海上油田鉆井用新型聚胺抑制劑的研制及性能評(píng)價(jià)

張冠洪

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

海上油田鉆井施工過(guò)程中對(duì)鉆井液性能的要求較高，不僅需要鉆井液體系具有良好的流變穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性能、抑制性能以及抗污染性能等，往往還需要其具備較好的耐溫抗鹽性能以及環(huán)保性能等[1-4]。特別是針對(duì)部分海上油田儲(chǔ)層段黏土礦物含量較高的情況，鉆井過(guò)程中鉆井液的侵入可能會(huì)引起黏土的水化膨脹，進(jìn)而引發(fā)井壁失穩(wěn)、井壁垮塌等井下嚴(yán)重事故，對(duì)海上油田的整體開(kāi)發(fā)造成嚴(yán)重的影響[5-8]。這就要求鉆井液體系必須具備較強(qiáng)的抑制性能，以確保鉆井過(guò)程中外來(lái)流體的侵入不會(huì)造成黏土吸水膨脹，起到穩(wěn)定井壁，提高鉆井效率的作用[9-12]。往鉆井液體系中加入性能優(yōu)良的抑制劑是最常用的方法[13-15]，因此，研究性能高效的抑制劑，以提高海上油田鉆井施工的效率，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文針對(duì)海上某油田鉆井施工過(guò)程中使用常規(guī)鉆井液易發(fā)生井壁失穩(wěn)、垮塌等事故的情況，通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以多乙烯多胺和氯乙酸鈉為合成原料，研制了一種適合海上油田鉆井用的新型聚胺抑制劑HR-2，并通過(guò)巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)和膨潤(rùn)土線性膨脹實(shí)驗(yàn)對(duì)其抑制性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為保障海上油田高效穩(wěn)定鉆井施工提供一定的技術(shù)支持和參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)材料：多乙烯多胺，工業(yè)品，山東國(guó)化化學(xué)有限公司；氯乙酸鈉，工業(yè)品，濟(jì)南元素化工有限公司；氫氧化鈉、氯化鈉、無(wú)水乙醇、氯化鉀、濃鹽酸，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司；鈉膨潤(rùn)土，泗水縣恒建膨潤(rùn)土有限公司；巖屑，取自目標(biāo)海上油田儲(chǔ)層段。

實(shí)驗(yàn)儀器：NP-2A 常溫智能線性膨脹儀（肯側(cè)儀器（上海）有限公司）；黏土壓片裝置（青島同春實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；壓力機(jī)（蘇州慶豐儀表廠）；恒溫水浴鍋（北京三二八科學(xué)儀器有限公司）；101-1B 高溫干燥箱（上海秋佐科學(xué)儀器有限公司）；RS232 電子分析天平（蘇州順強(qiáng)機(jī)電設(shè)備有限公司）。

1.2 新型聚胺抑制劑HR-2 的合成

將多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體按照一定的摩爾比加入到三口燒瓶中，然后按比例加入一定量的蒸餾水，攪拌混合均勻后加入氫氧化鈉或者鹽酸調(diào)節(jié)pH 值，然后水浴加熱至一定溫度，在攪拌狀態(tài)下反應(yīng)一定時(shí)間后，再加入過(guò)量的無(wú)水乙醇使未反應(yīng)完全的單體及雜質(zhì)沉淀析出，過(guò)濾后收集濾液，將濾液使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)裝置除去多余的無(wú)水乙醇和蒸餾水，即得到新型聚胺抑制劑HR-2。

1.3 性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn) 將目標(biāo)海上油田儲(chǔ)層段巖屑粉碎后過(guò)篩，收集6～10 目的巖屑顆粒，稱取40 g巖屑裝入老化罐中，然后加入聚胺抑制劑溶液或鉆井液體系，在儲(chǔ)層溫度為120 ℃的條件下滾動(dòng)老化16 h后，取出老化罐冷卻，將巖屑倒入40 目篩網(wǎng)中，使用清水沖洗幾遍，然后放入烘箱徹底干燥，稱重后計(jì)算巖屑的滾動(dòng)回收率。

