毕业设计（论文）-泥页岩抑制剂LFW-1的室内研究.doc

毕业设计毕业设计(论文论文) 论文题目：论文题目： 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 题目类型：题目类型： 毕业论文 院院 （系）：（系）： 化学与环境工程学院 学生姓名学生姓名： 专业班级：专业班级： 应化 11102 指导教师：指导教师： 辅导教师：辅导教师： 时时 间：间： 2015 年 1 月至 2015 年 6 月 目录 目录 毕业设计(论文)任务书 开题报告 指导老师审查意见 评阅教师审查意见 答辩会议记录 中文摘要 英文摘要 1 前言前言1 2 选题背景选题背景1 2.1 课题来源1 2.2 泥页岩抑制剂 LFW-1 研究的目的和意义1 2.3 国内外聚胺抑制剂的研究进展与动态2 2.4 主要研究内容、需要重点研究的关键问题及解决思路4 3 实验部分实验部分4 3.1 样品的合成及优选4 3.2 样品的性能评价方法5 4 实验结果分析实验结果分析9 4.1 样品的合成9 4.2 样品的初步筛选9 4.3 样品的进一步优选11 4.4 LFW-1 的性能评价11 4.5 LFW-1 的红外光谱分析16 4.6 LFW-1 抑制机理分析 17 5 结论与建议结论与建议1818 6 参考文献参考文献18 7 致谢致谢20 前言 第 1 页（共 20 页） 泥页岩抑制剂泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究的室内研究 1 前言前言 水基钻井液钻遇页岩地层时，滤液渗滤到地层和井筒周围的泥页岩中就会导致 泥页岩水化膨胀、井壁失稳、钻吧 头泥包和井眼净化等问题，严重时导致整口井报 废。为了解决这些问题，现场一般采用油基钻井液来钻泥页岩地层，尤其是近几年 页岩气开发时几乎全部采用油基钻井液。由于油基钻井液对环境污染很严重，其应 用受到严格控制，因此，近几年国外几大石油公司（如哈里伯顿、贝肯休斯、壳牌 等）积极开发强抑制性水基钻井液的研究，取得很好的效果1。强抑制性钻井液体 系中引入了一种聚胺抑制剂，该剂能抑制泥页岩水化膨胀及分散，防止井壁失稳， 同时具有防止钻头泥包的作用。2012 年 3 月，哈里伯顿在四川泸州地区用聚胺钻井 液成功地打了 2 口页岩气井，既解决了环境污染问题，钻井液也可以重复利用，只 是价格昂贵，每方成本与油基钻井液相当，其中聚胺抑制剂的单价每吨 8 万元。为 了降低钻井液成本，中石化、中石油组织各大研究院及石油院校先后开展了该类处 理剂的研究。中石化南京研究院研究出的 NH-1 产品于 2012 年 6 月开始在江汉、中 原等油田应用，表现出良好的抑制性，不足之处是对钻井液流变性及滤失量有不良 影响，价格也偏高达到每吨 5 万。本论文在收集大量聚胺抑制剂研究与应用的资料 基础上，选择具有抑制性功能的单体合成一系列抑制剂样品，采用常规评价聚胺抑 制剂的方法评价优选样品，以期研究出抑制性好，价格合适，且对钻井液流变性、 滤失量影响小的泥页岩抑制剂。 2 选题背景选题背景 2.1 课题来源课题来源 课题类型：毕业论文。 课题来源：生产实际。 2.2 泥页岩抑制剂泥页岩抑制剂 LFW-1 研究的目的及意义研究的目的及意义 钻井液抑制剂是油气钻井过程中使用量最大、研究最多的处理剂之一。随着钻 探技术的不断发展，目前的钻井作业越来越多地转向更深的地下、海上等复杂储层。 前言 第 1 页（共 20 页） 在钻井过程中遇到页岩地层时，其水化膨胀、分散导致的井壁失稳、钻头泥包和井 眼净 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 2 页（共 20 页） 化等一系列问题，增加了钻进难度，给钻井液处理剂、特别是抑制剂提出了更高的 要求。钻井中的泥页岩井壁稳定性问题是影响钻井技术发展的重大问题之一，而泥 页岩水化则是影响井壁稳定性的关键性因素。现阶段使用的钻井液抑制剂大都能满 足解决钻井过程中页岩的水化膨胀分散问题的要求。如油基钻井液具有抑制性强、 润滑性好等解决井壁稳定诸多优良性能，但其成本高，环境污染严重。近几年，国 家对环境污染问题的重视，尤其是十三五规划以来，更加体现对钻井液技术的改进 提上了日程。 水基钻井液，如高性能水基钻井液(HPWBM)2，又称胺基钻井液(Amine based mud)是目前发展比较好的，聚胺类页岩抑制剂是胺基钻井液的重要组分之一，在抑 制泥页岩水化膨胀、分散所导致的井壁失稳、钻头泥包和井眼净化等问题方面起着 关键性的作用。