泥頁巖抑制劑LFW-1的室內(nèi)研究

侯珊珊，羅春芝，張炳杰，吳夢潔，陳佳良

（1.長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.中國石油吐哈油田分公司丘東采油廠，新疆 鄯善 838200；3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300280）

0 引言

水基鉆井液鉆遇泥頁巖地層時，濾液滲濾到井筒周圍的地層和巖屑中，就會導(dǎo)致泥頁巖水化膨脹、井壁失穩(wěn)、鉆頭泥包和井眼凈化等問題，嚴(yán)重時導(dǎo)致整口井報廢。為了解決這些問題，現(xiàn)場一般采用油基鉆井液來鉆泥頁巖地層，尤其是近幾年頁巖氣開發(fā)時幾乎全部采用油基鉆井液。由于油基鉆井液對環(huán)境污染很嚴(yán)重，其應(yīng)用受到嚴(yán)格控制，因此，近幾年國外幾大石油公司（如 Halliburton，Baker Hughes，the Shell Group 等）積極開發(fā)強抑制性水基鉆井液，尤其是對泥頁巖抑制劑的研究，取得很好的效果[1-3]。國內(nèi)方面，中石油、中石化和中海油聯(lián)合各高校也對此類處理劑進行了大量的研究及應(yīng)用[4-7]。一般現(xiàn)有的強抑制性鉆井液體系中都引入了一種聚胺抑制劑，該劑能抑制泥頁巖水化膨脹及分散，防止井壁失穩(wěn)，具有防止鉆頭泥包的作用，但同時存在增加鉆井液黏度和濾失量的不足。

本文在調(diào)研大量聚胺抑制劑研究與應(yīng)用資料的基礎(chǔ)上，選擇具有抑制性功能的單體合成一系列抑制劑樣品，采用常規(guī)評價聚胺抑制劑的方法評價優(yōu)選樣品，以期研究出抑制性好，價格合適，且對鉆井液流變性、濾失量影響小的泥頁巖抑制劑。

1 樣品合成及優(yōu)選

1.1 主要原料及儀器

主要原料為工業(yè)級小陽離子單體、丙烯基單體、小分子有機胺及引發(fā)劑等。主要儀器為離心機、TL-25高溫高壓泥頁巖膨脹性測定儀、ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計、API濾失儀、GJS-B12K高速攪拌器等。

1.2 樣品合成

稱取一定質(zhì)量的LFMC，LFZM和LFBA（或LFCA）放入250 mL三口燒瓶中，將三口燒瓶置于電加熱套中，再加入一定質(zhì)量的YF-1及YF-2。溫度控制在35～40℃，當(dāng)產(chǎn)物顏色由無色透明逐漸變?yōu)闇\黃色，而且液體逐漸變稠時，反應(yīng)即可停止，時間控制在2 h左右。按此方法共合成了11個樣品，編號為LFW-1—LFW-11。

1.3 抑制性評價及優(yōu)選

1.3.1 初步篩選

室內(nèi)采用最直觀的泡片觀察法對樣品的抑制性進行了初步評價，從中優(yōu)選出幾個較好的樣品。首先，稱取5 g一級膨潤土，在專用壓片機上用5 MPa壓力壓10 min，制成人工膨潤土片。然后，將土片浸泡在10.0%的樣品溶液中，觀察土片8 h后的自由膨脹狀態(tài)。實驗結(jié)果見圖1，其中圖1a—1k分別為LFW-1—LFW-11，圖1l為蒸餾水。

從圖 1 可以看出：LFW-1，LFW-3，LFW-5，LFW-11樣品中的膨潤土片自由膨脹程度最小，膨潤土片形態(tài)最完整，其次是LFW-6。因此，初步篩選出LFW-1，LFW-3，LFW-5，LFW-6，LFW-11 樣品進一步評價。

1.3.2 樣品優(yōu)選

室內(nèi)采用常規(guī)評價聚胺抑制劑抑制性的方法[8]，定性評價初選樣品的抑制性，實驗結(jié)果見表1。其中，測體積防膨率和表觀黏度抑制率時樣品加量均為3.0%，測高溫高壓線性防膨率時為10.0%。

從表1可以看出：LFW-1的體積防膨率、高溫高壓線性防膨率及表觀黏度抑制率均最高，抑制性最好，其次是LFW-3。因此，選擇LFW-1為最佳樣品。

圖1 膨潤土片在10%樣品溶液中的自由膨脹狀態(tài)

表1 樣品抑制性評價結(jié)果 %

2 LFW-1性能評價

2.1 理化性能

LFW-1外觀為淡黃色液體，室內(nèi)按照常規(guī)聚胺抑制劑的理化性能指標(biāo)測定LFW-1，結(jié)果如下：密度1.03 g/cm3，凝固點-5℃，全胺濃度 12.5 mol/L，游離堿濃度22.5 mmol/L。

2.2 抑制性

室內(nèi)采用體積防膨率法、高溫高壓線性防膨率法、表觀黏度抑制率法評價了LFW-1不同加量時的抑制性。實驗結(jié)果見表2。

表2 LFW-1加量對抑制性的影響 %

從表2可以看出：隨著LFW-1加量的增加，體積防膨率和高溫高壓線性防膨率不斷增加，加量為5.0%時抑制性趨于平衡；表觀黏度抑制率先增加后下降，加量為3.0%時到達(dá)最高。

2.3 潤滑性及鉆頭泥包

室內(nèi)配制10%膨潤土漿，分別加入不同加量的LFW-1，采用極壓潤滑儀測定其潤滑系數(shù)Mf，并計算潤滑系數(shù)降低率。將模擬鉆頭置于上述試樣漿中，在200 r/min下旋轉(zhuǎn)5 min，觀察膨潤土漿和試樣漿對模擬鉆頭的泥包現(xiàn)象。實驗結(jié)果見表3。

表3 LFW-1加量對潤滑性和鉆頭泥包的影響

從表3可以看出：隨著LFW-1加量的增加，試樣漿的Mf逐漸下降，說明LFW-1具有一定的潤滑作用；而鉆頭泥包程度逐漸下降，當(dāng)加量為1.5%時，鉆頭無泥包現(xiàn)象，說明LFW-1具有很好的防鉆頭泥包作用。

3 性能對比

3.1 高溫高壓膨脹高度隨時間的變化

室內(nèi)采用高溫高壓線性膨脹儀測定LFW-1，NH-1（中石油南京化工院），F(xiàn)CC201（美國NALCO公司）抑制劑及蒸餾水對人造膨潤土巖心膨脹高度的影響，實驗結(jié)果見圖2。實驗條件為：壓力0.7 MPa，溫度90℃，樣品加量均為10.0%。

圖2 高溫高壓線性膨脹高度隨時間的變化

從圖2可以看出：FCC201樣品中，巖心膨脹高度隨時間的延長上升緩慢，3 h基本達(dá)到平衡，8 h膨脹高度為2.53 mm，防膨效果最好；LFW-1樣品中，巖心高度同樣隨時間的延長上升緩慢，8 h膨脹高度為3.92 mm，防膨效果次之；NH-1樣品中，8 h膨脹高度為5.05 mm，效果相對較差；而蒸餾水中，巖心吸水膨脹后高度上升很快，8 h膨脹率達(dá)到15.85 mm。實驗結(jié)果表明，LFW-1具有很好的抑制黏土水化分散的作用，抑制性比國內(nèi)同類產(chǎn)品好。

