泥页岩抑制剂LFW-1的室内研究

侯珊珊，罗春芝，张炳杰，吴梦洁，陈佳良

（1.长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023；2.中国石油吐哈油田分公司丘东采油厂，新疆 鄯善 838200；3.中国石油集团渤海钻探工程有限公司钻井技术服务分公司，天津 300280）

0 引言

水基钻井液钻遇泥页岩地层时，滤液渗滤到井筒周围的地层和岩屑中，就会导致泥页岩水化膨胀、井壁失稳、钻头泥包和井眼净化等问题，严重时导致整口井报废。为了解决这些问题，现场一般采用油基钻井液来钻泥页岩地层，尤其是近几年页岩气开发时几乎全部采用油基钻井液。由于油基钻井液对环境污染很严重，其应用受到严格控制，因此，近几年国外几大石油公司（如 Halliburton，Baker Hughes，the Shell Group 等）积极开发强抑制性水基钻井液，尤其是对泥页岩抑制剂的研究，取得很好的效果[1-3]。国内方面，中石油、中石化和中海油联合各高校也对此类处理剂进行了大量的研究及应用[4-7]。一般现有的强抑制性钻井液体系中都引入了一种聚胺抑制剂，该剂能抑制泥页岩水化膨胀及分散，防止井壁失稳，具有防止钻头泥包的作用，但同时存在增加钻井液黏度和滤失量的不足。

本文在调研大量聚胺抑制剂研究与应用资料的基础上，选择具有抑制性功能的单体合成一系列抑制剂样品，采用常规评价聚胺抑制剂的方法评价优选样品，以期研究出抑制性好，价格合适，且对钻井液流变性、滤失量影响小的泥页岩抑制剂。

1 样品合成及优选

1.1 主要原料及仪器

主要原料为工业级小阳离子单体、丙烯基单体、小分子有机胺及引发剂等。主要仪器为离心机、TL-25高温高压泥页岩膨胀性测定仪、ZNN-D6六速旋转黏度计、API滤失仪、GJS-B12K高速搅拌器等。

1.2 样品合成

称取一定质量的LFMC，LFZM和LFBA（或LFCA）放入250 mL三口烧瓶中，将三口烧瓶置于电加热套中，再加入一定质量的YF-1及YF-2。温度控制在35～40℃，当产物颜色由无色透明逐渐变为浅黄色，而且液体逐渐变稠时，反应即可停止，时间控制在2 h左右。按此方法共合成了11个样品，编号为LFW-1—LFW-11。

1.3 抑制性评价及优选

1.3.1 初步筛选

室内采用最直观的泡片观察法对样品的抑制性进行了初步评价，从中优选出几个较好的样品。首先，称取5 g一级膨润土，在专用压片机上用5 MPa压力压10 min，制成人工膨润土片。然后，将土片浸泡在10.0%的样品溶液中，观察土片8 h后的自由膨胀状态。实验结果见图1，其中图1a—1k分别为LFW-1—LFW-11，图1l为蒸馏水。

从图 1 可以看出：LFW-1，LFW-3，LFW-5，LFW-11样品中的膨润土片自由膨胀程度最小，膨润土片形态最完整，其次是LFW-6。因此，初步筛选出LFW-1，LFW-3，LFW-5，LFW-6，LFW-11 样品进一步评价。

1.3.2 样品优选

室内采用常规评价聚胺抑制剂抑制性的方法[8]，定性评价初选样品的抑制性，实验结果见表1。其中，测体积防膨率和表观黏度抑制率时样品加量均为3.0%，测高温高压线性防膨率时为10.0%。

从表1可以看出：LFW-1的体积防膨率、高温高压线性防膨率及表观黏度抑制率均最高，抑制性最好，其次是LFW-3。因此，选择LFW-1为最佳样品。

图1 膨润土片在10%样品溶液中的自由膨胀状态

表1 样品抑制性评价结果 %

2 LFW-1性能评价

2.1 理化性能

LFW-1外观为淡黄色液体，室内按照常规聚胺抑制剂的理化性能指标测定LFW-1，结果如下：密度1.03 g/cm3，凝固点-5℃，全胺浓度 12.5 mol/L，游离碱浓度22.5 mmol/L。