但由于聚胺抑制剂有分子量大以及胺基形成的阳离子导致增粘、增 滤失性，不利于钻井液的流变性，和阳离子造成的双电层结构压缩粘土颗粒所吸附 的水化膜使得自由水增加，这导致泥页岩水化膨胀、强度下降、孔隙压力增加等变 化，容易造成井壁坍塌。所以研究高性能的聚胺抑制剂，达到不增粘，不降低滤失 作用，保证钻井液流变性能的页岩抑制剂成为目前发展的趋势。 为了解决这一难题，本实验对聚胺抑制剂进行了研究，力图通过复配优选出几 种聚胺抑制剂，对比评价它们的抑制效果，从而优选出高效的聚胺抑制剂。 2.3 国内外聚胺抑制剂的研究进展与动态国内外聚胺抑制剂的研究进展与动态 2.3.1 国内现状与研究方向国内现状与研究方向 一般页岩地层很容易坍塌，坍塌程度由泥岩含量及其致密度控制，并且由于可 能含有诸如蒙脱石等水敏性岩石，导致遇水发生膨胀，钻井过程极易引起井壁失稳。 目前，国内外对于页岩抑制剂已经做了大量的研究和开发。从最早的清水自然 造浆开始，陆续出现了各种无机盐抑制剂，然后硅酸盐处理剂开始投入使用，并受 到了比较好的效果。随着现代设备的高速发展以及抑制理论和防塌机理的越来越成 熟，又陆续出现了很多新型的抑制处理剂，例如沥青类的抑制剂、聚合醇类的抑制 剂、聚合铝类、聚胺类、烷基葡萄苷类等，以及各类处理剂之间的复配技术，特别 是与无机盐处理剂的复配使用，也得到了很好的发展与应用。页岩抑制、环境保护 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 2 页（共 20 页） 一直是钻井液性能研究的重要课题。长江大学化工院的聚有机硅胺抑制剂 LFA-1， 中石化南京研究院研究出的 NH-1 产品，聚胺抑制剂 UHIB-长江大学的王昌军、许 明标和中海油田服 选题背景 第 3 页（共 20 页） 务股份有限公司的苗海龙等合作开发等聚胺抑制剂在油田中均有广泛的适用性。 2.3.2 国外的发展国外的发展 然而高成本和环境保护问题限制了其应用，国外许多公司都在研究高性能水基 钻井液体系来替代油基钻井液。含胺优质水基钻井液是近年来提出的符合现代钻井 要求的高性能水基钻井液，如贝克休斯研发的体系，这种水基钻井液具备油基钻井 液优异的抑制性和润滑性，钻井作业产钻屑可直接排放入海，完钻后钻井液可回收 再使用，大大降低了钻井成本。 当前，美国贝克体斯、MISWACO、哈里伯顿、亨迈斯石化，加拿大 INNOVATIVE 化工等公司均己开发研制了系列聚胺类抑制剂，配制的高性能水基钻 井液己在美国、巴林、墨西哥湾、英国北海、利比亚、澳大利亚、土耳其黑海、亚 洲东南部和沙特阿拉伯等地区进行现场试验，均取得了良好的效果34。 贝克体斯公司开发的以聚胺为页岩抑制剂的高性能水基钻井液己被广泛应用于 各种钻井，如陆上钻井、大陆架钻井、海上深水钻井等，己分别在美国墨西哥湾、 阿拉伯海湾、巴林陆上油田进行了现场试验。该钻井液可有效稳定页岩，提高岩屑 整体性和机械钻速，减小阻力，且利于环保。目前，国外 NALCO 公司又将推出最 新的产品 FCC201 新型水基聚胺抑制剂，在各项性能测定中均表现优异，且该抑制 剂浓度稀、含胺量少。 2.3.3 泥页岩层抑制剂的发展方向与趋势泥页岩层抑制剂的发展方向与趋势 随着油气勘探领域的发展，深井、超深井、海洋井及复杂地段井的出现，在钻 探过程中遇到泥页岩地层时，泥页岩的水化膨胀、分散将导致井壁失稳、钻头泥包 和井眼净化等一系列问题，增加了钻井难度，并对钻井液体系特别是页岩抑制剂提 出了更高的要求。常用的页岩抑制剂主要有聚合物类无机盐类、沥青类和腐植酸类 等，这些页岩制剂均各自存在一些不足，如沥青类不利于保护环境，硅酸盐会使体 系流变性难以调控，糖昔类、聚乙二醇类不能解决活性泥页岩的钻井问题。近年来， 高性能水基钻井液(HPWBM)，又称胺基钻井液(Amine based mud)在国外应用较广。 相比传统的油基钻井液，胺基钻井液因其具有环保、成本低、性能良好等特性成为 世界各国石油研究者关注的热点。聚胺类页岩抑制剂是胺基钻井液的重要组分之一， 在抑制泥页岩水化膨胀、分散所导致的井壁失稳、钻头泥包和井眼净化等问题方面 选题背景 第 3 页（共 20 页） 起着关键性的作 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 4 页（共 20 页） 用。 