国内有机硅抑制剂的研究与进展

张松林，周书胜，吴娇，可点

国内有机硅抑制剂的研究与进展

张松林1，周书胜2，吴娇2，可点2

（1. 中国海洋石油集团有限公司，北京 100010； 2. 荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000）

在超深井、大位移井、复杂易垮井的钻探工作中，对于黏土矿物含量高的地层，对水基钻井液抗高温性、抑制性提出巨大挑战，水分子的自扩散运动使黏土水化分散，影响井壁的力学性能以及钻井液性能。有机硅抑制剂含有硅羟基，使其与黏土颗粒发生化学吸附，稳定性强，有效隔离水分子侵入黏土晶层，达到稳定井壁的目的。对近年来有机硅抑制剂的抑制机理、研究进展以及钻井液用有机硅抑制剂现场应用效果进行综述，为有机硅抑制剂的发展提供思路。

胺基硅醇；硅烷偶联剂；抑制性能；黏土矿物

随着工业水平提高，促使能源消耗量逐年上涨，浅部地层油气资源（油气资源埋藏深度小于 3 500 m）早已无法满足国内能源需求[1]。目前，钻探工作逐步向深部地层油气资源投入。超深井、大位移井、复杂易垮井的钻探工作给钻井液技术带来挑战，要求钻井液对易水化分散黏土矿物抑制性能强、滤失量小、润滑系数低、护壁性能强。对比水基钻井液，油基钻井液易满足上述要求[2]，但环境保护法律规范日益严格以及钻采成本的考虑，限制了油基钻井液的使用。水基钻井液微生物分解程度高、生物毒性小，并具有低成本的优势，使其在环保要求高的海域钻井平台使用。水基钻井液主要成分为水，水分子易进入蒙脱石、伊利石晶层间，由于离子交换引起的双电斥力使蒙脱石、伊利石间层扩大，改变井眼应力分布，易造成井壁失稳[3]，因此对水基钻井液抑制剂性能要求高。有机硅抑制剂具有抑制性能强且环保无毒等优点[4]，备受学者们关注。笔者对有机硅抑制剂的研究进展、抑制机理以及现场应用进行综述，为后期有机硅抑制剂发展提供参考。

1 有机硅抑制剂制备及作用机理

1.1 有机硅抑制剂制备

有机硅抑制剂通过硅烷偶联剂改性胺类抑制剂制备而得，硅烷偶联剂含有的 C=C 键易与乙烯基胺类单体发生共聚反应[5]，提高胺类抑制剂的高温吸附性能，胺类抑制剂具有较强吸附的胺基，在水溶液中解释放出有机阳离子，该阳离子（NH4+）与硅氧四面体片中的六方网格结构内切圆直径接近，可镶嵌于硅氧六元环中，使黏土晶层连接紧密[6]，上述结合力属于静电吸引力以及分子间作用力，受高温影响较大。通过硅烷偶联剂改性后，硅羟基与黏土晶层表面的羟基进行缩合反应，形成 Si—O—Si键，该化学键断裂能垒高，在高温条件下不易断裂[7]。有机硅抑制剂常用的硅烷偶联剂有乙烯基三甲氧基硅烷（A-171）、乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷（A-172）、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（KH570）、氯丙基三乙氧基硅烷（KH-230）、 γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、乙烯基羟基硅油。胺基抑制剂常含有超支化聚乙烯亚胺、线性聚醚胺、多烯多胺，或含有胺基、季铵盐离子的聚合物，以二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）、N-烯丙基邻苯二甲酰亚胺（ANP）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）为单体。除此之外，甲基硅酸钾、甲基硅酸钠可单独作为抑制剂，甲基硅酸根能吸附在黏土表面，对蒙脱石晶层水化过程起到明显抑制[8]。

