dịch. Cơ chế hoạt động được thể hiện trong Hình 5.
Kết luận
SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 đã được tổng hợp. Ở 200 ºC, các đặc tính lọc của SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 vượt trội trong dung dịch khoan gốc nước ngọt và dung dịch khoan gốc CMC do hiệu ứng lấp đầy tắc nghẽn và hiệu ứng mạng lưới của chuỗi polymer dài của bột polymer ghép bên trong, hiệu ứng lấp đầy của CaSiO3 và hiệu ứng màng của Na2SiO3. Độ nhớt và điểm chảy của SMA/CaCO3/CaCl2@SiO2 trong dung dịch khoan tốt hơn PSA/Ca-MMT/CaCl2@SiO2 vì có nhiều Na2SiO3 được tạo ra từ SMA/ CaCO3/CaCl2@SiO2.
Tài liệu tham khảo
- Zheng, X.H.; Yang S.W. et al. Synthesis, characterization, and evaluation of a fluid loss agent for high-temperature drilling fluid. American Laboratory 2013, 45(10), 22–5.
- Prinos, J.; Tselios, C.H. et al. Properties of miscible blends of polyglutarimide with poly(styrene-co-maleic anhydride). Polym. 1997, 38, 5921–9.
- Lazzara, T.D.; Whitehead, M.A. et al. Linear nano-templates of styrene and maleic anhydride alternating copolymers. Eur. Polym. J. 2009, 45, 1883–90.
- Wang, M.T.; Zhu, X.G. et al. Surface pattern in thin poly (styrene–maleic anhydride) films. Polym. 1999, 40, 7387–96.
- Shen, W.; He, H.P. et al. Grafting of montmorillonite with different functional silanes via two different reaction systems. J. Colloid Interface Sci. 2007, 313, 268–73.
- Recommended Practice. Standard Procedure for Field Testing Drilling Fluids, 12th ed.; American Petroleum Institute: Washington, DC, 1988.
- He, W.; Liu, Z.X. et al. Analytical application of poly {methyl (3-(2-hydroxy-3,4-difluoro)phenyl) propyl siloxane} as a QCM coating for DMMP detection. Talanta 2008, 76, 698–702.
- Al-Sabagh, A.M.; Noor El-Din, M.R. et al. Styrene-maleic anhydride copolymer esters as flow improvers of waxy crude oil. J. Pet. Sci.Technol. 2009, 65, 139–46.
Xiuhua Zheng làm việc tại Phòng thí nghiệm Dung dịch Khoan, Trường Kỹ thuật và Công nghệ, Đại học Khoa học Địa chất Trung Quốc, Bắc Kinh, Trung Quốc. Shiwei Yang làm việc tại Viện Nghiên cứu Kỹ thuật Khoan, Sinopec Xinan Oilfield Service Corp., Số 699, Đường Jinshajiang West, Deyang, Tỉnh Tứ Xuyên, 618000, Trung Quốc; e-mail: [email protected]. Zhongli Lei làm việc tại Phòng thí nghiệm trọng điểm về Hóa học Bề mặt và Keo ứng dụng, Trường Hóa học & Khoa học Vật liệu, Đại học Sư phạm Thiểm Tây, Tây An, Trung Quốc.
