鉆井液用新型有機胺抑制劑的研制與性能評價

鉆井液用新型有機胺抑制劑的研制與性能評價李達;張明;衣德強;薛亞斐;賈建鵬【摘要】Inrecentyears,organicaminebasedrillingfluidsystemhasbeenpaidconcernintheforeign.Thekeytechnologyoforganicaminewaterbaseddrillingfluidsistheresearchanddevelopmentinefficientamineinhibitors.AnewshaleinhibitorCYZ-5wassynthesizedbythereactionoforganicamineandepoxy,anditsperformancewasevaluatedusingexpansibility,flocculability,viscosityincreaseandcoresoakingtest,etc.ItisshownthatCYZ-5hasgoodinhibitivecapacity.Theinhibitorcouldeffectivelyinhibitthedispersionofcoreandcuttingsandhadalastingstronginhibition,soperformsgoodatpreventingcaving.%近年來，有機胺鉆井液體系在國外備受關(guān)注，有機胺優(yōu)質(zhì)水基鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵在于高效胺類抑制劑的研發(fā).通過有機胺和環(huán)氧化物發(fā)生反應(yīng)，合成出了有機胺抑制劑CYZ-5.利用膨脹性、絮凝性、黏度增加和巖心浸泡等實驗，對其抑制性能進行了評價.實驗結(jié)果表明，新型有機胺抑制劑CYZ-5的抑制性好，能有效抑制黏土造漿和巖心及巖屑的分散，且其抑制性持久性強，從而起到防止井壁坍塌的作用.【期刊名稱】《河南科學》【年(卷)，期】2013(000)012【總頁數(shù)】6頁(P2203-2208)【關(guān)鍵詞】鉆井液添加劑;有機胺;抑制劑;性能評價【作者】李達;張明;衣德強;薛亞斐;賈建鵬【作者單位】長慶油田公司蘇里格研究中心，西安710021；西安石油大學石油工程學院，西安710065;長慶油田公司蘇里格研究中心，西安710021;長慶油田公司蘇里格研究中心，西安710021;長慶油田公司蘇里格研究中心，西安710021【正文語種】中文【中圖分類】TE992.2鉆井過程中，泥頁巖水化將產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，降低泥頁巖內(nèi)部的交聯(lián)作用，從而減弱泥頁巖的機械強度，導致井壁失穩(wěn)，甚至井眼因坍塌而報廢.為確保井壁穩(wěn)定，有效避免泥頁巖的水化膨脹，對于石油天然氣勘探開發(fā)工作來說是一個長期的挑戰(zhàn)[1-4].解決黏土水化膨脹的常見方法是使用無機鹽抑制劑或者使用有機黏土抑制劑，然而鉆井液的抗鹽能力、分散造壁性與抑制性常常顧此失彼.在現(xiàn)有的泥頁巖抑制劑中，有機胺防塌抑制劑在國夕卜應(yīng)用比較成熟，但國內(nèi)現(xiàn)場應(yīng)用較少[5-7].本文研制出一種綜合性能良好的有機胺抑制劑，并對其性能進行了評價.1胺基抑制劑的特點及作用機理傳統(tǒng)鉆井液的分散造壁性依賴于優(yōu)質(zhì)造漿土的分散程度，為提高分散性，常加入陰離子型處理劑，如典型的分散劑鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽、丹寧和褐煤等，陰離子型分散劑在維持黏土分散性的同時不可避免地促進了鉆屑和地層中黏土礦物的分散，使鉆井液的抑制性受到削弱；為強化鉆井液的抑制性，減少鉆屑和地層黏土礦物的分散，又需要加入陽離子型處理劑，如有機或無機陽離子聚合物（鋁絡(luò)合物或羥基鋁等）或帶正電荷的納米粒子或油滴（MMH正電膠、陽離子乳化瀝青等），這又在一定程度上損害了鉆井液的分散造壁性.因此，傳統(tǒng)鉆井液體系中的分散造壁性與抑制性難以相互兼顧，往往顧此失彼.胺基抑制劑是通過基團分析及多途徑設(shè)計、合成制備而成的，充分考慮了有機胺有用的游離胺基團分布特征，有效保證了有機胺化合物的強抑制性，主要用于水基鉆井液，能有效地防止黏土的水化膨脹，穩(wěn)定井壁，保護油氣層；有一定的防止鉆具腐蝕功能.胺基抑制劑與水作用，產(chǎn)生堿性的同時，有機胺自身解離為一類具有能與黏土負電性顆粒吸附性能的陽離子化合物，抑制黏土的水化分散.