以低分子聚胺为代表的高性能水基钻井液,是近年来发展起来的一种可替代油基 钻井液的新型水基钻井液,是阳离子钻井液的新发展5。胺类抑制剂的发展历程是不 断提高其抑制性和环保性的过程。可以看出,低分子阳离子化胺类因其抑制性强、生 物毒性低、与其他处理剂配伍性好等优点,优于一价阳离子胺类和聚合物季胺类,具有 广阔的应用前景。今后应从页岩抑制机理出发,优化设计胺类及其衍生物的分子结构, 提高其抗温性,进一步加强其抑制性,降低毒性,同时考虑与其他处理剂的配伍性,发展 形成”绿色”环保钻井液体系,性能上接近油基钻井液。国内对于胺类抑制剂的研究起 步较晚,应大力研究开发出抑制性能更强的胺类抑制剂,并建立相应的试验评价手段, 实现高性能水基钻井液的深入研究及推广应用6。 2.4 主要研究内容、需要重点研究的关键问题及解决思路主要研究内容、需要重点研究的关键问题及解决思路 1.主要研究内容：设计聚胺页岩抑制剂的合成及性能测定的合理方案，筛选出最佳 的钻井液页岩抑制剂。 2.研究的关键问题：钻井现场使用的聚胺抑制剂由于分子量以及阳离子度过大等原 因出现了钻井液的流变性受到影响，增大了钻井液的粘度和滤失量。确保钻井液的 流变性能不受影响，解决聚胺抑制剂的增粘，增滤失性的缺点，寻找出最佳防塌页 岩抑制剂78。 3.解决思路：查阅文献，确定聚胺抑制剂的评价试验的实验标准，筛选出分子量和 阳离子数量在合理范围内聚胺抑制剂，筛选出最佳产品的最佳性能。 4.性能评价：线性膨胀率，体积膨胀率，表观粘度率，钻屑滚动回收率，API 滤失量。 3 实验部分实验部分 3.1 样品的合成及优选样品的合成及优选 3.1.1主要原料及仪器主要原料及仪器 主要原料为工业级 LFMC、LFZM、LFBA、LFCA、YF-1 及 YF-2 等多烯多胺， 小阳离子单体，小分子有机胺。 主要仪器为离心机、TL-25 高温高压泥页岩膨胀性测定仪、ZNN-D6 六速旋转粘 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 4 页（共 20 页） 度计、API 虑失仪、GJS-B12K 高速搅拌器，GRL-1A 滚子炉，ZNS-2A 中压滤失仪， 实验部分 第 5 页（共 20 页） BS124S 精密电子天平等。 3.1.2样品合成样品合成 设计合理的合成路线，要求合成条件，如加热温度，搅拌速度，反应时间等都 应控制在合理的范围之内。在实验室内，根据聚胺分子的结构及作用机理，设计原 料样品的种类及加量。采用合理途径，合成出相应的目标产物9。 3.1.3样品抑制性评价及优选样品抑制性评价及优选 初步筛选：室内采用最直观的泡片法对合成样品的抑制性进行了初步的评价， 从中优选出几个较好的样品。泡片法：称取 5g 一级膨润土，在专用压片机上用 5MPa 压力压 5min，制成人工膨润土片。将土片浸泡在 10%的样品溶液中，观察土 片 8h 后的自由膨胀状态10。 进一步优选：室内采用常规评价聚胺抑制剂抑制性的几种方法定量评价初选出 样品的抑制性（主要有体积防膨率法，高温高压线性防膨率法，表观粘度抑制率法） 11。 3.2 样品的性能评价方法样品的性能评价方法 3.2.1 钻井液流变性的测定及流变参数的计算钻井液流变性的测定及流变参数的计算 （1）取出六速旋转粘度计，检查各转动部件， 电器及电源插头是否安全可靠，向左旋转外转筒， 取下外转筒。将内筒顺时针方向旋转并向上推与内 筒轴锥端配合。动作要轻柔，以免仪器的内筒轴变 形和损伤。向右旋转外转筒，装上外转筒,接通电源。 （2）用高搅杯取配制好的钻井液，放到搅拌机 上高速搅拌 5 分钟，迅速倒入泥浆杯内至刻线处， 立即置于托盘上，上升托盘使杯内液面达到外转筒刻线处。 （3）迅速从高速向低速进行测量，待刻度盘的读数稳定后，分别记录各速梯下 的读数。 图图 1 1 六速旋转粘度计六速旋转粘度计 实验部分 第 5 页（共 20 页） （4）测试完后，关闭电源，松开托板手轮，移开样样品杯。轻轻左旋卸下外转 筒， 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 6 页（共 20 页） 并将内筒顺时针旋转并垂直向下用力，取下内筒。 （5）清洗内、外转筒和样品杯，并擦干，将外转筒安装在仪器上，内筒单独放 置在箱内固定位置。注意，清洗内筒时应用手指堵住椎孔，以免赃物和液体进入腔 内。 