2.2 抑制性

室内采用体积防膨率法、高温高压线性防膨率法、表观黏度抑制率法评价了LFW-1不同加量时的抑制性。实验结果见表2。

表2 LFW-1加量对抑制性的影响 %

从表2可以看出：随着LFW-1加量的增加，体积防膨率和高温高压线性防膨率不断增加，加量为5.0%时抑制性趋于平衡；表观黏度抑制率先增加后下降，加量为3.0%时到达最高。

2.3 润滑性及钻头泥包

室内配制10%膨润土浆，分别加入不同加量的LFW-1，采用极压润滑仪测定其润滑系数Mf，并计算润滑系数降低率。将模拟钻头置于上述试样浆中，在200 r/min下旋转5 min，观察膨润土浆和试样浆对模拟钻头的泥包现象。实验结果见表3。

表3 LFW-1加量对润滑性和钻头泥包的影响

从表3可以看出：随着LFW-1加量的增加，试样浆的Mf逐渐下降，说明LFW-1具有一定的润滑作用；而钻头泥包程度逐渐下降，当加量为1.5%时，钻头无泥包现象，说明LFW-1具有很好的防钻头泥包作用。

3 性能对比

3.1 高温高压膨胀高度随时间的变化

室内采用高温高压线性膨胀仪测定LFW-1，NH-1（中石油南京化工院），FCC201（美国NALCO公司）抑制剂及蒸馏水对人造膨润土岩心膨胀高度的影响，实验结果见图2。实验条件为：压力0.7 MPa，温度90℃，样品加量均为10.0%。

图2 高温高压线性膨胀高度随时间的变化

从图2可以看出：FCC201样品中，岩心膨胀高度随时间的延长上升缓慢，3 h基本达到平衡，8 h膨胀高度为2.53 mm，防膨效果最好；LFW-1样品中，岩心高度同样随时间的延长上升缓慢，8 h膨胀高度为3.92 mm，防膨效果次之；NH-1样品中，8 h膨胀高度为5.05 mm，效果相对较差；而蒸馏水中，岩心吸水膨胀后高度上升很快，8 h膨胀率达到15.85 mm。实验结果表明，LFW-1具有很好的抑制黏土水化分散的作用，抑制性比国内同类产品好。

3.2 体积防膨率和表观黏度抑制率

室内采用体积防膨率法、表观黏度抑制率法对比评价了LFW-1，NH-1和FCC201抑制剂的抑制性。实验结果见表4，加量均为3.0%。

表4 LFW-1与其他抑制剂的抑制性对比

从表4可以看出：FCC201的体积防膨率及表观黏度抑制率均最高，抑制性最好；其次是LFW-1。实验发现，NH-1对膨润土有很明显的絮凝作用，说明NH-1相对分子质量比其他2种抑制剂大，导致其体积防膨率小、表观黏度抑制率小。实验结果表明，LFW-1对泥页岩具有很好的防膨抑制性。

3.3 抑制剂对钻井液性能的影响

室内评价了LFW-1，NH-1和FCC201抑制剂对现场聚合物钻井液流变性、滤失量及钻屑滚动回收率的影响[9-10]，实验结果见表5。其中，钻井液密度为1.32 g/cm3，配方为3%膨润土+0.15%Na2CO3+0.3%KPAM+0.6%LV-CMC+1%FT-388+1%K-HPAN+3%KCl+3%聚合醇+2%暂堵剂+重晶石。

表5 LFW-1与其他抑制剂对钻井液性能的影响

从表5可以看出：FCC201的钻屑回收率最高，其次是NH-1，LFW-1略差；LFW-1和FCC201对钻井液流变性和滤失量的影响很小，但NH-1对钻井液流变性和滤失量的影响较大。实验结果表明：LFW-1不影响钻井液的流变性和滤失性，且具有良好的抑制黏土水化分散的作用。

