聚胺抑制剂的测定方法及最佳用量的确定

郭建华，马文英，刘晓燕，杜明军，李保慧，钟灵

（1.中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳457001；2.中石化中原石油工程有限公司钻井二公司，河南濮阳457001）



聚胺抑制剂的测定方法及最佳用量的确定

郭建华1，马文英1，刘晓燕1，杜明军2，李保慧1，钟灵1

（1.中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳457001；2.中石化中原石油工程有限公司钻井二公司，河南濮阳457001）

郭建华等.聚胺抑制剂的测定方法及最佳用量的确定[J].钻井液与完井液，2016，33（3）：35-40.

摘要目前，聚胺作为一种水基钻井液用高效抑制剂得到广泛应用，但对它的研究还主要集中在抑制性评价和现场应用效果中。为此探索研究了聚胺抑制剂含量的测定方法，采用四苯硼钠法进行游离聚胺（FYZ-1）含量测定，通过对指示剂、沉淀条件、滴定条件、pH值调节剂等实验条件的优化，确定了测定方法，并进行岩屑对聚胺含量影响实验。结果表明，碳质泥岩、易水化泥岩、硬脆性泥岩、砂岩对聚胺吸附依次降低，据此可以推荐聚胺在不同地层的加量并指导现场应用。

关键词聚胺；抑制剂；吸附量；岩性；测定方法

近年来，聚胺作为一种新型的抑制剂[1-8]进入人们的视线，因其能满足环境保护要求，具有静电引力、 氢键作用、锚固作用和疏水作用等与其他抑制剂不同的抑制机理，且聚胺钻井液与油基钻井液性能相当，而深受重视[9-10]。为了更好地研究应用和推广聚胺钻井液，研究了聚胺抑制剂FYZ-1的含量测定方法，采用四苯硼钠法测定游离聚胺含量，考察了不同岩性对聚胺的吸附情况，并指导现场应用，取得良好效果。

1　聚胺抑制剂含量测定方法

对于某种聚胺样品，其阳离子含量为定值，通过测定溶液中阳离子含量，可计算出聚胺含量。目前测定阳离子含量的化学分析方法主要有：四苯硼钠法、 硝酸银沉淀法、 胶体滴定法、 两相滴定法和磷钨酸法。通过实验验证，确定采用终点显示明显、操作较为简便的四苯硼钠法。为了更具针对性，对四苯硼钠法的实验条件进行了优化。

1.1指示剂的选择

在测定过程中，过量四苯硼钠（STPB）用季铵盐滴定，可选用达旦黄或溴酚蓝作为指示剂。为考察指示剂的效果，取一定量聚胺溶液，加入过量四苯硼钠，过滤沉淀，取一定量滤液，分别加入达旦黄和溴酚蓝作为指示剂，用十六烷基三甲基溴化铵进行滴定，考察滴定效果。滴定过程中，以达旦黄为指示剂终点时，溶液颜色由黄色变为粉红色，不易观察；以溴酚蓝为指示剂终点时，溶液颜色由黄绿色（酸性）变为蓝色，终点变色明显，故选溴酚蓝为指示剂。

1.2沉淀条件优化

四苯硼钠在酸性和碱性条件下均可与胺盐和季胺盐形成沉淀。取4份20 mL0.5%聚胺溶液，加入盐酸溶液或氢氧化钠溶液调节溶液pH值，再加入50 mL 0.02 mol/L STPB溶液，静置15 min后过滤、烘干，称量沉淀物质量，观察实验现象，见表1。由表1可以看出，酸性条件下，沉淀形成较多，且易过滤，因此沉淀时选择pH值为3～5。

表1　不同pH值下四苯硼钠与聚胺产生沉淀情况

沉淀形成后，需静置以促进沉淀的聚结絮凝，为确定合适的静置时间，取0.5%聚胺溶液20 mL，调节pH值为3～5，加入STPB溶液50 mL，静置不同时间，过滤、烘干、测定沉淀质量，结果见表2。