用下列公式计算其流变性参数： AV=0.5600 mPas （3.2-1） PV=600-300 mPas （3.2-2） YP=0.511（2300-600）Pa （3.2-3） 式中：AV表观粘度，mPas； PV塑性粘度，mPas； YP动切力，Pa 3.2.2 高温高压泥页岩膨胀性抑制实验高温高压泥页岩膨胀性抑制实验 （1）关闭面板上进液阀(顺时针关)、放空 阀(顺时针关),打开氮气瓶，调节减压阀预调实 验压力为 0.7MPa,打开电源开关设置实验温度。 （2）将密封圈固定在基座上,将预先剪好 的圆形滤纸(:3.35cm )置于岩心筒底部并展平， 将岩心筒固定在基座上,将条形滤纸 (LH=7.5cm2.6cm)卷成环紧贴岩心筒壁置于 筒的下部,将压片柱置于岩心筒内，用游标卡 尺测岩心筒上端到压片柱上端的高度 h1，重 复 4 次，取平均值，取出压片柱。 （3）称取 9g 膨润土(预先于 105烘 2h), 置于岩心筒内，用压片柱轻压后置于 岩心制备机上压制人造粘土岩心。条件：压力为 12MPa；时间 5min,用游标卡尺测 岩心筒上端到压片柱上端的高度 h2，重复 4 次，取平均值12。 （4）将压片柱取出，放入“工形柱” ，完成部件组装,将位移测定仪清零，将组 装好的部件从加热套下端口旋进，用双向扳手套住部件螺帽，向右转动双向扳手， 使位移测定仪显示器的显示数据为 1.3 左右,向储液罐中倒入待测溶液 300ml，盖上 图图 1 高温高压线性膨胀仪高温高压线性膨胀仪 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 6 页（共 20 页） 储液罐盖。 实验部分 第 7 页（共 20 页） （5）检查压力表读数，若为实验压力则开启进液阀(逆时针开)，开始计时并观察 压力表是否稳定如压力快速下降说明装置漏气，应认真检查，调整好后重新开始。 （6）调节加热温度至加热套内温度为 913，每隔 0.5h 记录一次位移测定仪读 数、温度、时间，持续记录 8h 的实验数据。 （7）关闭电源及气瓶，打开放空阀，放出装置中的氮气，并用烧杯接住氮气带 出的部分水,观察压力表示读数，当读数为 0 时才能打开储液罐盖。 （8）将铁桶置于加热套下方，用双向扳手套住部件螺帽，向左旋转卸下组件， 并以湿毛巾盖在组件上端，用手提起部件，置于实验台上，取出岩心筒。取出岩心 筒人造粘土岩心，观察岩心是否全部润湿。用水清洗所用装置各部件。 计算公式： 膨胀率=H1/H0100% （3.2-5） 防膨率=(H1-H2)/H1100% （3.2-6） H1：线性膨胀土在清水浸泡下的膨胀高度 ，mm H0:压片厚度 H2: 线性膨胀土在样品溶液浸泡下的膨胀高度 ，mm 3.2.3 热滚回收率的测定热滚回收率的测定 （1）取 10g 经过处理的岩屑颗粒，精确到 0.001g，装入盛有 350mL 抑制剂溶 液的高温罐中，在 1203下恒温滚动 4h，取出冷却至室温。 （2）将高温罐中的液体和岩屑倒入 40 目的分样筛上，在水槽中漂洗 1min，将 筛余物倾倒至培养皿中。 （3）然后再将培养皿放入 1053的恒温鼓风干燥箱中烘干 4h 取出，在干燥 器中冷却后称重，精确到 0.001g。 R=m/m0100% （3.2-7） R回收率，%； m热滚后所得岩屑的质量，g； m0热滚前所称岩屑的质量，g。 3.2.4 钻井液钻井液 API 滤失量的测定滤失量的测定 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 8 页（共 20 页） （1）取出泥浆杯组件，要确保泥浆杯各部件，尤 其是滤网清洁干燥，也要确保密封圈未变形或损坏。 用手堵住钻井液杯输气接头小孔处，注入一定量的聚 合物钻井液至杯内刻线处。依次放入密封圈，滤纸， 杯盖，压紧丝杠，拧紧压紧旋钮。组装钻井液组件。 （2）检查放气阀体内的密封圈是否完好。将注入 钻井液并安装完后的钻井液杯倒置，输气接头端向上 装入放气阀体内使其旋转 90，确保安装到位。 （3）将干燥的量筒放在排出管下面的底座处，对 准钻井液杯滤水口用来接收滤液13。 （4）打开气阀，顺时针方向慢慢旋转减压阀组件调压器手柄，将压力调至 0.70MPa。按进气箭头方向，推动浮动阀芯螺帽，待指针开始波动或有气流声进入 钻井液杯时启动秒表记录滤失时间。 （5）7.5 分钟后将浮动阀芯帽向回推，以毫升为单位记录滤液的体积并作为 API 滤失量。 （6）首先在确定内部压力全部被放掉的前提下，从支架上取下泥浆杯，要非常 小心地拆开泥浆杯，倒掉钻井液并取下滤纸。仪器使用完后，关闭气源，按进气箭 头方向，推动浮动阀芯螺帽，放掉系统内余气。 （7）逆时针方向旋转调压手柄，使手柄处于自由位置。擦净仪器、钻井液杯、 密封圈等清洗干净并放回原处。 （8）用 API 失水仪在 0.7MPa 的压力下测定待测试样 7.5min 的滤失量。 3.2.5 体积防膨率的测定体积防膨率的测定 （1）用干净的铁瓷盘装入适量的怀安土，放入烘箱中用 105温度加热 2h，然 后用干燥的大烧杯装入加热烘干后的怀安土，放入干燥器中冷却干燥至室温。 （2）准备好干燥且干净的移液管以及离心管。 （3）用 250mL 的容量将合成的 16 个聚胺抑制剂样品配制成 3%的溶液。 （4）用 BS124S 精密电子天平精确称量若干份 0.5g 的干燥后怀安土，然后将干 燥后的怀安土小心的倒入离心管中，分别加入 10mL 的蒸馏水、柴油以及做出的 16 个聚胺抑制剂配成的 3%的样品溶液。用小铁丝将怀安土捣散均匀，用大拇指按住离 图图 2 2 APIAPI 失水仪失水仪 图图 2 API 失水仪失水仪 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 8 页（共 20 页） 心 实验结果分析 第 9 页（共 20 页） 管口处，然后用力上下摇动 20 次，放在放离心管 的铁架上静置 2h。 （5）将静置 2h 后的样品溶液的离心管对称放 入离心机中，用 2000 转的转速离心 20min,然后读 出泥浆土在溶液中的高度/mL。 计算公式： 体积防膨率=(水样-样品)/(水样-油样) 100% （3.2-8） 如右图所示图 3 位体积防膨率的测定图 图图 3 体积防膨率的测定体积防膨率的测定 4 实验结果分析实验结果分析 4.1 样品的合成样品的合成 称取一定质量的 LFMC、LFZM 和 LFBA 或 LFCA 于 250mL 三口烧瓶 中，将三口烧瓶置于电加热套中， 一 定质量的 YF-1 及 YF-214。反应温度 控制在 3540间，当产物颜色由无 色透明逐渐变为浅黄色时，而且液体 逐渐变稠，反应即可停止，反应时间 控制在 2h 左右。按此方法共合成了 16 个样品，编号为 LFW-1LFW- 16。 如下图所示为实验合成的样品图 4 图图 4 实验合成的样品实验合成的样品 4.2 样品的初步筛选样品的初步筛选 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 10 页（共 20 页） 初步筛选：通过泡片法对水样以及合成成功的 14 个样品的土片在培养皿中放 入 8h 后观察土片的自由膨胀状态，如下图 5 可以看出图片的膨胀情况，从下图中可 以直观的看出土片保持原状态最好，则其样品的抑制性最强。 LFW-1 LFW-3 LFW-5 LFW-6 LFW-7 LFW-8 LFW-9 LFW-10 LFW-11 LFW-12 LFW-13 LFW-14 LFW-15 LFW-16 水样 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 10 页（共 20 页） 图图 5 膨润土片在膨润土片在 10%样品溶液中自由膨胀状态样品溶液中自由膨胀状态 从图 5 看出：LFW-1、LFW-3、LFW-5 和 LFW-11 样品中膨润土片自由膨胀最 小，膨润土片形态最完整，其次是 LFW-6。因此，我们初步筛选出 LFW-1、LFW- 3、LFW-5 和 LFW-6 和 LFW-11 样品进一步评价（注明：在实验合成过程中 LFW-2 和 LFW-4 实验结果分析 第 11 页（共 20 页） 两个样品合成失败） 。 4.3 样品的进一步优选样品的进一步优选 进一步筛选：室内采用常规评价聚胺抑制剂抑制性，主要有体积防膨率法，高 温高压线性防膨率法和表观粘度抑制率法对15。 实验结果见表 1 表表 1 样品抑制性评价结果样品抑制性评价结果 样品 体积防膨率 /% 高温高压线性 防膨率/% 表观粘度抑制 率/% LFW-188.969.380.1 LFW-388.961.178.2 LFW-580.255.871.2 LFW-67553.268.7 LFW-1181.357.676.4 注：测体积防膨率时样品浓度为 3%；测高温高压线性防膨率时为 10%；测表观粘度抑制率时为 3%。