钻井液用聚合物类降滤失剂中...含量的测定——元素分析仪法_王文利.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 4 期 40 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 4 月 钻井液用聚合物类降滤失剂中 CHNS 元素含量的测定元素分析仪法 钻井液用聚合物类降滤失剂中 CHNS 元素含量的测定元素分析仪法 王文利，陈凡斌，刘卫丽，汤雨霖，徐博韬，丁 玉（中海油田服务股份有限公司油田化学研究院，北京 101149）摘 要：摘 要：采用 Varion MICRO cube elementar 元素分析仪、建立了一种便捷准确检测钻井液用聚合物降滤失剂中 CHNS 元素含量的方法。待测样以动态闪燃-色谱分离法、根据在色谱柱中不同保留时间被分离检测、经与标品分析比对达到定量分析。经过分析优化，称样质量为（20.5mg），在燃烧管 1150，还原管850，载气流量为 195 mL/min 测试结果较好。试样经自动进样器直接进样测定。加标回收率均在 98%以上，相对标准偏差（RSD）为 1.9%。本方法可用于聚合物类降滤失剂的检测，具有快速、便捷、环保、试样量少、准确度高等优点。关键词：关键词：钻井液用降滤失剂；元素分析仪法；碳氢氮硫元素 石油作为一种保障国民生产的重要资源，伴随着石油工业的快速发展，常规井勘探开发量逐年递减，开发难度和深度更高的复杂井的量逐年递增。复杂钻井过程中常常会出现地层压力和温度异常高、井壁严重不稳定等状况。近年来石油行业对油气层保护认知增强，油田行业人员为了保障井壁稳定对钻井液的降滤失性能不断提出了新要求1-3。降滤失剂作为钻井液中使用量最多的添加剂之一，近些年国内使用的钻井液降滤失剂不仅价格高、而且降失水效果不佳、抗温抗盐性能差等不足，因此开发及利用新型的多功能型降滤失剂引起了科学工作者的广泛关注4。研究表明：降滤失剂作为调节钻井液性能的重要添加剂之一5，它通过调节钻井液性能来减少滤液向钻进地层入侵、进而减少滤液对泥页岩的水化膨胀影响，从而保障井壁稳定、保证井身结构规则的效果。现用的钻井液不但要求具有传统性能，而且还要满足环境友好、保护储层并能提高钻速等多项综合功能。实践表明现用的一些添加剂已无法满足要求，因此急需研发新的钻井液处理剂以适应钻井技术的发展6-7。元素分析作为一种重要的分析测试方法在化工、煤炭、医药、材料、地质，农业、环境等领域应用广泛。与光谱、色谱、同位素质谱，核磁共振等分析测试手段一起，构成了有机元素分析体系。本文建立了一种便捷准确检测钻井液用聚合物降滤失剂中CHNS含量的方法。加标回收率均在98%以上，相对标准偏差（RSD）为1.9%。1 实验部分 1 实验部分 1.1 实验仪器 德国生产 VarionMICRO cube elementar 元素分析仪一套，设备配有电脑控制系统和自动数据处理系统，带有标准型 120 孔位自动进样器。与元素分析仪直接连接微量自动感应电子天平一套；1.2 试剂 对氨基苯磺酰胺;氧化钨;刚玉球；铜颗粒；德国Elementar 公司。待测样分别来自不同厂家的聚合物类降滤失剂、气体:高纯 He 和 02（纯度大于 99.99%）。1.3 分析条件 燃烧管:1150;还原管:850;方法:2mg chem80S;载气流量为 195 mL/min；环境温度在 2025，空气相对湿度在 4575%。1.4 CHNS 标准曲线的绘制 在 1.3 优化的分析条件下，待仪器设备稳定的操作条件下,准确称取适量的对氨基苯磺酰胺按量逐渐递增的方法进行连续进样分析。分析数据由计算机自动处理并绘成曲线。对曲线进行质量考察,使之达到最佳精度,仪器的校正因子为 0.91.1 之间,校正曲线的 R 值均大于 0.9,可知具有良好的线性关系。1.5 样品前处理 为了准确测试样品中CHNS的含量，根据待测样的性质，测试样品经真空干燥恒重后再上元素分析仪测试各元素含量。2 结果与讨论 2 结果与讨论 2.1 仪器条件的优化 为提高测试准确度和分离度，在燃烧管温度为1150，还原管温度为850下，气体纯度大于99.99%条件下，分别对加氧方法、称样量、载气流量进行优化试验。从设备的工作原理可知，加入燃烧管中的 O2量的多少是影响测试结果的关键因素之一。