1.2 有机硅抑制剂作用机理

有机硅抑制剂含有Si—O—R键，在水溶液中水解成硅羟基，该基团可与黏土矿物表面的硅羟基发生缩聚反应，形成Si—O—Si键，该键能为 460 kJ·mol-1，使有机硅抑制剂分子可牢固地吸附在黏土表面，其吸附量远高于其他抑制剂，并在高温条件下形成疏水性膜，有效隔离水分子侵入黏土晶层[9]；分子中的胺基在水溶液中发生质子化作用，由于静电吸引作用，在黏土表面形成双电层，降低黏土Zeta电位，压缩黏土层间距，抑制黏土层间钠离子与水分子的自扩散运动，提高井壁的力学性能，避免改变井眼应力分布[10]。有机硅抑制剂分子包被黏土矿物，分子长链桥接黏土颗粒，使其团聚在一起，避免黏土在钻井液中分散造成钻井液性能恶化。

2 有机硅抑制剂研究进展与应用

2.1 有机硅抑制剂研究进展

有机硅抑制剂具有较强的稳定性，在高温下有机硅官能团不易异化，在高盐钙环境下表现出优异的抑制性能，能稳定地吸附黏土表面，不易脱附，且加入钻井液中对其流变性能、滤失量影响小，克服了聚胺抑制剂絮凝能力强而造成钻井液滤失量大的问题[11]。近年来，有机硅抑制剂取得一定进展，罗霄[12]以DMDAAC、DMAA、KH570为原料制备抗高温有机硅-胺类抑制剂PKDAS，该分子结构在高温作用不易发生热降解，在220 ℃高温老化下，可有效抑制黏土晶层扩大，表现出抗高温抑制性能。罗春芝[13]以乙烯基羟基硅油、二乙烯三胺为原料制备有机硅抑制剂，并通过氧乙烯基、氧丙烯基单体改性制备了聚有机硅胺强抑制剂LGA-1，该抑制剂不仅在高温条件下对膨润土的造浆抑制率高，还可有效保证钻屑的完整性，对现场钻井液性能的影响小。引入氧乙烯基、氧丙烯基单体使LGA-1具有非离子表面活性剂性能，使LGA-1抗盐钙性能增强。聚合物分子中含有氧丙烯基，使LGA-1具有消泡作用，很好地克服了常规抑制剂引起的起泡严重问题。杨浩珑[14]采用AM、DMDAAC、A-151为原料合成抗高温有机硅聚合物抑制剂PDDAS，该分子在高温条件下可稳定吸附在膨润土表面，并改变其疏水性能。该抑制剂在线性膨胀与热滚回收实验表现出的抑制性能均优于胺类抑制剂。褚奇[15]采用硅烷偶联剂与硅烷线性聚醚胺或多烯多胺反应制备有机硅抑制剂，抑制剂分子中含有胺基、硅羟基在高温下可通过化学、物理吸附作用抑制黏土水化分散。温杰文[16]采用KH570、DMAA、ANP、DMDAAC为原料制备高聚物有机硅抑制剂，该分子链刚性强，在高温下不易发生蜷曲，可有效吸附在黏土表面达到抑制黏土造浆的目的，并堵塞黏土渗流通道，抑制其体积膨胀。李东平[17]采用KH570、AM、DMDAAC、NVP为原料制备有机硅抑制剂，该分子不仅在高温下表现出优异的抑制性能，且对泥页岩表面发生化学、物理吸附，改变其疏水性，抑制泥页岩水化分散，可阻缓钻井液对井壁的压力传递，起到稳定井壁作用。在钻井液中该抑制剂与其他处理剂配伍性好。