表2　溶液在不同静置时间的沉淀情况

观察实验现象，一开始，沉淀没有絮凝，结果偏差较大，随着静置时间的延长，测定数据趋于稳定。综合考虑实验效率和结果精度，确定试液静置时间为30 min。

1.3滴定条件优化

在用十六烷基三甲基溴化铵反滴定过量四苯硼钠时，可选择在酸性或碱性条件下滴定，为此，考察了酸性和碱性条件下的滴定效果。结果表明，2种条件下滴定结果相当，但当pH值为7～8时，终点是淡紫色到蓝色，不易观察；pH值为3～5时，终点由黄绿色突变为蓝色，变色明显，且该pH值与沉淀时pH相同，无须再进行pH调节，节省操作步骤，因此滴定时调节溶液的pH值为3～5。

1.4pH值调节剂选择

选择盐酸和醋酸-醋酸钠缓冲溶液调节待测液的pH值，分别测定不同已知聚胺含量溶液与消耗四苯硼钠标准溶液体积的关系，绘制标准曲线，结果见图1和图2。

图1　醋酸-醋酸钠为pH值调节剂

图2　盐酸为pH值调节剂

由图1和图2可知，用醋酸-醋酸钠缓冲溶液作为调节剂时曲线的R2较大，说明该方法准确性好。分析原因可能是用缓冲溶液调节时，不会因标准溶液的滴入引起待测液pH值的变化，故结果准确，因此选择醋酸-醋酸钠缓冲溶液为pH值调节剂。

2　岩屑对聚胺含量影响实验

为了确定岩性与水化分散性的关系及对聚胺含量的影响，首先收集了不同区块的泥岩、碳质泥岩、砂岩等，进行了岩屑的滚动回收率、阳离子交换容量（CEC）实验，实验结果见表3。

表3　不同区块不同岩屑的水化分散实验CEC测定

由表3可以看出，不同区域的泥岩其CEC值不尽相同，但同一区域的不同岩性相比，泥岩的CEC值高于砂岩、碳质泥岩等其他岩性；但从滚动回收率实验结果可以看出，阳离子交换容量的高低不能完全说明其水化分散能力强弱，比如上沙溪庙组红色泥岩的CEC值为5.5 mmol/（100 g土），但其回收率高达96.7%，属于硬脆性泥岩。

采用上述岩屑进行岩屑对聚胺含量影响的研究。在0.3%聚胺溶液中加入1%～10%过孔径为0.154 mm分样筛的不同岩屑粉，120 ℃滚动老化16 h，冷却后过滤，测定滤液中游离聚胺的含量，并计算岩屑的吸附量和吸附率，实验结果见图3和图4。

图3　不同岩屑对游离聚胺含量的影响

由图3和图4可以看出，聚胺FYZ-1在碳质泥岩、易水化泥岩、硬脆性泥岩、砂岩上的吸附性依次降低，说明碳质泥岩地层消耗聚胺抑制剂最多，其次是泥岩，砂岩消耗较少。分析认为，泥岩较砂岩水化性强，正电性的聚胺易于进入晶层间并拉紧晶层[11]，也正因为此聚胺表现出良好的抑制能力，从而游离聚胺含量降低；硬脆性泥岩水化能力较低，消耗聚胺的量稍少；碳质泥岩虽然水化能力较差，但由于富含有机质，导致其物理结构与泥岩有较大差异，具有更大的比表面积，所以吸附聚胺量更多。

图4　不同岩屑对聚胺的吸附率

3　根据岩性推荐聚胺加量

统计分析了2012～2013年使用聚胺抑制剂FYZ-1的部分井的情况，见表4。

表4　2012～2013年部分聚胺抑制剂FYZ-1应用井的使用情况

由表4可以看出，钻遇碳质泥岩、泥岩地层时，FYZ-1的加量较高，而泥砂岩混层、砂岩地层加量稍低。白-平2HF井[12]钻井液中聚胺加量为0.5%，是因为该井钻遇复杂情况且无法解除，第1次尝试使用聚胺，加量较大；白-3HF井是白-平2HF井的邻井，在进入易失稳井段前，提前加入FYZ-1，且三开钻进未出现复杂，并降低了钻井液使用密度，缩短了钻井周期，可见该类地层采用0.2%的加量足以满足需要。文133-平1井虽然是泥砂岩地层，但由于是已完钻后才使用FYZ-1，没有进尺，加量较少时就解除了下套管不顺利的问题。