加入 O2量不足，会使测试样燃烧不充分，导致测试测试值明显偏小；加入 O2量过多，燃烧反应中多余的 O2进入还原管与其中的 Cu 发生氧化反应，致使 Cu 消耗太快造成铜的使用寿命缩短。本文考察DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.04.074 王文利：钻井液用聚合物类降滤失剂中 CHNS 元素含量的测定元素分析仪法 41 了 2mg90s、2mgChem80s、2mgChem70s 的加 O2量，测试结果表明：2mg chem80S 的测试条件下，测试结果最好。测试分析可知，称取测试样品量的多少对测试结果准确度影响较大。有机元素分析仪使用的 IR 检测器和 TCD 检测器都有检出限，并有测试结果信号溢出的现象。如称取测试样品的量太少，则会引起测试数据结果的波动；如称取测试样品的量太多会造成：一是不能使测试样品充分燃烧，造成测试结果偏小；二是会使显示信号过饱，不能获得准确结果。我们采用这些方法减少称取测试样品量对测试数据的影响：一是称样量固定在 20.5mg；二是利用测试不同称样量的标品来扩大质量的范围建立标准校准曲线，保证测试样品量在校准曲线范围内。提升了测试方法的准确度和实用性。载气流量对测定结果的主要影响是在测试过程中，载气流量的大小会直接影响到燃烧过程生成的小分子气体 SO2、CO2、H2O 等的吸附多少，我们分别考察了载气流量从 185、195、205ml/min 时，对标准样品中 CHNS 含量的影响，从测得的数据分析可知，在 195ml/min 载气流量下测定结果值最大，与标品理论值一致。为了保证待测试样品各个组分完全吸附，我们选用 195ml/min 的流量进行测试试验。2.2 精密度 按照优化后 1.3 的测试方法进行 6 次平行测试待测样品，精密度测试结果如下表 1 所示：表 1 样品聚合物类降滤失剂 A 中氮（N）元素精密度测试（n=6）表 1 样品聚合物类降滤失剂 A 中氮（N）元素精密度测试（n=6）测试样品 氮元素（N）含量（%）平均值（%）RSD（%）聚合物类 降滤失剂 A 4.06,3.89 4.01,3.97 3.94,4.02 3.98 1.90 以上精密度测试结果表明，聚合物类降滤失剂 A 中 N元素的（RSD）相对标准偏差为 1.9%，证明本测试方法的精密度较高。2.3 加标回收率 表 2 样品聚合物类降滤失剂 A 中 C、H、N、S 元素加标回收率测试结果 表 2 样品聚合物类降滤失剂 A 中 C、H、N、S 元素加标回收率测试结果 元素 样品量（%）加标量（%）测得量（%）回收率（%）C H N S 73.95 73.95 73.95 10.22 10.22 10.22 3.98 3.98 3.98 1.38 1.38 1.38.2.00 6.00 9.00 1.00 2.00 3.00 1.00 2.00 3.00 1.00 2.00 3.00 75.94 79.99 82.93 11.23 12.18 13.19 4.96 5.99 7.01 2.36 3.35 4.40 99.5 100.7 99.78 101 98 99 98 100.5 103 98 98.5 100.7 为验证本方法的重现性，对样品聚合物类降滤失剂 A中 C、H、N、S 元素进行加标回收率测定，结果见表 2 所示，C、H、N，S 各元素的回收率都在 98%以上，表明本测试方法重现性较好，满足实验要求。2.4 样品测定结果 为研究钻井液用聚合物类降滤失剂中 C、H、N，S 元素的含量，对 2 种分别来自不同生产厂家的聚合物类降滤失剂样品采用元素分析仪进行检测，检测结果如表 3 所示。表 3 聚合物类降滤失剂样品中 C、H、N、S 元素检测结果 表 3 聚合物类降滤失剂样品中 C、H、N、S 元素检测结果 样品名称 C(%)H(%)N(%)S(%)聚合物类降滤失剂 A 73.95 10.22 3.98 1.38 聚合物类降滤失剂 B 80.84 11.79 4.78 1.22 42 王文利：钻井液用聚合物类降滤失剂中 CHNS 元素含量的测定元素分析仪法 3 结 语 3 结 语 本文建立了一种用 Varion MICRO cube elementar 有机元素分析仪同时测定钻井液用聚合物类降滤失剂中 C、H、N，S 元素含量的方法。