有機胺具有高濃度的胺基基團密度，保證有機游離胺良好的吸附性能和抑制效果.有機胺的弱堿性及弱離解性能使得有機胺作用濃度一直處于平衡狀態(tài)，胺的總濃度中處于活躍狀態(tài)的離解胺濃度并不大，但其能長效保持濃度平衡，持續(xù)與在地層孔隙表面的黏土中最活躍易于水化的基團作用，吸附覆蓋在表面，進一步的防止受到水化膨脹因素的影響.有機胺的抑制作用具有長效性，抗沖刷能力強，保證鉆井作業(yè)結(jié)束后也具有長時間的地層抑制效果.胺基抑制劑的作用機理和作用程度都不同于聚季銨鹽類化合物，不會出現(xiàn)象季銨鹽類氨基抑制劑引起的鉆井液性能突變、甚至絮凝現(xiàn)象.胺基抑制劑具有較高的胺基濃度和較高的酸中和當量濃度，能吸附在鉆具表面，防止鉆具的腐蝕；同時能中和地層酸性氣體，且具有較好的緩沖容量，有利于保證鉆井液的性能穩(wěn)定.2有機胺抑制劑的研制2.1主要儀器設(shè)備①聚合反應(yīng)釜：3m3或更大，包括充氮裝置、攪拌器、控溫裝置（0~200。0、冷卻裝置等；②老化釜：3m3或更大；③原料儲罐:20~30m3;④計量泵.2.2主要原料及加量①環(huán)氧乙烷：50~80kg；②環(huán)氧丙烷:50~100kg:③有機胺:30-55kg；④起始劑:10-15kg；⑤催化劑:1-3kg；⑥水:10~20kg.2.3工藝流程在反應(yīng)釜中加入起始劑，于攪拌下滴加催化劑和有機胺，然后加入定量的水，充氮置換2-3次；加熱，攪拌，升溫至80度后，滴加環(huán)氧化物，控制壓力小于10MPa，溫度低于180OC.若反應(yīng)過程中溫度、壓力過高，則停止加料，待溫度、壓力降低后在繼續(xù).滴加完畢后再反應(yīng)30-40h,冷卻至50C以下，得無色或淺黃色黏稠液體.3有機胺抑制劑的性能評價由于反應(yīng)產(chǎn)物主要用作抑制劑，因此著重考察其抑制性能，并考慮其對鉆井液流變性、濾失量的影響.選取不同的樣品，并對其性能進行評價，5種樣品編號依次為CYZ-1、CYZ-2、CYZ-3、CYZ-4、CYZ-5.3.1膨脹性實驗膨脹性實驗中用測定巖樣線性膨脹百分數(shù)（膨脹率）或巖樣吸水量來表示地層的膨脹性能.利用NP-01型頁巖膨脹實驗儀評價合成樣品對黏土的水化膨脹的抑制性能.表1為膨潤土（濰坊）在水中的膨脹性實驗，并對5個合成樣品在0.05%,0.1%,0.25%,0.5%,1%各加量下膨潤土（濰坊）的抑制性能進行了評價，實驗結(jié)果見圖1.由以上實驗數(shù)據(jù)表明，在加量相同的情況下，巖心在加入CYZ-5的測試液浸泡下的膨脹率最小，說明CYZ-5的抑制性最好.另外，對比加量為1%時的膨脹率數(shù)值可見，CYZ-3和CYZ-4的膨脹率也比較低，都小于純水中的膨脹率.表1膨脹實驗結(jié)果表Tab.1Expansiontestresults試劑Lt/8h（mm）H/mmVt/8h（%）水3.4113.1325.97圖1膨脹實驗結(jié)果Fig.1Expansiontestresults3.2絮凝實驗采用絮凝實驗評價了合成樣品的抑制性，實驗中量筒中的絮凝物界面的高度越低，說明處理劑的抑制作用越明顯.由圖2可以看出，靜置24h后，合成樣品CYZ-1在加量很小的情況下（8#量筒）就能產(chǎn)生很強的絮凝效果，隨著加量的增大絮凝效果逐漸加強.CYZ-1加量為1%時，絮凝物的高度約為11,約為7%氯化鉀溶液中絮凝物高度的兩倍.由圖3可見，合成樣品CYZ-2的絮凝效果隨加量的增加變化幅度不是很大，這與其在膨脹性實驗中表現(xiàn)出來的趨勢比較相近，說明CYZ-2對黏土有一定的抑制水化分散的效果.由圖4可見，CYZ-3的絮凝效果比較好，隨著加量的增加，絮凝物高度逐漸降低，說明抑制黏土水化分散的能力在逐漸增強.由圖5可見，溶液中黏土的絮凝物高度隨著CYZ-4的加量增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，CYZ-4對黏土水化分散的抑制作用在加量為1%時效果最好.由圖6可見，CYZ-5對黏土水化分散的抑制作用不是很好，但肉眼仔細觀察，每個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顯.