因此，从地层岩性方面考虑，碳质泥岩、 易水化泥岩地层推荐FYZ-1加量为0.3%，硬脆性泥岩、泥岩与砂岩混层推荐FYZ-1加量为0.2%～0.3%，砂岩地层推荐FYZ-1加量为0.1%～0.2%。

4　现场试验

采用岩性对聚胺吸附情况跟踪指导聚胺在YB368-H03井的使用，取得了良好应用效果。

4.1基本情况

YB368-H03井是部署在延113-延133区块的一口开发水平井，钻探目的是开发山西组山23砂体的天然气储量，进一步评价石盒子组和山西组山1的储层，为后期水平井的实施提供资料和经验。该井设计斜深为4 400.14 m，垂深为3 067.88 m，由于寻找层位，实际完钻井深为4 570 m。该井为三开制井身结构，导管φ444.5 mm×50 m；一开φ311.2 mm×452 m；二开φ222.2 mm×3 402 m；三开φ152.4 mm×4 440 m。

4.2钻井液技术难点

YB368-H03井钻井液技术难点主要有以下几个方面。①井漏问题突出，该区块已完钻井在刘家沟组普遍存在易漏失地层，且漏失钻井液量较大，造成钻井周期延长。②井壁失稳现象时有发生，石千峰、石盒子组有大段泥岩，存在强水敏性地层，需要提高钻井液抑制性、强化滤失量控制，防止泥页岩的垮塌；山西组存在煤线互层，上部为泥岩夹砂岩，下部是灰黑色泥岩夹砂岩及煤，除了使用合理密度提供应力支撑，还需要钻井液具有良好的抑制性能，才能保证井眼的稳定。井漏问题通过专门的堵漏施工措施进行解决，在此主要阐述针对井壁失稳问题开展的工作。

4.3小型试验

该井计划在进入石千峰组之前加入聚胺，提高钻井液的抑制能力，取井深2 590 m实钻钻井液（聚磺钻井液），添加FYZ-1，进行配伍性实验，分别测试加入聚胺抑制剂前后的钻井液性能，结果见表5。由于石千峰、石盒子组有大段泥岩，存在强水敏性地层，因此确定FYZ-1的加量为0.3%。

表5　YB368-H03井井深2 590 m实钻钻井液添加FYZ-1小型实验

由表5中实验结果表明，加入0.3%FYZ-1对钻井液流变性影响较小，API滤失量略有降低，表明聚胺抑制剂与聚磺钻井液配伍性良好。根据邻井钻井情况，该井钻遇地层存在泥岩、碳质泥岩、煤层等互层较多的情况，为了保证FYZ-1的使用效果，除了进行与钻井液的配伍性实验，在钻遇不同岩性地层时开展了岩屑的阳离子交换容量及对聚胺抑制剂吸附情况考察。实验方法：在0.3%聚胺溶液中加入5%岩屑粉（过孔径为0.154 mm的筛），120 ℃滚动老化16 h后，测定滤液中游离聚胺含量，结果见表6。

表6　岩屑的阳离子交换容量及对聚胺抑制剂吸附情况

由表6可以看出，泥岩、碳质泥岩、砂质煤、黑色煤的水化分散性依次减弱，但对聚胺抑制剂的吸附作用是泥岩、黑色煤、砂质煤、碳质泥岩依次增强。因此，钻井时根据钻遇的地层岩性不同，及时调整FYZ-1的使用量，以保证钻井液对地层的抑制性。

4.4 现场施工情况

该井采用聚磺钻井液钻进，为了保持井壁稳定性，进入石千峰组和石盒子组之前加入5%的KCl，转换为聚磺钾盐钻井液，并提高钻井液密度至1.20～1.22 g/cm3；由于石盒子组上部有巨厚泥岩，于井深2 676 m处开始加入0.2%聚胺抑制剂FYZ-1，同时提高KCl加量至7%，加入3%FT-342，钻进过程中以细水长流方式添加FT-342、FYZ-1等，使钻井液具有良好的抑制防塌能力，KCl含量保持在5%～7%，并控制API滤失量小于4 mL。

