網(wǎng)狀聚季銨鹽對(duì)黏土膨脹性和粒徑的影響

張 潔 李麗麗 湯 穎 陳 剛 唐德堯 趙景瑞

1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 陜西 西安 710065；2.陜西延長(zhǎng)石油油田化學(xué)科技有限責(zé)任公司, 陜西 延安 717400

網(wǎng)狀聚季銨鹽對(duì)黏土膨脹性和粒徑的影響

張 潔1李麗麗1湯 穎1陳 剛1唐德堯2趙景瑞2

1.西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 陜西 西安 710065；2.陜西延長(zhǎng)石油油田化學(xué)科技有限責(zé)任公司, 陜西 延安 717400

網(wǎng)狀聚季銨鹽；水化膨脹；粒度；頁巖抵制劑

0 前言

泥頁巖的主要成分是黏土礦物,其中顆粒極細(xì)的含水鋁硅酸鹽構(gòu)成的層狀礦物——蒙脫石,結(jié)構(gòu)中層與層之間的作用力為較弱的范德華力,與水基油田工作液相互作用易吸水膨脹。泥頁巖水化膨脹和分散引起的井壁失穩(wěn)一直是鉆井工程中的技術(shù)難題[1-2]。另外,近年來嚴(yán)峻的能源形勢(shì),使頁巖氣資源在全世界受到了廣泛重視,但在頁巖氣開采過程中仍面臨頁巖氣藏滲透率超低、儲(chǔ)層保護(hù)和防止泥頁巖層變形等主要問題,因此,開發(fā)抑制性能好、對(duì)儲(chǔ)層傷害小、對(duì)環(huán)境污染小的頁巖抑制劑對(duì)頁巖氣的開采至關(guān)重要[3-4]。聚胺抑制劑是由低分子聚合物和其他化學(xué)劑聚合形成,具有陽離子特征、分子量較低及對(duì)環(huán)境污染程度低等優(yōu)點(diǎn)[5-7],在泥頁巖中能夠通過分子鏈中銨基特有的離子交換和化學(xué)吸附作用使其很好地鑲嵌在黏土層間,并使黏土層緊密結(jié)合在一起,封堵其他離子或水分子進(jìn)入,有效地防止黏土的水化分散和膨脹,同時(shí)有效地保持地層和鉆井液的穩(wěn)定性,但它的高陽離子度使其對(duì)鉆井液中其他組分產(chǎn)生絮凝作用,降低了體系的穩(wěn)定性,也限制了聚陽離子型抑制劑的配伍能力[8]。本文探究了以二甲胺和環(huán)氧氯丙烷為主劑,加入交聯(lián)劑合成的聚季銨鹽,同時(shí)與不加交聯(lián)劑合成的線性聚季銨鹽抑制劑作對(duì)比,評(píng)價(jià)其對(duì)黏土水化膨脹的作用性能,為進(jìn)一步研究新型胺類頁巖抑制劑提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

儀器：NP-01型常溫常壓膨脹率測(cè)定儀、BGRL-5滾子加熱爐、80-1離心沉淀機(jī)、GJSS.B 12 K變頻高速攪拌機(jī)、SD-6型多聯(lián)中壓濾失儀、ZNN-D6S六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、LS 13320激光衍射粒度分析儀。

1.2 聚季銨鹽的合成

在反應(yīng)釜中加入摩爾比為1∶1的二甲胺和環(huán)氧氯丙烷,以哌嗪為交聯(lián)劑,水作為溶劑,反應(yīng)4 h,制備網(wǎng)狀聚季銨鹽黏土水化膨脹抑制劑,試劑加入順序依次為二甲胺、蒸餾水、環(huán)氧氯丙烷和交聯(lián)劑。網(wǎng)狀聚季銨鹽反應(yīng)原理見圖1,聚季銨鹽的命名見表1。