圖2CYZ-1絮凝實驗結(jié)果Fig.2FlocculationtestresultsofCYZ-12號:水；3號:7%KCl；4號:1%CYZ-1；5號:0.5%CYZ-16號:0.25%CYZ-1；7號:0.1%CYZ-；8號:0.05%CYZ-1圖3CYZ-2絮凝實驗結(jié)果Fig.3FlocculationtestresultsofCYZ-24號:1%CYZ-；5號:0.5%CYZ-2；6號:0.25%CYZ-27號:0.1%CYZ-2；8號:0.05%CYZ-2圖4CYZ-3絮凝實驗結(jié)果Fig.4FlocculationtestresultsofCYZ-34號:1%CYZ-；5號:0.5%CYZ-3；6號:0.25%CYZ-3；7號:0.1%CYZ-3；8號:0.05%CYZ-3圖5CYZ-4絮凝實驗結(jié)果Fig.5FlocculationtestresultsofCYZ-44號:1%CYZ-；5號:0.5%CYZ-4；6號:0.25%CYZ-47號:0.1%CYZ-4；8號:0.05%CYZ-4圖6CYZ-5絮凝實驗結(jié)果Fig.6FlocculationtestresultsofCYZ-51號:1%CYZ-；2號:0.5%CYZ-5；4號:0.25%CYZ-55號:0.1%CYZ-5；6號:0.05%CYZ-5為了對合成產(chǎn)樣品進行更好的橫向?qū)Ρ龋卦谝唤M將5個合成樣品分別取1%水溶液100mL，加入2.00g鈉膨潤土，3000r/min高速攪拌5min，置于100mL的量筒中，靜置24h，拍照觀察絮凝情況，結(jié)果如下.由圖7可見，加量取1%時，CYZ-1、CYZ-2、CYZ-3、CYZ-4絮凝效果都很好，和前面實驗中的7%KCl相當，CYZ-5效果稍微差，試驗中，絮凝24h后肉眼仔細觀察，CYZ-5膨潤土漿中盡管上部漿比較渾濁，但是下部有明顯絮凝，高度約為6(量筒上刻度讀數(shù))，絮凝效果比較好.圖7絮凝實驗結(jié)果Fig.7Flocculationtestresults2號:1%CYZ-2；3號:1%CYZ-3；4號:1%CYZ-15號:1%CYZ-4；6號:1%CYZ-53.3黏度增加實驗黏度增加實驗是評價頁巖抑制劑常用的方法.實驗中將一定量的膨潤土加入到含有—定頁巖抑制劑的淡水中，在65°C下熱滾16h后，測黏度，然后再加入另一部分膨潤土，繼續(xù)老化測其黏度，直到老化后膨潤土漿黏度太大不能測試為止.分析表2的實驗結(jié)果可見，隨著膨潤土加量的增加，合成的5種樣品中CYZ-5膨潤土漿的表觀黏度增加的最慢，3r讀數(shù)相比較其他4種合成樣品來說較小，說明CYZ-5抑制膨潤土水化分散的作用最好.表2黏度增加實驗結(jié)果Tab.2Viscosityincreasetestresults12AV(mPa?s)3r讀數(shù)AV(mPa-s)3r讀數(shù)AV(mPa-s)3r讀數(shù)AV(mPa-s)3r讀數(shù)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實驗液土的加量/%3693.4巖心浸泡實驗通過肉目艮觀察人工巖心在不同溶液中經(jīng)過一定時間的浸泡后的完整程度，來定性研究比較不同處理劑的抑制能力.圖8浸泡20min巖心狀態(tài)Fig.8Thestatusofcoreaftersoaking20min由圖8可見，浸泡20min后，2#(7%KCl)溶液、4#(7%Na2SiO3)溶液中巖心坍塌嚴重，3#(7%NaCl)溶液中巖心變粗，5#(3%CYZ-5)溶液中巖心散落較少，6#(3%CYZ-2)、7#(3%CYZ-4)、8#(3%CYZ-1)、9#(3%CYZ-3)溶液中巖心邊緣翹起，其中7#(3%CYZ-4)溶液中巖心翹起現(xiàn)象最輕微.由圖9可見，巖心浸泡40min后，2#(7%KCl)、3#(7%NaCl)、4#(7%Na2SiO3)，溶液中巖心完全坍塌，5#(3%CYZ-5)溶液中巖心散落增多，巖心變粗，6#(3%CYZ-2)、7#(3%CYZ-4)、8#(3%CYZ-1)、9#(3%CYZ-3)溶液巖心翻翹開裂，其中9#(3%CYZ-3)溶液中巖心變粗開裂最為嚴重.圖10-13為浸泡60,80,100,120min后巖心狀態(tài).綜合分析本次實驗的實驗現(xiàn)象，相同巖心及實驗條件下，5#(3%CYZ-5)溶液中巖心相比較其他溶液中巖心完整性要好很多，實驗合成的5種樣品中，CYZ-5的抑制性相對較好.圖9浸泡40min巖心狀態(tài)Fig.9Thestatusofcoreaftersoaking40min圖10浸泡60min巖心狀態(tài)Fig.10Thestatusofcoreaftersoaking60min圖11浸泡80min巖心狀態(tài)Fig.11Thestatusofcoreaftersoaking80min圖12浸泡100min巖心狀態(tài)Fig.12Thestatusofcoreaftersoaking100min圖13浸泡120min巖心狀態(tài)Fig.13Thestatusofcorea