胺基聚醚分子量对钻井液性能影响研究

钟 灵

（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）

端胺基聚醚（amine-terminated polyether, 简称ATPE）又叫聚醚胺，是一类具有柔软的聚醚骨架，末端以氨基或胺基封端的聚氧化烯烃化合物。其胺基一般为含有活泼氢的伯胺基、仲胺基或多胺基基团[3-6]。钻井现场常用的端胺基聚醚是伯氨基封端的聚环氧丙烷化合物，在钻井液行业应用中统称为胺基聚醚（amine polyether，简称APE）。市面上常见胺基聚醚分子量一般为200～2 000。因其具有良好的抑制能力，且不易造成黏土絮凝，是目前现场常用的聚胺类抑制剂之一[7-9]。应用于钻井液体系中的胺基聚醚可以是一种分子量的胺基聚醚，也可以是多个分子量的胺基聚醚的复配。实验室内先选取了6种不同分子量的胺基聚醚产品进行单一分子量的胺基聚醚的优选研究，再将多个不同分子量胺基聚醚进行复配，考察复配胺基聚醚是否会增强其作用效果。

1 实验部分

主要材料：ED600、ED900（扬州晨化新材料股份有限公司），D230、T403、ED2003（苏州长科实业有限公司），MA240（无锡阿科力科技股份有限公司）；钻井液配浆用膨润土（渤海钻探工程有限公司泥浆技术服务分公司）。

主要仪器：滚子加热炉（青岛得顺电子机械有限公司）；台式离心机（常州天瑞仪器有限公司）。

胺基聚醚吸附量测试方法：首先在无水乙醇中加入不同量的胺基聚醚，使用盐酸-乙醇溶液进行滴定[10]，并绘制胺基聚醚加量-胺值的标准曲线图；然后再抽取1 mL离心后的上层清液，加入50 mL无水乙醇和5～10滴溴酚蓝指示剂，使用盐酸-乙醇溶液进行滴定；最后将滴定结果通过标准曲线进行计算，而得到滤液中胺基聚醚游离含量。胺基聚醚吸附量=[（胺基总量-游离含量）/土的质量+空白样耗损]×100%。

滚动回收率测试方法：选用易水化分散的粒径过6～8目筛的泥页岩岩心，准确称取10 g岩心放入溶液后放入老化罐，在滚子加热炉中以120 ℃下滚动一定时间后取出。冷却至室温后过40目筛，取上部筛余岩心在105 ℃条件下烘4 h后称重并计算。其中一次回收率是在溶液中经120 ℃/16 h滚动老化后过筛烘干称量，其余多次回收率是将岩心在350 mL清水中经120 ℃/2 h滚动老化后过筛烘干称量。滚动回收率=（滚动前岩心重量-滚动后岩心重量）/滚动前岩心重量×100%。

2 胺基聚醚优选

胺基聚醚在钻井液中的抑制能力主要体现在对土浆的作用及对泥页岩水化的抑制性，优选用于钻井液体系中的单一分子量的胺基聚醚。实验中选取的胺基聚醚理化性能见表1。六种胺基聚醚分子量不同，其中D230、MA240、ED600、ED900和ED2003每个分子上有2个伯胺基团，T403分子上有3个伯胺基团。

表1 不同分子量胺基聚醚理化性能

2.1 单一分子量胺基聚醚考察

膨润土吸附量实验如下。不同分子量不同浓度的胺基聚醚水溶液中加入10%的钻井液配浆用膨润土，30 ℃下恒温振荡2 h并离心。通过测定滤液中胺基聚醚的游离含量，从而计算出膨润土对胺基聚醚的吸附量。对于官能度相同而分子量不同的胺基聚醚，加量≤1%时，膨润土对胺基的吸附量呈直线上升趋势，此时滤液中游离的胺基聚醚很少，基本全被膨润土所吸附；加量＞1%以后，吸附曲线呈弧线上升，此时滤液中胺基聚醚游离含量逐渐增大；加量≥3%以后，吸附量不再增大，即已达到了吸附平衡。从MA240和T403对比可知，分子量相同官能度不同胺基聚醚，总胺值越高的吸附量数值越大。从D230、MA240等双官能度的胺基聚醚在膨润土中的吸附量可以看出，分子量越小，土对胺基的吸附量越大，从而能更有效地抑制黏土分散，提高钻井液的抑制性。