圖1 網(wǎng)狀聚季銨鹽合成原理

表1 聚季銨鹽的命名

交聯(lián)劑加量/(%)合成溫度/℃命名0120DEP-1(線型)100120DEP-2(網(wǎng)狀)10090DEP-3(網(wǎng)狀)100150DEP-4(網(wǎng)狀)10025DEP-5(網(wǎng)狀)050120DEP-6(網(wǎng)狀)200120DEP-7(網(wǎng)狀)400120DEP-8(網(wǎng)狀)500120DEP-9(網(wǎng)狀)

1.3 膨潤土線性膨脹率

參照SY/T 6335-1997《鉆井液用頁巖抑制劑評(píng)價(jià)方法》,評(píng)價(jià)頁巖抑制劑對(duì)膨潤土線性膨脹率的影響,膨潤土線性膨脹率的計(jì)算公式如下[9]:

(1)

1.4 防膨?qū)嶒?yàn)

參照SY/T5971-1994《注水用黏土穩(wěn)定劑性能評(píng)價(jià)方法》,采用離心法測(cè)定合成產(chǎn)物的防膨率,通過測(cè)定膨潤土在黏土穩(wěn)定劑溶液中和水中的體積膨脹增量來評(píng)價(jià)防膨率。具體實(shí)驗(yàn)方法:將黏土穩(wěn)定劑配成溶液,稱取0.5g膨潤土,裝入10mL離心管中,加入10mL不同濃度的黏土穩(wěn)定劑溶液,充分搖勻,在室溫(25 ℃)下靜置2h,裝入離心機(jī)內(nèi),在轉(zhuǎn)速1 500r/min下離心分離15min,記錄膨潤土膨脹后的體積V1。分別用10mL水和煤油取代黏土穩(wěn)定劑溶液,測(cè)定膨潤土在水和煤油中的膨脹體積V2和V0,按式(2)計(jì)算防膨率[10]:

(2)

1.5 泥球?qū)嶒?yàn)

室溫下將鈉膨潤土與自來水按質(zhì)量比2∶1的比例混合均勻后團(tuán)成3個(gè)約10g/個(gè)的泥球,分別放入等體積不同種類的抑制劑水溶液或自來水中浸泡12h以上,觀察并記錄泥球的外觀變化[11-13]。

1.6 激光粒度測(cè)定

2 結(jié)果與討論

網(wǎng)狀聚季銨鹽合成溫度、交聯(lián)劑用量以及濃度對(duì)抑制效果均有不同程度影響[6]。實(shí)驗(yàn)以膨潤土線型膨脹率為評(píng)價(jià)指標(biāo),篩選網(wǎng)狀聚季銨鹽的最佳合成條件及最佳濃度,并對(duì)最佳條件下合成的網(wǎng)狀聚季銨鹽進(jìn)行配伍性實(shí)驗(yàn)、防膨?qū)嶒?yàn)、泥球?qū)嶒?yàn)以及激光粒度分析,對(duì)該黏土膨脹抑制劑的抑制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 網(wǎng)狀聚季銨鹽的合成與抑制性評(píng)價(jià)

2.1.1 網(wǎng)狀聚季銨鹽合成溫度篩選

圖2 抑制劑合成溫度對(duì)膨潤土膨脹率的影響

2.1.2 網(wǎng)狀聚季銨鹽中交聯(lián)劑用量篩選

圖3 交聯(lián)劑加量對(duì)膨潤土膨脹率的影響

2.1.3 網(wǎng)狀聚季銨鹽使用濃度篩選

圖4 抑制劑濃度對(duì)膨潤土膨脹率的影響

2.1.4 網(wǎng)狀聚季銨鹽及單體抑制效能比較

圖5 不同抑制劑對(duì)膨潤土線性膨脹率的影響

2.2 配伍性評(píng)價(jià)

表2 復(fù)配抑制劑對(duì)膨潤土線性膨脹率的影響

抑制劑膨脹率(90min)/(%)抑制劑膨脹率(90min)/(%)蒸餾水71861%KCl603705%DEP?1548405%DEP?7500005%DEP?1+1%KCl541505%DEP?7+1%KCl530105%DEP?1+1%KD?03456905%DEP?7+1%KD?03443305%DEP?1+1%改性淀粉488305%DEP?7+1%改性淀粉4853

2.3 防膨性能評(píng)價(jià)

