聚合物/蒙脱土纳米复合抗磨剂合成及其润滑效应研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinr0op3
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在深层复杂储层油气勘探开发中,钻井液的润滑性是影响油气井完整性、钻进安全及效率的重要因素,而高温、高盐等复杂地质情况的增多常导致摩擦加剧、扭矩增加和润滑失效。因此,设计研发耐高温、抗盐与高效钻井液润滑体系,是复杂储层条件下安全高效稳定钻井的重要途径。本文创制三个系列不同层间微环境与表面特性的蒙脱土(MMT)中间体,设计原位聚合复合反应,形成可控剥离MMT中间体片层纳米均匀分散的复合微球抗磨剂,创制新型聚合物/蒙脱土纳米复合微球乳液润滑剂及其润滑性钻井液体系,产生耐高温、抗盐、润滑减阻特性。取得主要研究结果如下:(1)优选阴离子型MMT改性剂,设计制备一元改性MMT中间体(OMMT),研究该中间体原位乳液聚合制备聚苯乙烯/有机蒙脱土(PS/OMMT)纳米复合微球抗磨剂,混合到甲基硅油中制得纳米复合微球乳液润滑剂。研究OMMT含量调控聚合物纳米复合微球微观形貌和结构性能方法,以及纳米成核中心控制复合微球粒径减小而单分散性提高的显著效应;通过透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)分析发现剥离单片层吸附微球表面与嵌入微球内部结构,调控微球表面光滑度特性;采用热重(TGA)和差示扫描量热(DSC)技术揭示了OMMT延缓聚合物基体热分解速率、提高玻璃化转变温度的特性;经摩擦学实验建立了OMMT加量调控纳米复合微球润滑体系润滑减阻特性关系。(2)采用季鏻盐阳离子改性中间体(P-MMT),制备两种二元改性MMT中间体(P-SLS-MMT和P-KH570-MMT),通过红外光谱、TEM和TGA技术研究改性方法调控MMT微观结构和理化性能特性。设计无皂乳液原位聚合制得三种填充改性MMT的聚(苯乙烯-甲基丙烯酸)(P(S-M))纳米复合共聚微球抗磨剂乳液,针对不同类型MMT对共聚物微球表观形貌和结构性能的影响进行探究。运用X射线衍射(XRD)和TEM表征技术,发现改性MMT片层高度剥离均匀分散,形成微球全包覆或半包覆结构;通过粒径分析与SEM技术揭示了改性MMT类型调控共聚物微球粒径减小和单分散性提高以及改善表面饱满光滑度的效应;研究对比不同类型MMT提高共聚微球抗磨剂的热分解性能特性;建立了系列纳米复合共聚微球乳液与聚α烯烃(PAO)基础油抗磨减摩特性的关系,优化形成二元改性MMT纳米复合微球抗磨体系的润滑减摩特性。(3)建立改性方法与MMT结构性能的关系,制备三元改性MMT中间体,并对不同改性方法的顺序与组合对MMT层间微环境与表面特性的影响进行研究。在β-环糊精介导下通过原位无皂乳液聚合成功制备三元改性MMT填充的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米复合微球抗磨剂,建立MMT加量与纳米复合微球微观形貌和结构性能的关系。通过TGA分析发现随三元改性MMT加量的增加而纳米复合微球抗磨剂耐热性能降低的变化规律。四球摩擦磨损实验建立了聚合物/三元改性MMT微球乳液和植物油基础油混合体系的润滑抗磨减摩效应关系。(4)针对三个系列聚合物/蒙脱土纳米复合钻井液用润滑剂特点,研究润滑剂种类和加量,对钻井液基浆流变配伍性、API滤失量、密度变化以及耐温、抗盐性能的影响关系,极压润滑仪研究了不同改性MMT和加量调制纳米复合钻井液用润滑剂的优异润滑减阻及其钻井液理化特性。优化出润滑系数0.09,润滑系数降低率83%以上、耐温180-220℃、抗盐与高效润滑减阻钻井液体系,实现实际应用。本论文制备的聚合物/蒙脱土纳米复合抗磨润滑材料,为深层复杂储层油气井高温、高盐等复杂条件下安全高效钻井提供新型钻井液用润滑减阻备选材料。
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