下同 从表 1 中可以看出：LFW-1 的体积防膨率、高温高压线性防膨率及表观粘度抑 制率均最高，抑制性最好，其次是 LFW-3，而 LFW-5、LFW-6 和 LFW-11 在体积防 膨率、高温高压线性防膨率及表观粘度抑制率均较差。因此，综合以上实验结果及 数据，我们选择 LFW-1 作为最佳样品。 4.4 LFW-1 的性能评价的性能评价 4.4.1 LFW-1 的理化性能的理化性能 室内按照常规聚胺抑制剂的理化性能指标测定了 LFW-1 的密度、凝固点、全胺 含量、游离碱等理化性能，结果见表 2。 表表 2 LFW-1 的理化性能的理化性能 理化性能外观密度/g/cm3凝固点/全胺含量/游离碱/ 读数 淡黄色 液体 1.03-512.52.25 4.4.2 加量对抑制性的影响加量对抑制性的影响 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 12 页（共 20 页） 室内采用体积防膨率法、高温高压线性防膨率法、表观粘度抑制率法评价了 LFW-1 不同加量时的抑制性。实验结果见表 3。 表表 3 LFW-1 加量对抑制性的影响加量对抑制性的影响 加量 /% 体积防膨率/%高温高压线性防 膨率/% 表观粘度抑制率 /% 177.145.166.9 388.963.980.1 592.365.783.5 793.168.380.6 1093.469.377.3 从表 3 看出：随着 LFW-1 加量的增加，体积防膨率和高温高压线性防膨率不断 增加；表观粘度抑制率先增加后略有下降，加量为 5%时抑制性趋于平衡。所以由表 中数据可以看出 LFW-1 样品的加量抑制性的影响是非线性关系。 对表 3 中 LFW-1 的加量对抑制性影响的数据作出折线图如下图 6： 图图 6 LFW-1 的加量对抑制性的影响的加量对抑制性的影响 从折线图 6 中可以看出，当 LFW-1 样品在 5%的少量加入时，LFW-1 对抑制性 的影响有明显的改变，体积防膨率、高温高压线性防膨率及表观粘度抑制率都明显 增加；但当加量超过 5%时，三种数据都增加不明显，且高温高压防膨率是略有下降。 实验结果分析 第 13 页（共 20 页） 因此，LFW-1 样品在 5%的加量时能在抑制性上达到最佳值。 4.4.3 LFW-1 高温高压膨胀性随时间的变化高温高压膨胀性随时间的变化 室内用高温高压线性膨胀仪测定 10%LFW-1 样品及蒸馏水对人造膨润土岩心的 膨胀率，实验结果见下图 7.实验条件为：压力 0.7MPa,温度 90。 图图 7 高温高压线性膨胀高温高压线性膨胀 从图 7 看出：10%LFW-1 样品中岩心高度随时间的增长上升缓慢，8h 基本达到 平衡，膨胀率为 37.6%；而蒸馏水中岩心吸水膨胀后高度上升很快，8h 膨胀率达到 108.19% 。实验结果表明，LFW-1 对泥页岩具有很好的防膨抑制性。 4.4.4 LFW-1 与同类聚胺抑制剂的对比与同类聚胺抑制剂的对比 室内用高温高压线性膨胀仪测定 10%LFW-1 样品、LFA-1、NH-1、FCC201 及 蒸馏水对人造膨润土岩心的膨胀率，实验数据作出如图 8.实验条件为：压力 0.7MPa,温度 90。 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 14 页（共 20 页） 图图 8 各种聚胺抑制剂在高温高压线性膨胀折线图各种聚胺抑制剂在高温高压线性膨胀折线图 从折线图 8 中可以看出：水样在高温高压线性膨胀率的测定中，岩心吸水膨胀 上升速度很快，8h 达到 108.19%。国外聚胺抑制剂类产品 FCC201 的膨胀高度低， 既它的高温高压线性防膨率最大，且较其它三种聚胺类抑制剂要快速达到平衡，本 研究课题中合成出的 LFW-1 在高温高压的抑制性要强于国内同类产品 NH-1 及 LFA-1。 4.4.4 LFW-1 对现场钻井液性能影响对现场钻井液性能影响 室内评价了 LFW-1、中石油南京化工院 NH-1、长江大学 LFA-1 美国 NALCO 公司的 FCC201 的抑制性对现场聚合物钻井液流变性、滤失量及钻屑滚动回收率的 影响4。实验结果见表 4。 