4 LFW-1的红外光谱

对LFW-1进行了红外光谱分析，结果见图3。可以看出：3 426.85 cm-1处为—NH—或—NH2吸收峰，且强度很大；3 013.49 cm-1处为=NH吸收峰；2 932.87 cm-1处为—CH2；1 474.97 cm-1处为—CH3吸收峰；1 664.09，1 112.80，1 044.21 cm-1处为吸收峰。红外光谱表明，该抑制剂分子中含有强烈的吸附及抑制泥页岩水化分散的基团—NH—或—NH2，初步表明LFW-1是一种聚胺抑制剂。

图3 LFW-1的红外光谱

5 LFW-1抑制机理分析

LFW-1分子中的胺基通过电荷吸附在黏土颗粒表面，形成牢固的化学吸附，通过压缩双电层原理防止黏土的水化膨胀；NH4+进入黏土晶格中交换出Al3+，Mg2+等离子直径大的金属离子，拉近晶格之间的距离，防止自由水进入黏土晶格中引起黏土的水化膨胀。由于LFW-1首先通过羟基和羰基吸附在黏土粒子表面，—CH2—形成疏水层，进一步提高样品抑制性，也削弱了胺基对黏土颗粒的絮凝作用，因此，该抑制剂对钻井液的流变性和滤失量均无明显影响，弥补了以往小阳离子、有机正电胶、聚胺等阳离子抑制剂对钻井液流变性和滤失量影响大的不足。

6 结论

1）LFW-1在水中的加量为5.0%时，体积防膨率、高温高压线性防膨率及表观黏度抑制率趋于稳定。该抑制剂的体积防膨率和高温高压线性防膨率均高于NH-1，略低于FCC201；表观黏度抑制率高于NH-1，低于FCC201，表现出很强的抑制性，且对钻井液流变性和滤失量的影响很小。

2）对于黏土含量较高、水敏性较强的泥页岩层，LFW-1的加量可以适当有所增加；对于渗透性较大的岩层，需要配合封堵剂一起使用。

3）建议进一步研究样品的相对分子质量与抑制性及对钻井液性能影响的对应关系，以便合成出综合性能更好的样品，并建立一套测定钻井液中聚胺浓度的方法，对于不同加量聚胺的配方，选用等量的滤液测定其全胺浓度，绘制成一个不同加量的聚胺浓度曲线。

[1]钟汉毅，邱正松，黄维安，等.胺类页岩抑制剂特点及研究进展[J].石油钻探技术，2010，38（1）：104-108.

[2]Patel A，Stamatakis E，Young S，et a1.Advances in inhibitive waterbased drilling fluids：Can they replace oil-based muds [R].SPE 106476，2007.

[3]鲁娇，方向晨，王安杰，等.国外聚胺类钻井液用页岩抑制剂开发[J].现代化工，2012，32（4）：1-5.

[4]储政.强抑制剂聚胺类页岩抑制剂NH-1的性能研究[J].西安石油大学学报，2012，27（4）：91-96.

[5]王昌军，许明标，苗海龙，等.聚胺UHIB强抑制性钻井液的室内研究[J].石油天然气学报，2009，31（1）：80-83.

[6]王怡迪，丁磊，张艳军，等.改性聚糖类钻井液防塌润滑剂的合成与评价[J].断块油气田，2013，20（1）：108-110.

[7]钟汉毅，黄维安，邱正松，等.聚胺与甲酸盐抑制性对比实验性研究[J].断块油气田，2012，19（4）：508-512.

[8]杨超，赵景霞，王中华，等.复合阳离子型聚胺页岩抑制剂的应用研究[J].钻井液与完井液，2013，30（10）：13-16.

[9]刘洋，宋杨柳，陈叮啉，等.羟胺基聚醚防膨剂的研究[J].西安石油大学学报，2012，27（2）：73-75.

[10]闫杰，马喜平，孙川，等.新型低聚季铵盐阳离子粘土稳定剂的研制与评价[J].精细石油化工进展，2009，10（3）：16-19.