通过滚动回收率考察不同分子量胺基聚醚的抑制性。取分子量不同的胺基聚醚，配制成1%的水溶液，测定120 ℃下滚动回收率。其回收率T403＞D230＞MA240＞ED600＞ED900＞ED2003，分子量越低、胺值越高，滚动回收率越高，即抑制性越好。T403虽然胺值小于D230，但抑制性却略高于D230。这是由于T403为三官能度，对土的吸附作用强于二官能度的D230。ED900和ED2003滚动回收率低于清水。这是由于1%胺基聚醚水溶液pH为11左右，表现出一定的分散作用，分子量较大时胺基密度很低，抑制作用小于分散作用，使得回收率低于清水。

2.2 多分子量复配胺基聚醚考察

前面考察了单一型号的胺基聚醚的加量及抑制性能，但多分子量胺基聚醚复配是否会增强其作用效果还有待研究。因此开展多分子量复配胺基聚醚的加量及抑制性能研究，考察多分子量级配胺基聚醚加量与游离含量关系及吸附等温线考察。

选用分子量分别为230、440、600、900、2 000的胺基聚醚，通过理论计算配制平均分子量为800的复配胺基聚醚。复配方式选用2种、3种、4种胺基聚醚复配，分子量分布包含较宽、居中、较窄三种情况，具体配比见表2。

表2 复配胺基聚醚配比情况

在不同浓度的复配胺基聚醚水溶液中加入10%的钙土，30 ℃下恒温振荡2 h。按照1中讲述的方法测定滤液中胺基聚醚游离含量，进而计算胺基聚醚吸附量。复配胺基聚醚加量与游离含量的关系如下：对于分子量复配的8种胺基聚醚，加量＜1%时，随着加量增大，土对胺基聚醚的吸附量逐渐增加，此时胺基聚醚基本被钙土所吸附；加量超过1%以后，吸附量增加幅度趋缓，基本达到吸附平衡。不同方式复配后平衡吸附量有一定差别，但是差别不大。将复配胺基聚醚吸附等温线与单剂D230吸附等温线对比发现，其吸附规律相同，均为L型单层吸附。从不同方式复配的胺基聚醚对比可以看出，总胺值越高，土对胺基的吸附量也越高。

2.3 持续抑制性能考察

采用页岩回收率法测试不同胺基聚醚的持续抑制能力。一次回收率是将岩心放入加了不同胺基聚醚的钻井液中高温滚动后测试，其余的回收率均是将之前滚动烘干后的岩心放入清水中高温滚动后测试。可以看出，钻井液基液的一次回收率相差不大，但随着清水滚动回收次数的增多，回收率直线下降。APE钻井液的回收率基本保持较高，仅采用ED900和复配8（ED600与ED900复配）的钻井液随着回收次数的增多而略有下降。结合表1和表2分析认为，当钻井液中所加的APE总胺值＜3 mmol/g时，随着总胺值的降低，清水滚动回收次数的增多，回收率逐渐下降；而钻井液中所加的APE总胺值≥3 mmol/g时，回收次数的增多对其回收率影响较小，说明总胺值≥3 mmol/g的胺基聚醚具有良好的长效抑制性。因此配制APE钻井液应选用总胺值≥3 mmol/g的胺基聚醚，以达到良好的持续抑制效果。

3 结论

1）在不同分子量的胺基聚醚中，分子量越小，胺值越高对泥页岩抑制性越好；同分子量时官能度越高，作用效果越好；多分子量复配胺基聚醚抑制性并无明显提高；胺基聚醚的抑制性能主要与总胺值大小有关。因此推荐分子量分布范围窄、总胺值较高的胺基聚醚为钻井液体主处理剂。

2）配制胺基聚醚钻井液应选用总胺值≥3 mmol/g的胺基聚醚，以达到良好的长效抑制效果。