3.2 體積防膨率和表觀黏度抑制率

室內(nèi)采用體積防膨率法、表觀黏度抑制率法對比評價了LFW-1，NH-1和FCC201抑制劑的抑制性。實驗結(jié)果見表4，加量均為3.0%。

表4 LFW-1與其他抑制劑的抑制性對比

從表4可以看出：FCC201的體積防膨率及表觀黏度抑制率均最高，抑制性最好；其次是LFW-1。實驗發(fā)現(xiàn)，NH-1對膨潤土有很明顯的絮凝作用，說明NH-1相對分子質(zhì)量比其他2種抑制劑大，導(dǎo)致其體積防膨率小、表觀黏度抑制率小。實驗結(jié)果表明，LFW-1對泥頁巖具有很好的防膨抑制性。

3.3 抑制劑對鉆井液性能的影響

室內(nèi)評價了LFW-1，NH-1和FCC201抑制劑對現(xiàn)場聚合物鉆井液流變性、濾失量及鉆屑滾動回收率的影響[9-10]，實驗結(jié)果見表5。其中，鉆井液密度為1.32 g/cm3，配方為3%膨潤土+0.15%Na2CO3+0.3%KPAM+0.6%LV-CMC+1%FT-388+1%K-HPAN+3%KCl+3%聚合醇+2%暫堵劑+重晶石。

表5 LFW-1與其他抑制劑對鉆井液性能的影響

從表5可以看出：FCC201的鉆屑回收率最高，其次是NH-1，LFW-1略差；LFW-1和FCC201對鉆井液流變性和濾失量的影響很小，但NH-1對鉆井液流變性和濾失量的影響較大。實驗結(jié)果表明：LFW-1不影響鉆井液的流變性和濾失性，且具有良好的抑制黏土水化分散的作用。

4 LFW-1的紅外光譜

對LFW-1進行了紅外光譜分析，結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯? 426.85 cm-1處為—NH—或—NH2吸收峰，且強度很大；3 013.49 cm-1處為=NH吸收峰；2 932.87 cm-1處為—CH2；1 474.97 cm-1處為—CH3吸收峰；1 664.09，1 112.80，1 044.21 cm-1處為吸收峰。紅外光譜表明，該抑制劑分子中含有強烈的吸附及抑制泥頁巖水化分散的基團—NH—或—NH2，初步表明LFW-1是一種聚胺抑制劑。

圖3 LFW-1的紅外光譜

5 LFW-1抑制機理分析

LFW-1分子中的胺基通過電荷吸附在黏土顆粒表面，形成牢固的化學(xué)吸附，通過壓縮雙電層原理防止黏土的水化膨脹；NH4+進入黏土晶格中交換出Al3+，Mg2+等離子直徑大的金屬離子，拉近晶格之間的距離，防止自由水進入黏土晶格中引起黏土的水化膨脹。由于LFW-1首先通過羥基和羰基吸附在黏土粒子表面，—CH2—形成疏水層，進一步提高樣品抑制性，也削弱了胺基對黏土顆粒的絮凝作用，因此，該抑制劑對鉆井液的流變性和濾失量均無明顯影響，彌補了以往小陽離子、有機正電膠、聚胺等陽離子抑制劑對鉆井液流變性和濾失量影響大的不足。

6 結(jié)論

1）LFW-1在水中的加量為5.0%時，體積防膨率、高溫高壓線性防膨率及表觀黏度抑制率趨于穩(wěn)定。該抑制劑的體積防膨率和高溫高壓線性防膨率均高于NH-1，略低于FCC201；表觀黏度抑制率高于NH-1，低于FCC201，表現(xiàn)出很強的抑制性，且對鉆井液流變性和濾失量的影響很小。

2）對于黏土含量較高、水敏性較強的泥頁巖層，LFW-1的加量可以適當(dāng)有所增加；對于滲透性較大的巖層，需要配合封堵劑一起使用。

3）建議進一步研究樣品的相對分子質(zhì)量與抑制性及對鉆井液性能影響的對應(yīng)關(guān)系，以便合成出綜合性能更好的樣品，并建立一套測定鉆井液中聚胺濃度的方法，對于不同加量聚胺的配方，選用等量的濾液測定其全胺濃度，繪制成一個不同加量的聚胺濃度曲線。

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