表表 4 LFW-1 及聚胺抑制剂对钻井液性能影响及聚胺抑制剂对钻井液性能影响 钻井液AV/mPasPV/mPasYP/mPasFL/mlR/% 1292183.554.2 1+3%A3121103.368.3 1+3%B3722144.371.5 1+3%C272073.271.2 1+3%D282173.483.9 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 14 页（共 20 页） 注：1 为现场浆；A 为 LFW-1；B 为 NH-1；C 为 LFA-1；D 为 FCC201 实验结果分析 第 15 页（共 20 页） 注现场浆：3%膨润土+0.15%Na2CO3+0.3%KPAM+0.6%Lv-CMC+1%FT-388+1% K-HPAN+3%KCL+3%聚合醇+2%暂堵剂+重晶石。密度=1.32g/cm3。 从下表 4 可以看：现场浆中加入 3%LFW-1 后表观粘度（AV） 、动切力（YP） 略有增加，滤失量（FL）略下降，钻屑回收率(R)提高 14.1%；加入 3%NH-1 后表观 粘度、动切力及滤失量增加明显，钻屑回收率提高 17.3%；加入 3%LFA-1 和 3%FCC201 后表观粘度和动切力略下降，滤失量也略下降，钻屑滚收率上升 17%以 上。结果表明，LFA-1 和 FCC201 对钻井液流变性和滤失性没有负面影响，且抑制 性好；LFW-1 对钻井液流变性和滤失量影响小，抑制性较强；NH-1 抑制性好，但 对钻井液性能负面影响较大，对钻井液的滤失量和流变性影响大。 4.4.5 LFW-1 与聚胺类抑制剂抑制性对比与聚胺类抑制剂抑制性对比 室内采用体积防膨率法、高温高压线性防膨率法、表观粘度抑制率法对比评价 了 LFW-1、NH-1、LFA-1 和 FCC201 的抑制性。实验结果见表 5。 表表 5 LFW-1 与聚胺类抑制剂抑制性与聚胺类抑制剂抑制性 试样 体积防膨率/%（实验 现象） 高温高压线性 防膨率/% 表观粘 度抑制率/% LFW-188.9（少量絮凝）69.380.1 NH-184.4（很明显凝）68.171.5 LFA-186.7（少量絮凝）73.983.7 FCC20190.0（较明显凝）84.186.3 从表 5 中可以看出：FCC201 的体积防膨率、高温高压线性防膨率及表观粘度 抑制率均最高，抑制性最好，其次是 LFA-1；NH-1 的体积防膨率和表观粘度抑制率 比 LFW-1 小，但高温高压线性防膨率高。观察实验现象，发现 NH-1 对膨润土有很 明显的絮凝，对比表 4，我们也可以发现 NH-1 对聚合物钻井液有明显的增粘、增滤 失作用，说明 NH-1 分子量比其它几种抑制剂大，导致体积防膨率小、表观粘度抑 制率小，而高温高压线性防膨率和钻屑滚动回收率高。 根据表 5 对 4 种聚胺抑制剂的三种评价方法所得到的数据进行处理得到如图 9 中的条形柱状图 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 16 页（共 20 页） 图图 9 LFW-1 与聚胺类抑制剂对比评价柱状图与聚胺类抑制剂对比评价柱状图 从图 9 中的柱状图可以看出：国外的同类最新聚胺抑制剂类产品 FCC201 在各 项性能的测定中均达到最大值，也就是 FCC201 的抑制性能最强。而本课题研究合 成的聚胺类产品抑制剂 LFW-1 的抑制性能要优于 NH-1，与 LFA-1 的抑制性能相当。 4.5 LFW-1 的红外光谱分析的红外光谱分析 406. 81 480. 57 584. 07 622. 16 765. 15 898. 64 989. 91 1044. 21 1112. 80 1186. 78 1420. 51 1474. 97 1524. 82 1543. 591562. 24 1664. 09 2114. 51 2340. 11 2371. 92 2866. 72 2932. 87 3013. 49 3426. 85 3653. 22 3673. 90 3863. 82 14. 5 15. 0 15. 5 16. 0 16. 5 17. 0 17. 5 18. 0 18. 5 19. 0 19. 5 % 数 数 数 1000 2000 3000 4000 数 数 ( cm - 1) 图图 10 LFW-1 的红外光谱的红外光谱 实验结果分析 第 17 页（共 20 页） 对合成样品 LFW-1 进行红外光谱分析，结果见上图 10。 