2.2 钻井液用有机硅抑制剂现场应用

有机硅钻井液具有热稳定性高、护壁性能强、毒性小、易生物降解等优点，尤其适用于深部地层油气资源钻探开发，成功应用于多个油田[18]。张店油田南150井地层胶结差，黏土矿物以蒙脱石、伊利石为主，分散造浆性能强，采用含胺基硅醇抑制剂的钻井液，该体系抑制性能强。钻井过程中，胺基硅醇抑制剂与其处理剂配伍性强，使井壁稳 定[19]。桩64-平1井水平段以泥页岩为主，易发生坍塌掉块，钻进过程中采用胺基硅醇强抑制封堵防塌钻井液体系，该体系膨润土容量限高，可有效抑制泥页岩水化膨胀，现场施工中未出现复杂情 况[20]。位于准噶尔盆地中部的董12井储层埋藏深，储层上部以泥岩为主，蒙脱石含量高，水敏性强。该地区前期多口井采用聚磺钻井液体系，钻进过程中导致井壁失稳等复杂情况，影响钻井周期以及带来重大的经济损失。董12井二开和三开井段采用胺基硅醇强抑制钻井液，钻进过程中，对比邻井钻速明显提高，施工过程中，井壁稳定，未发生明显掉块现象。快速钻井时，钻井液性能稳定，有害固相可有效清除[21]。河南中牟区块页岩气开发过程中，常出现缩径、坍塌掉块卡钻现象，Z2 井为该区部署的一口探井，该井二叠系伊蒙混层、伊利石含量高，采用有机硅HAS抑制剂的钻井液钻进过程中，泥页岩井段未出现井眼缩径、钻头泥包现象，同时避免了井壁失稳现象的发生。与该地区邻井相比，大大缩短了钻井周期，有效地降低了井下复杂事故的发生，同时降低了钻井成本，也符合环境保护要求[22]。董701井位于准噶尔盆地的一口评价井，该井油气资源埋藏深，储层温度超过150 ℃，且井底发育高压盐水，对钻井液抗盐钙侵污性能提出挑战，同时八道湾组以泥岩为主，微裂缝发育，要求钻井液的抑制性能以及封堵性能强。胺基硅醇防塌钻井液应用于董701井三开井，钻进过程中，有机硅抑制剂与该体系其他处理剂配伍性强，使滤失量变小，有效防止泥页岩水化膨胀。三开时，钻井液受盐水侵污，但对钻井液性能影响小，使钻井液维护工作量降低，足以证明该体系性能稳定。施工过程中，未出现复杂事故，对比邻井，机械钻速提高，钻井周期缩短，达到优质高效钻井的目的，且该体系对储层污染小[23]。

3 结束语

黏土矿物含量高的地层在高温条件下，水分子与黏土晶层间阳离子的自扩散运动使黏土水化分散，影响井壁的力学性能以及钻井液性能。有机硅抑制剂可通过化学吸附使抑制剂分子稳定地包被黏土表面，改变黏土表面疏水性能，达到抑制黏土水化分散。 有机硅抑制剂在高温下有机硅官能团不易异化，在高盐钙环境下表现出优异的抑制性能，克服了聚胺抑制剂絮凝能力强而造成钻井液滤失量大的问题。目前，有机硅抑制剂以及有机硅降滤失剂研究众多，但有机硅聚合物同时具备抑制、降滤失的研究报道甚少，可从两性离子聚合物降滤失剂上引入硅羟基，使有机硅聚合物同时具备抑制、降滤失功能。

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Research and Development of Organic Silicon Inhibitors in China

1,2,2,2

（1. China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China; 2. Jingzhou Jiahua Technology Co., Ltd., Jingzhou Hubei 434000, China）

In the drilling work of ultra-deep wells, extended-reach wells and complex easily caved wells, the high temperature resistance and inhibitions of water-based drilling fluid were challenged greatly for the strata with high clay mineral content. The self-diffusion movement of water molecules made clay hydrate and disperse, which affected the mechanical properties of borehole walls and the properties of drilling fluid. Silicone inhibitor contained silica hydroxyl group, which made it chemically adsorb with clay particles and have strong stability. It can effectively isolate water molecules from clay crystal layer and achieve the purpose of stabilizing well walls. In this paper, the inhibition mechanism, research progress and field application effect of organosilicon inhibitors for drilling fluid in recent years were reviewed, providing ideas for the development of organic silicon inhibitors.

Amine silanol; Silane coupling agent; Inhibition performance; Clay minerals

TE254

A

1004-0935（2022）02-0255-03

2021-08-08

张松林(1981-)，男，北京市人，中级经济师，2005年毕业于长江大学地球科学学院地理信息系统专业，研究方向：石油天然气行业管理和基础研究。