1.3.2 線性膨脹實(shí)驗(yàn) 稱取10 g 鈉膨潤(rùn)土，使用黏土壓片裝置以及壓力機(jī)將其制成巖心片，壓制條件為10 MPa、5 min，將制備好的巖心片裝入線性膨脹儀中，然后注入含不同質(zhì)量濃度聚胺抑制劑HR-2 的鉆井液體系，觀察記錄16 h 后巖心片的線性膨脹量，并計(jì)算線性膨脹率。

2 結(jié)果與討論

2.1 新型聚胺抑制劑HR-2 合成條件優(yōu)化

按照1.2 中的合成方法，在不同單體比例、不同反應(yīng)溫度、不同反應(yīng)時(shí)間以及不同pH 值條件下合成新型聚胺抑制劑HR-2，然后按照1.3.1 中的實(shí)驗(yàn)方法，采用巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)，以巖屑的滾動(dòng)回收率為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)新型聚胺抑制劑HR-2 的合成條件進(jìn)行優(yōu)化。

2.1.1 單體比例優(yōu)化 控制反應(yīng)溫度為50 ℃，反應(yīng)時(shí)間為3 h，pH 值為8，考察了不同比例多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體對(duì)新型聚胺抑制劑HR-2 性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 單體比例優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Experimental results of monomer proportion optimization

由圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體的摩爾比為1∶2 時(shí)合成的新型聚胺抑制劑HR-2 的巖屑滾動(dòng)回收率最大，可以達(dá)到70%以上，合成產(chǎn)物的性能明顯優(yōu)于其他單體比例，因此，推薦多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體的最佳摩爾比為1∶2。

2.1.2 反應(yīng)溫度優(yōu)化 控制多乙烯多胺和氯乙酸鈉的摩爾比為1∶2，反應(yīng)時(shí)間為3 h，pH 值為8，考察了不同反應(yīng)溫度對(duì)新型聚胺抑制劑HR-2 性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 反應(yīng)溫度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Experimental results of reaction temperature optimization

由圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著反應(yīng)溫度的不斷升高，合成的新型聚胺抑制劑HR-2 的巖屑滾動(dòng)回收率呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，巖屑滾動(dòng)回收率最大，可以達(dá)到75%以上，再繼續(xù)升高反應(yīng)溫度，合成產(chǎn)物的性能有所降低，因此，推薦最佳反應(yīng)溫度為60 ℃。

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化 控制多乙烯多胺和氯乙酸鈉的摩爾比為1∶2，反應(yīng)溫度為60 ℃，pH 值為8，考察了不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)新型聚胺抑制劑HR-2 性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Experimental results of reaction time optimization

由圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，合成的新型聚胺抑制劑HR-2 的巖屑滾動(dòng)回收率同樣呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢(shì)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為5 h 時(shí)，巖屑的滾動(dòng)回收率達(dá)到最大，能夠超過(guò)80%，再繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，巖屑滾動(dòng)回收率有所降低，因此，推薦最佳的反應(yīng)時(shí)間為5 h。

2.1.4 反應(yīng)pH 值優(yōu)化 控制多乙烯多胺和氯乙酸鈉的摩爾比為1∶2，反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為5 h，考察了體系pH 值對(duì)新型聚胺抑制劑HR-2 性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 反應(yīng)pH 值優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experimental results of reaction pH optimization

由圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著反應(yīng)體系pH 值的不斷升高，合成的新型聚胺抑制劑HR-2 的巖屑滾動(dòng)回收率呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢(shì)，當(dāng)體系的pH值為10 時(shí)，巖屑的滾動(dòng)回收率達(dá)到最大，能夠達(dá)到85%以上，抑制效果較好。因此，推薦反應(yīng)體系的最佳pH 值為10。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，新型聚胺抑制劑HR-2 的最佳合成條件為：多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體的摩爾比為1∶2、反應(yīng)溫度為60 ℃、反應(yīng)時(shí)間為5 h、反應(yīng)體系的pH 值為10，在此最佳合成條件下制備的新型聚胺抑制劑HR-2 對(duì)目標(biāo)海上油田儲(chǔ)層段巖屑的滾動(dòng)回收率可以達(dá)到85.7%，抑制性能優(yōu)良。

2.2 新型聚胺抑制劑HR-2 性能評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)新型聚胺抑制劑HR-2 的抑制性能，在目標(biāo)海上油田現(xiàn)場(chǎng)用鉆井液體系中加入不同質(zhì)量濃度的HR-2 后，按照1.3.1 和1.3.2 中的實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)其對(duì)目標(biāo)油田儲(chǔ)層段巖屑的滾動(dòng)回收效果和線性膨脹抑制效果。鉆井液體系基本配方為：3%海水膨潤(rùn)土漿+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+2%FLO-CAT+0.15%XC+3%LPF+1%HLB+重晶石加重至1.5 g/cm3。

2.2.1 巖屑滾動(dòng)回收率 鉆井液體系中加入不同質(zhì)量濃度新型聚胺抑制劑HR-2 后的巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5 可以看出，隨著HR-2 質(zhì)量濃度的不斷增大，鉆井液體系對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層段巖屑的滾動(dòng)回收率呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，當(dāng)HR-2 的質(zhì)量濃度達(dá)到2%時(shí)，巖屑滾動(dòng)回收率即可以達(dá)到95%以上，抑制性能較好，再繼續(xù)增大HR-2 的質(zhì)量濃度，巖屑滾動(dòng)回收率基本不再變化。

圖5 不同質(zhì)量濃度HR-2 時(shí)的巖屑滾動(dòng)回收率Fig.5 Rolling recovery rate of rock cuttings at different mass concentration of HR-2

2.2.2 線性膨脹率 鉆井液體系中加入不同質(zhì)量濃度新型聚胺抑制劑HR-2 后的線性膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6 可以看出，隨著HR-2 質(zhì)量濃度的不斷增大，膨潤(rùn)土的線性膨脹率逐漸降低，當(dāng)HR-2 的質(zhì)量濃度達(dá)到2%時(shí)，線性膨脹率即可降低至10%以下，起到了良好的防膨效果。結(jié)合2.2.1 中的巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推薦新型聚胺抑制劑HR-2 的最佳質(zhì)量濃度為2%，此時(shí)鉆井液體系即可具有良好的抑制性能，可以有效抑制黏土礦物的水化膨脹，能夠滿足海上油田鉆井過(guò)程中對(duì)鉆井液體系抑制性能的要求。

圖6 不同質(zhì)量濃度HR-2 時(shí)的線性膨脹率Fig.6 Linear expansion rate at different mass concentration of HR-2

3 結(jié)論

（1）室內(nèi)以多乙烯多胺和氯乙酸鈉為合成原料，研制了一種適合海上油田鉆井用的新型聚胺抑制劑HR-2，其最佳合成工藝條件為：多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體的摩爾比為1∶2、反應(yīng)溫度為60 ℃、反應(yīng)時(shí)間為5 h、反應(yīng)體系的pH 值為10。

（2）研制的新型聚胺抑制劑HR-2 具有良好的抑制性能，其在鉆井液體系中的質(zhì)量濃度為2%時(shí)，即可使目標(biāo)海上油田儲(chǔ)層段巖屑的滾動(dòng)回收率達(dá)到95%以上，能使鈉膨潤(rùn)土的線性膨脹率降低至10%以下，具有良好的黏土穩(wěn)定效果，能夠有效避免海上油田鉆井過(guò)程中鉆井液的侵入所引起的儲(chǔ)層黏土水化膨脹，提高鉆井效率。