本方法具有直接进行样品称重检测，所需测试样品量少、操作便捷、准确度高，检测结果准确可靠等优点。参考文献 参考文献 1 Meghan Riley,Steve Young,Guido De Stefano.Wellbore stability in unconventional shaleThe design of a nano-particle fluidJ.SPE 153729,2012,5(2):53-57.2 Subodh Singh,Ramadan.Vital role of nanopolymers in drilling and stimulations fluids applicationsJ.SPE 130413,2010,12(5):21-25.3 Jayanth T srivatsa,Malgorzata B Ziaja.An experimental investigation on use of nanoparticles as fluid loss additives in a surfactant-polymer based drilling fluidJ.IPTC 14952,2012,25(4):15-19.4 王德龙,汪建明,宋自家,等.无机硅改性羧甲基淀粉钠降滤失剂的研制及其性能J.石油化工,2010,39(4):440-443.5 樊泽霞,王兰兰,孙明波,等.具有抑制性的抗温耐盐改性腈纶钻井液降滤失剂 KWY 的研制J.油田化学,2005,22(1):10-12.6 杨振杰,王中华,易明新.钻井液与完井液研究文集M.北京:石油工业出版社,1997:89.7 袁志平,黄志宇,张太亮.钻井液降失水剂的合成研究J.石油与天然气化工,2008,37(4):340-344.8 龚迎莉,侯栋才.EA-3000 元素分析仪应用技术探讨J.分析仪器,2016(1):83-85.9 王晓清,刘先凯.应用元素分析仪测定铅锌矿中的高含量硫J.世界有色金属,2018(22):145-146.10 邓先钦,潘莹,周牮侃,等.元素分析仪测定绝缘纸中的氮含量J.理化检验(化学分册),2018,54(12):1473-1475.11 龚婉莉.采用元素分析仪测定煤中碳氢氮含量的应用研究J.煤质技术,2018(01):38-41+49.（上接第 39 页）_（上接第 39 页）_ 3.5 确认试验机理模型 在控制四氯化硅氢化催化合成三氯氢硅试验过程期间，试验人员不但要有效掌控具体的试验过程数据、各项分子结构，还要对试验机理模型进行精准确认。具体来看，针对四氯化硅氢化催化合成三氯氢硅试验机理中的应用过程而言，首先，要主动借助能量较高的氯化晶体来吸附四氯化硅内对应的氯原子，在完成氯原子的吸附后，逐渐拉长硅氯键，并适时断裂四氯化硅分子内的硅氯键，使之形成合适的三氯硅状的自由基。其次，试验人员还要将三氯硅中自由基内的氢分子进行恰当夺取，并将对应氢原子转换为游离状的氢原子与三氯氢硅。再次，还要让已完成氯化钡吸附的氯原子与游离态氢原子进行化学反应，在该项反应的影响下，该类分子结构已全面转化为氯化氢分子。最后，在完成氯化氢分子的转化后，试验人员要将该项分子的表面进行氯化钡脱附，透过对该项分子开展的化学反应，适时完成其与四氯化硅的分子吸附工作，有效提升分子吸附效果。在完成四氯化硅氢化催化合成三氯氢硅的反应试验后，试验人员应适时确认该分子反应机理，在各项分子化合反应的作用下，提升多晶硅材料的应用安全。4 总 结 4 总 结 总之，在应用第一性的原理进行四氯化硅转化实验时，能够将四氯化硅的转化过程完全模拟出来，对我们进一步探索相关转化的机理有重要的意义，对于我国的多晶硅生产技术的优化也有积极影响。参考文献 参考文献 1 许正清,王金宝.树脂除碳技术在超纯三氯氢硅提纯工艺中的应用J.化工管理,2022(03):67-69.2 杨伟强,丁彦丽,沈峰.不同催化剂对四氯化硅加氢制备三氯氢硅的影响J.中国氯碱,2021(12):19-22.3 李爱民,郭树虎,袁振军,等.四氯化硅综合利用现状及发展趋势J.有色冶金节能,2021,37(06):64-67.4 王虎虎,彭文才,张建树,等.四氯化硅氢化关键反应的密度泛函理论模拟研究J.石河子大学学报(自然科学版),2021,39(05):537-540.