钻井液用新型有机胺抑制剂的研制与性能评价

钻井液用新型有机胺抑制剂的研制与性能评价李达;张明;衣德强;薛亚斐;贾建鹏【摘要】Inrecentyears,organicaminebasedrillingfluidsystemhasbeenpaidconcernintheforeign.Thekeytechnologyoforganicaminewaterbaseddrillingfluidsistheresearchanddevelopmentinefficientamineinhibitors.AnewshaleinhibitorCYZ-5wassynthesizedbythereactionoforganicamineandepoxy,anditsperformancewasevaluatedusingexpansibility,flocculability,viscosityincreaseandcoresoakingtest,etc.ItisshownthatCYZ-5hasgoodinhibitivecapacity.Theinhibitorcouldeffectivelyinhibitthedispersionofcoreandcuttingsandhadalastingstronginhibition,soperformsgoodatpreventingcaving.%近年来，有机胺钻井液体系在国外备受关注，有机胺优质水基钻井液技术的关键在于高效胺类抑制剂的研发.通过有机胺和环氧化物发生反应，合成出了有机胺抑制剂CYZ-5.利用膨胀性、絮凝性、黏度增加和岩心浸泡等实验，对其抑制性能进行了评价.实验结果表明，新型有机胺抑制剂CYZ-5的抑制性好，能有效抑制黏土造浆和岩心及岩屑的分散，且其抑制性持久性强，从而起到防止井壁坍塌的作用.【期刊名称】《河南科学》【年(卷)，期】2013(000)012【总页数】6页(P2203-2208)【关键词】钻井液添加剂;有机胺;抑制剂;性能评价【作者】李达;张明;衣德强;薛亚斐;贾建鹏【作者单位】长庆油田公司苏里格研究中心，西安710021；西安石油大学石油工程学院，西安710065;长庆油田公司苏里格研究中心，西安710021;长庆油田公司苏里格研究中心，西安710021;长庆油田公司苏里格研究中心，西安710021【正文语种】中文【中图分类】TE992.2钻井过程中，泥页岩水化将产生膨胀应力，降低泥页岩内部的交联作用，从而减弱泥页岩的机械强度，导致井壁失稳，甚至井眼因坍塌而报废.为确保井壁稳定，有效避免泥页岩的水化膨胀，对于石油天然气勘探开发工作来说是一个长期的挑战[1-4].解决黏土水化膨胀的常见方法是使用无机盐抑制剂或者使用有机黏土抑制剂，然而钻井液的抗盐能力、分散造壁性与抑制性常常顾此失彼.在现有的泥页岩抑制剂中，有机胺防塌抑制剂在国夕卜应用比较成熟，但国内现场应用较少[5-7].本文研制出一种综合性能良好的有机胺抑制剂，并对其性能进行了评价.1胺基抑制剂的特点及作用机理传统钻井液的分散造壁性依赖于优质造浆土的分散程度，为提高分散性，常加入阴离子型处理剂，如典型的分散剂铁铬木质素磺酸盐、丹宁和褐煤等，阴离子型分散剂在维持黏土分散性的同时不可避免地促进了钻屑和地层中黏土矿物的分散，使钻井液的抑制性受到削弱；为强化钻井液的抑制性，减少钻屑和地层黏土矿物的分散，又需要加入阳离子型处理剂，如有机或无机阳离子聚合物（铝络合物或羟基铝等）或带正电荷的纳米粒子或油滴（MMH正电胶、阳离子乳化沥青等），这又在一定程度上损害了钻井液的分散造壁性.因此，传统钻井液体系中的分散造壁性与抑制性难以相互兼顾，往往顾此失彼.胺基抑制剂是通过基团分析及多途径设计、合成制备而成的，充分考虑了有机胺有用的游离胺基团分布特征，有效保证了有机胺化合物的强抑制性，主要用于水基钻井液，能有效地防止黏土的水化膨胀，稳定井壁，保护油气层；有一定的防止钻具腐蚀功能.胺基抑制剂与水作用，产生碱性的同时，有机胺自身解离为一类具有能与黏土负电性颗粒吸附性能的阳离子化合物，抑制黏土的水化分散.有机胺具有高浓度的胺基基团密度，保证有机游离胺良好的吸附性能和抑制效果.有机胺的弱碱性及弱离解性能使得有机胺作用浓度一直处于平衡状态，胺的总浓度中处于活跃状态的离解胺浓度并不大，但其能长效保持浓度平衡，持续与在地层孔隙表面的黏土中最活跃易于水化的基团作用，吸附覆盖在表面，进一步的防止受到水化膨胀因素的影响.