表3 抑制劑濃度對(duì)防膨率的影響

防膨劑濃度/(%)防膨率/(%)防膨劑濃度/(%)防膨率/(%)DEP?1056192086438106849127397148082168493DEP?7056311086630107232128219148493168630

2.4 對(duì)泥球的防膨作用

a) 自來水

b) 0.5 DEP-1

c) 0.5 DEP-7圖6 12 h后泥球在不同抑制劑溶液中浸泡的外觀圖

2.5 對(duì)黏土粒徑的影響

研究表明在黏土水化前添加抑制劑可有效預(yù)防黏土片層結(jié)構(gòu)的分散,而對(duì)已經(jīng)水化分散的黏土漿液添加抑制劑則研究較少。本研究利用激光衍射粒度分析法測(cè)定不同作用方式下黏土的粒徑分布,評(píng)價(jià)網(wǎng)狀聚季銨鹽對(duì)黏土水化分散的影響,粒徑分布結(jié)果見圖7,平均粒徑見表4。

圖7 不同漿液中的黏土顆粒粒徑分布

表4 不同漿液中的黏土顆粒平均粒徑

膨潤土處理方式平均粒徑/μm未水化2269水化24h后838水化前+01%DEP-71935水化前+01%DEP-11873水化后+01%DEP-71975水化后+01%DEP-1969

2.6 抑制機(jī)理探討

網(wǎng)狀聚季銨鹽抑制黏土水化的作用機(jī)理主要表現(xiàn)在:束縛作用,低分子量聚銨分子在溶液中部分解離形成銨正離子,與黏土層間的無機(jī)陽離子形成化學(xué)勢(shì)差,在化學(xué)勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下,小分子聚陽離子化合物進(jìn)入黏土層間,質(zhì)子化銨離子通過離子交換作用,置換出無機(jī)水化陽離子,降低黏土顆粒的Zeta電位；同時(shí)網(wǎng)狀聚季銨鹽化合物與黏土表面硅氧烷基形成氫鍵,進(jìn)一步強(qiáng)化在黏土表面的吸附[16]。該類化合物作為黏土膨脹抑制劑與黏土的作用模型見圖8[17],部分低分子化合物可以進(jìn)入黏土層間,通過與黏土表面的靜電吸附以及氫鍵作用,將黏土片層束縛在一起,有效地抑制黏土的水化膨脹；分子量較大部分可以在黏土表面通過靜電吸附以及氫鍵作用束縛黏土片層的分散,該類網(wǎng)狀聚季銨鹽的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更有利于在黏土表面的鋪展,抑制大顆粒的分散、促進(jìn)小顆粒黏土片的聚集,這與激光粒度分析結(jié)果吻合。

圖8 聚陽離子型抑制劑與黏土作用的分子模型

3 結(jié)論

2)網(wǎng)狀聚季銨鹽與KD-03和改性淀粉復(fù)配后抑制效果較單獨(dú)使用該類抑制劑明顯增強(qiáng),且網(wǎng)狀聚季銨鹽DEP-7略優(yōu)于線型聚季銨鹽DEP-1。

3)防膨?qū)嶒?yàn)結(jié)果表明,線型聚季銨鹽DEP-1和網(wǎng)狀聚季銨鹽DEP-7防膨率隨濃度的增大而呈不同程度增大,網(wǎng)狀聚季銨鹽DEP-7略優(yōu)于線性聚季銨鹽DEP-1,泥球?qū)嶒?yàn)結(jié)果與膨潤土線性膨脹率實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

4)粒度分析表明,在黏土水化前添加網(wǎng)狀聚季銨鹽可抑制黏土片層結(jié)構(gòu)的拆散,保證黏土粒徑變化不大；而對(duì)已經(jīng)水化分散的黏土漿液添加該類聚季銨鹽可以通過絮凝作用使黏土粒度增大。

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10.3969/j.issn.1006-5539.2016.05.020

2016-01-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“環(huán)保型聚糖-木質(zhì)素鉆井液體系的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”(50874092)

張 潔(1963-),女,江西九江人,博士,教授,從事油氣田化學(xué)教學(xué)與科研工作。