进入山西组后，由于存在多个煤层段（3 172～3 176 m、 3 244～3 254 m、 3 302～3 322 m）和碳质泥岩段（3 192～3 194 m、 3 200～3 204 m、3 294～3 302 m、3 342～3 344 m），为了保证井壁稳定，提高密度至1.25 g/cm3以上的同时，提高聚胺抑制剂FYZ-1的加量至0.3%。在三开水平段，持续保持钻井液中KCl和FYZ-1的含量，保障了碳质泥岩段（4 122～4 150 m）和较长煤层段（4 266～4 380 m）的施工安全。随着井深的增加，逐渐将钻井液的密度维持在1.27～1.28 g/cm3之间，保证了三开水平段的顺利完钻。YB368-H03井部分井段钻井液性能见表7。

表7　YB368-H03井部分井段钻井液性能

在施工过程中存在2个问题。①井漏。自二开钻遇刘家沟地层之后发生漏失11次，共漏失钻井液364.64 m3，施工中还持续出现渗漏情况，漏失钻井液36.3 m3，累计达400.94 m3。②水平段井眼轨迹不规则。水平段钻进时为了寻找目的层反复调整井眼轨迹，从井深3 570 m至4 457 m多次调整井斜，在该井段形成波浪形井眼轨迹，起下钻过程中钻头、钻具等对井壁碰撞严重。

虽然多次发生井漏及改变井眼轨迹，该井施工仍然顺利，没有发生坍塌掉块等井下复杂情况，钻进时摩阻为8～12 t，起下钻时为15 t，下套管、 测井一次成功，二开平均井径扩大率为5.61%，三开水平段为6.08%，钻井周期为98.28 d，平均机械钻速为5.57 m/h。

5　结论与认识

1.研究了用四苯硼钠法测定聚胺含量的方法，并优化了实验条件，确定溴酚蓝作为指示剂，沉淀时pH值为3～5，静置30 min，滴定时pH值为3～5，用醋酸-醋酸钠缓冲溶液作为pH值调节剂。

2.对易水化泥岩、硬脆性泥岩、碳质泥岩、砂岩等进行了吸附聚胺情况实验，发现碳质泥岩、易水化泥岩、硬脆性泥岩、砂岩吸附聚胺能力依次降低，结合大量的现场应用情况，推荐了各种岩性地层条件下聚胺的加量。

3.采用岩性对聚胺含量影响研究结果指导聚胺在YB368-H03井应用，取得了良好的效果，虽发生多次井漏、钻井液长时间浸泡地层，井眼轨迹多次调整，施工井段未发生坍塌掉块等井下复杂情况，下套管、测井一次成功，二开和三开平均井径扩大率分别为5.61%和6.08%。

4.如果钻井液中含有K+等无机阳离子时，由于含量较高，采用四苯硼钠法测定聚胺含量时需排除K+等的干扰，造成实验误差较大，且操作繁琐，因此该方法在现场使用还有待进一步完善。

参考文献

[1]陈楠，张喜文，王中华，等. 新型聚胺抑制剂的实验室研究[J]. 当代化工，2012，41（2）：120-122，125. CHEN Nan，ZHANG Xiwen，WANG Zhonghua. et al. Laboratory study on polyamine inhibitor[J]. Contemporary Chemical Industry，2012，41（2）：120-122，125

[2]罗健生，李自立，李怀科，等. HEM 深水聚胺钻井液体系研究与应用[J]. 钻井液与完井液，2014，31（1）：6-10. LUO Jiansheng，LI Zili，LI Huaike，et al. Research and application of HEM poly-amine drilling fluids used in deep water operation[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2014，31（1）： 6-10.

[3]张国，徐江，詹美玲，等. 新型聚胺水基钻井液研究及应用[J]. 钻井液与完井液，2013，30（3）：23-26. ZHANG Guo，XU Jiang，ZHAN Meiling，et al. Research and application of polyamine water-baseddrilling fluid system[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2013，30（3）：23-26.