有机胺的抑制作用具有长效性，抗冲刷能力强，保证钻井作业结束后也具有长时间的地层抑制效果.胺基抑制剂的作用机理和作用程度都不同于聚季铵盐类化合物，不会出现象季铵盐类氨基抑制剂引起的钻井液性能突变、甚至絮凝现象.胺基抑制剂具有较高的胺基浓度和较高的酸中和当量浓度，能吸附在钻具表面，防止钻具的腐蚀；同时能中和地层酸性气体，且具有较好的缓冲容量，有利于保证钻井液的性能稳定.2有机胺抑制剂的研制2.1主要仪器设备①聚合反应釜：3m3或更大，包括充氮装置、搅拌器、控温装置（0~200。0、冷却装置等；②老化釜：3m3或更大；③原料储罐:20~30m3;④计量泵.2.2主要原料及加量①环氧乙烷：50~80kg；②环氧丙烷:50~100kg:③有机胺:30-55kg；④起始剂:10-15kg；⑤催化剂:1-3kg；⑥水:10~20kg.2.3工艺流程在反应釜中加入起始剂，于搅拌下滴加催化剂和有机胺，然后加入定量的水，充氮置换2-3次；加热，搅拌，升温至80度后，滴加环氧化物，控制压力小于10MPa，温度低于180OC.若反应过程中温度、压力过高，则停止加料，待温度、压力降低后在继续.滴加完毕后再反应30-40h,冷却至50C以下，得无色或浅黄色黏稠液体.3有机胺抑制剂的性能评价由于反应产物主要用作抑制剂，因此着重考察其抑制性能，并考虑其对钻井液流变性、滤失量的影响.选取不同的样品，并对其性能进行评价，5种样品编号依次为CYZ-1、CYZ-2、CYZ-3、CYZ-4、CYZ-5.3.1膨胀性实验膨胀性实验中用测定岩样线性膨胀百分数（膨胀率）或岩样吸水量来表示地层的膨胀性能.利用NP-01型页岩膨胀实验仪评价合成样品对黏土的水化膨胀的抑制性能.表1为膨润土（潍坊）在水中的膨胀性实验，并对5个合成样品在0.05%,0.1%,0.25%,0.5%,1%各加量下膨润土（潍坊）的抑制性能进行了评价，实验结果见图1.由以上实验数据表明，在加量相同的情况下，岩心在加入CYZ-5的测试液浸泡下的膨胀率最小，说明CYZ-5的抑制性最好.另外，对比加量为1%时的膨胀率数值可见，CYZ-3和CYZ-4的膨胀率也比较低，都小于纯水中的膨胀率.表1膨胀实验结果表Tab.1Expansiontestresults试剂Lt/8h（mm）H/mmVt/8h（%）水3.4113.1325.97图1膨胀实验结果Fig.1Expansiontestresults3.2絮凝实验采用絮凝实验评价了合成样品的抑制性，实验中量筒中的絮凝物界面的高度越低，说明处理剂的抑制作用越明显.由图2可以看出，静置24h后，合成样品CYZ-1在加量很小的情况下（8#量筒）就能产生很强的絮凝效果，随着加量的增大絮凝效果逐渐加强.CYZ-1加量为1%时，絮凝物的高度约为11,约为7%氯化钾溶液中絮凝物高度的两倍.由图3可见，合成样品CYZ-2的絮凝效果随加量的增加变化幅度不是很大，这与其在膨胀性实验中表现出来的趋势比较相近，说明CYZ-2对黏土有一定的抑制水化分散的效果.由图4可见，CYZ-3的絮凝效果比较好，随着加量的增加，絮凝物高度逐渐降低，说明抑制黏土水化分散的能力在逐渐增强.由图5可见，溶液中黏土的絮凝物高度随着CYZ-4的加量增加表现出先增大后减小的趋势，CYZ-4对黏土水化分散的抑制作用在加量为1%时效果最好.由图6可见，CYZ-5对黏土水化分散的抑制作用不是很好，但肉眼仔细观察，每个量筒底部都有一定高度的絮凝物，但是絮凝物的界面不是十分明显.图2CYZ-1絮凝实验结果Fig.2FlocculationtestresultsofCYZ-12号:水；3号:7%KCl；4号:1%CYZ-1；5号:0.5%CYZ-16号:0.25%CYZ-1；7号:0.1%CYZ-；8号:0.05%CYZ-1图3CYZ-2絮凝实验结果Fig.3FlocculationtestresultsofCYZ-24号:1%CYZ-；5号:0.5%CYZ-2；6号:0.25%CYZ-27号:0.1%CYZ-2；8号:0.05%CYZ-2图4CYZ-3絮凝实验结果Fig.4FlocculationtestresultsofCYZ-34号:1%CYZ-；5号:0.5%CYZ-3；6号:0.25%CYZ-3；7号:0.1%CYZ-3；8号:0.05%CYZ-3图5CYZ-4絮凝实验结果Fig.5FlocculationtestresultsofCYZ-44号:1%CYZ-；5号:0.5%CYZ-4；6号:0.25%CYZ-47号:0.1%CYZ-4；8号:0.05%CYZ-4图6CYZ-5絮凝实验结果Fig.6FlocculationtestresultsofCYZ-51号:1%CYZ-；2号:0.5%CYZ-5；4号:0.25%CYZ-55号:0.1%CYZ-5；6号:0.05%CYZ-5为了对合成产样品进行更好的横向对比，特在一组将5个合成样品分别取1%水溶液100mL，加入2.00g钠膨润土，3000r/min高速搅拌5min，置于100mL的量筒中，静置24h，拍照观察絮凝情况，结果如下.由图7可见，加量取1%时，CYZ-1、CYZ-2、CYZ-3、CYZ-4絮凝效果都很好，和前面实验中的7%KCl相当，CYZ-5效果稍微差，试验中，絮凝24h后肉眼仔细观察，CYZ-5膨润土浆中尽管上部浆比较浑浊，但是下部有明显絮凝，高度约为6(量筒上刻度读数)，絮凝效果比较好.图7絮凝实验结果Fig.7Flocculationtestresults2号:1%CYZ-2；3号:1%CYZ-3；4号:1%CYZ-15号:1%CYZ-4；6号:1%CYZ-53.3黏度增加实验黏度增加实验是评价页岩抑制剂常用的方法.实验中将一定量的膨润土加入到含有—定页岩抑制剂的淡水中，在65°C下热滚16h后，测黏度，然后再加入另一部分膨润土，继续老化测其黏度，直到老化后膨润土浆黏度太大不能测试为止.分析表2的实验结果可见，随着膨润土加量的增加，合成的5种样品中CYZ-5膨润土浆的表观黏度增加的最慢，3r读数相比较其他4种合成样品来说较小，说明CYZ-5抑制膨润土水化分散的作用最好.表2黏度增加实验结果Tab.2Viscosityincreasetestresults12AV(mPa・s)3r读数AV(mPa-s)3r读数AV(mPa-s)3r读数AV(mPa-s)3r读数水+7%KCl0.502.522.5232水+1%CYZ-12213516969.54水+1%CYZ-221.563219804水+1%CYZ-3327439.59122.530水+1%CYZ-42253238101.53水+1%CYZ-5224.5315.5840.52实验液土的加量/%3693.4岩心浸泡实验通过肉目艮观察人工岩心在不同溶液中经过一定时间的浸泡后的完整程度，来定性研究比较不同处理剂的抑制能力.图8浸泡20min岩心状态Fig.8Thestatusofcoreaftersoaking20min由图8可见，浸泡20min后，2#(7%KCl)溶液、4#(7%Na2SiO3)溶液中岩心坍塌严重，3#(7%NaCl)溶液中岩心变粗，5#(3%CYZ-5)溶液中岩心散落较少，6#(3%CYZ-2)、7#(3%CYZ-4)、8#(3%CYZ-1)、9#(3%CYZ-3)溶液中岩心边缘翘起，其中7#(3%CYZ-4)溶液中岩心翘起现象最轻微.由图9可见，岩心浸泡40min后，2#(7%KCl)、3#(7%NaCl)、4#(7%Na2SiO3)，溶液中岩心完全坍塌，5#(3%CYZ-5)溶液中岩心散落增多，岩心变粗，6#(3%CYZ-2)、7#(3%CYZ-4)、8#(3%CYZ-1)、9#(3%CYZ-3)溶液岩心翻翘开裂，其中9#(3%CYZ-3)溶液中岩心变粗开裂最为严重.图10-13为浸泡60,80,100,120min后岩心状态.综合分析本次实验的实验现象，相同岩心及实验条件下，5#(3%CYZ-5)溶液中岩心相比较其他溶液中岩心完整性要好很多，实验合成的5种样品中，CYZ-5的抑制性相对较好.图9浸泡40min岩心状态Fig.9Thestatusofcoreaftersoaking40min图10浸泡60min岩心状态Fig.10Thestatusofcoreaftersoaking60min图11浸泡80min岩心状态Fig.11Thestatusofcoreaftersoaking80min图12浸泡100min岩心状态Fig.12Thestatusofcoreaftersoaking100min图13浸泡120min岩心状态Fig.13Thestatusofcorea