从图 10 可以看出：3425cm-1处为-NH-或-NH2吸收峰且强度很大；3013cm-1处 为NH 吸收峰；2932 cm-1处为-CH2；1474 cm-1处-CH3吸收峰；1664 cm-1、112 cm- 1处和 1044 cm-1处为 ；622 cm-1处为金属 K+。红外图谱表明该剂分子中含有强 烈的吸附基团-NH-或-NH2，强的抑制泥页岩水化分散膨胀的基团-NH-或-NH2和 K+，初步表明该剂是一种聚胺抑制剂。 4.6 LFW-1 抑制机理分析抑制机理分析 LFW-1 抑制剂通过以下 3 个方面达到抑制泥页岩水化分散膨胀的。1.胺基通过 电荷吸附在粘土颗粒表面，形成牢固的化学吸附，通过压缩双电层原理防止粘土水 化膨胀。2.K+（部分 Na+）进入粘土晶格中交换出 AL3+、Mg2+等离子直径大的金属 离子，拉近晶格之间的距离，防止自由水进入粘土晶格中引起粘土的水化膨胀；3. 由于该剂首先通过羟基和羰基在粘土粒子表面吸附，-CH2-形成疏水层，进一步提高 样品的一致性，也削弱了胺基对粘土颗粒的絮凝作用，因此该剂对钻井液的流变性 和滤失量均无明显影响，弥补了以往小阳离子、有机正电胶、聚胺等阳离子抑制剂 对钻井液流变性和滤失量影响大的不足1617。 聚胺在溶液中部分解离形成的铵基阳离子，通过静电作用中和黏土表面负电荷， 降低黏土水化斥力；同时聚胺与黏土晶层表面形成氢键强化吸附,静电引力和氢键二 者共同作用将黏土片层束缚在一起，并排挤出部分层间吸附水，减弱黏土水化18； LFW-1 吸附在黏土表面之后，增强黏土表面疏水性，阻止水分子的进入，进一步抑 制黏土水化膨胀。因此，聚胺抑制剂表现出优异的抑制性能。 泥页岩抑制剂 LFW-1 的室内研究 第 18 页（共 20 页） 5 结论与建议结论与建议 室内以小阳离子单体、丙烯基单体及小分子有机胺等为主要原料合成一系列的 聚胺类抑制剂，在合成该聚胺抑制剂时，各单体加量的对比，以及引发剂的加量对 于合成样品的分子量有很大的影响19。在评价有选中，首先通过泡片观察法对合成 的 16 的样品进行初步筛选，优选出 LFW-1、LFW-3、LFW-5、LFW-6 和 LFW-11 等 5 组样品；然后通过体积防膨率、高温高压线性防膨率及表观粘度抑制率来评价 5 组样品，并最终优选出 LFW-1；最后将样品 LFW-1 与国内外同类聚胺类抑制剂产 品 NH-1、LFA-1 和 FCC201 做抑制性能的评价对比。 实验结果表明，该样品 LFW-1 在水中的加量为 5%时，体积防膨率、高温高压 线性防膨率及表观粘度抑制率达到最高值。该剂体积防膨率高于 LFA-1 和 NH-1， 略低于 FCC201；高温高压线性防膨率高于 LFA-1 和 NH-1，略低于 FCC201；表观 粘度抑制率高于 NH-1，低于 FCC201 和 LFA-1，表现出很强的抑制性，且对钻井液 流变性和滤失量影响很小。在综合评价中，LFW-1 的各项性能都很好，比国内同类 聚胺类抑制剂产品都要优良，比国外产品 FCC201 要差，但价格便宜，适用于油田 中的广泛应用。 建议：1.进一步研究样品分子量（以及分子结构）与抑制性及对钻井液性能影 响的关系，以便合成出性能更好的样品。对于研究样品的合成，要注意反应的温度、 搅拌的速度以及引发剂的加量。2.同时，对于本次课题研究中发现，国外的同类聚 胺抑制剂 FCC201 溶液稀（既固相含量少） ，且含胺量少，但抑制性评价中的各项性 能都十分符合页岩层的开发使用。3.国内同类产品中 LFA-1 和 NH-1 在高温高压作 用下，散发出较重的氨味（说明该产品在高温高压条件下不是很稳定） 。因此综上所 述，国内方面应加强对于泥页岩层理论研究，在产品的单体选择、合成以及产品的 应用中要结合理论与实际需求。 参考文献 1 鲁娇，方向晨，王安杰，张喜文，黎元生国外聚胺类钻井液用页岩抑制剂开发J.大连理工 大学化工学院，辽宁大连 116024；2.抚顺石油化工研究院，辽宁抚顺 113001，2012,32(4):1-3. 2 鲁娇，方向晨等国外聚胺类钻井液用页岩抑制剂开发J.现代化工,2012,32(4):1-5. 结论与建议 第 19 页（共 20 页） 3 邱正松，钟汉毅，黄维安新型聚胺页岩抑制剂特性及作用机理J.石油学报,2011,32(4):1-4. 4 陈楠，张喜文，王中华，杨超，鲁娇新型聚胺抑制剂的实验室研究J.当代化工,2012,41(2): 121- 122. 5