[4]魏殿举，史沛谦，王自民，等. 鄂尔多斯地区防塌钻井液技术[J]. 钻井液与完井液，2014，31（4）： 89-91. WEI Dianju，SHI Peiqian，WANG Zimin，et al. Inhibitive drilling fluid technology used in erdos[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2014，31（4）：89-91.

[5]覃勇，黄平，万伟. 环境友好型聚合物钻井液抑制剂的室内研究[J]. 钻井液与完井液，2015，32（5）： 37-40. QIN Yong，HUANG Ping，WAN Wei，et al. Laboratory study on environmentally friendly polymer shale inhibitor [J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（5）：37-40.

[6]郭文宇，彭波，操卫平，等. 钻井液用低聚胺类页岩抑制剂的结构与性能[J]. 钻井液与完井液，2015，32 （1）：26-29. Guo Wenyu，Peng Bo，Cao Weiping，et al. Molecular structure and performance of oligomeric amine shale inhibitor[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（1）：26-29.

[7]张洪伟，左凤江，贾东民，等. 新型强抑制胺基钻井液技术的研究[J]. 钻井液与完井液，2011，28（1）：14-17. ZHANG Hongwei，ZUO Fengjiang，JIA Dongmin，et al. Research on new high inhibition amino drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2011，28（1）：14-17.

[8]张克勤，何纶，安淑芳，等. 国外高性能水基钻井液介绍 [J]. 钻井液与完井液，2007，24（3）：68-73. ZHANG Keqin，HE Lun，AN Shufang，et al. An introduction to the high performance water base muds abroad[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2007，24 （3）：68-73.

[9]王中华. 关于聚胺和“聚胺”钻井液的几点认识[J].中外能源，2012，17（11）：36-42. WANG Zhonghua. Several recognition on polyamines and “ polyamine” drilling fluids[J]. Sino-Global Energy，2012，17（11）：36-42

[10]郭建华，马文英，孙东营，等. 新型胺基抑制剂FYZ-1在白庙油田的应用[J]. 精细石油化工进展，2015，16 （2）：24-28. GUO Jianhua，MA Wenying，SUN Dongying. et al. Application of polyamine shale inhibitor FYZ-1in Baimiao oilfield[J]. Advances in Fine Petrochemicas，2015，16（2）：24-28.

Ploya mine Shale Inhibitor Content Measurement and Determination of Optimum Dosage

GUO Jianhua1, MA Wenying1, LIU Xiaoyan1, DU Mingjun2, LI Baohui1, ZHONG Ling1
(1. Research Center of Engineering Technology, Zhongyuan Engineering Company, Puyang, Henan 4570012. No. 2 Drilling Department of Zhongyuan Engineering Company, Puyang, Henan 457001)

AbstractAs a high performance shale inhibitor，polyamine has found a wide application in drilling with water base drilling fuids. Studies on polyamine were primarily focused on the inhibitive capacity and feld application，and no technical specifcations of polyamine have been established. A method of measuring the content of polyamine is discussed in this paper. Using the “sodium tetraphenylborate method”, the content of a free polyamine, FYZ-1, was measured. The measuring method has been determined through the optimization of the testing conditions, such as indicators, precipitation conditions, titration conditions, pH values, etc. The effect of drill cuttings on the content of polyamine has also been studied. It has been founded in laboratory experiments that the quantities of the adsorbed polyamine on carbonaceous shale，hydratable shale，brittle shale and sandstone are decreasing in that order. This fnding can be used to determine the concentrations of polyamine in drilling fuids in feld operations.

Key wordsPolyamine; Inhibitor; Adsorption quantity; Lithology; Measuring method

中图分类号：TE254.4

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）03-0035-06

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.007

基金项目：中石化部级项目“高效聚胺抑制剂在油气井水平段钻井应用试验”（J214001）。

第一作者简介：郭建华，男，高级工程师，硕士研究生，1970年生，1996年毕业于西南石油学院应用化学专业，现在主要从事管理、钻井液及防漏堵漏技术研究工作。电话 （0393）4899234；E-mail：zyzjygjh@163.com。

收稿日期（2016-1-5；HGF=1602M1；编辑马倩芸）