强抑制性钻井液用有机胺抑制剂的性能研究.pdf

第 2 8卷 第 2期 2 0 1 1 年 3月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLETI ON FLUI D 、 b1 ． 2 8 No． 2 M a r ．2 01 l 文章编号 i 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 1 0 2 0 0 3 2 ． 0 4 强抑制性钻井液用有机胺抑制剂的性能研究 苏秀纯 ， 李洪俊 ， 代礼扬 ， 孙德军 2 刘河 ， 徐瑞 国 ， 任正军 1 ． 渤海钻探工程技术研究院，天津 ； 2 ． 山东大学胶体与界面化学教育部重点实验室 ，济南 摘要研制 了一种 与国外高性 能钻 井液用聚胺抑制剂性能相 当的有机胺抑制剂 B Z ． A N1 ，对该剂 的表面活性 、 吸附特性、吸附层间距、对膨润土浆p H值的影响等理化性能以及其抑制黏土造浆和岩屑分散的性能、对钙膨润土 分散体系流变性的影响进行了评价。有机胺抑制剂 B Z ． A N1 具有独特的分子结构，能很好地镶嵌在黏土层问，并 使黏土层紧密结合在一起，从而起到抑制黏土水化膨胀、防止井壁坍塌的作用 ； 该剂能够抑制钻屑分散而又不损 害钻井液的性能，能够较好地兼顾钻井液体系的分散造壁性与抑制性。 关键词 钻井液添加剂 ； 有机胺 ； 抑制剂 ； 理化性能 ； 高性能钻井液 中图分类号 T E 2 5 4 ．4 文献标识码 A 近年来 为满足环境保 护和复杂钻井作业 的需 要 ，国外研究出了高性能水基钻井液体系 ，并已进 行广泛应用 ，它还特别适用于海上钻井。该体系具 有抑制性强 、机械钻速高、储层保护效果好 、保护 环境等特点 。 其实质是应用了一种新型胺基抑制剂。 通过对 以往使用的抑制剂 的作用机理 、分子结构、 电性进行分析 ，研制了一种有机胺抑制剂 B Z ． A N1 ， 其具有独特的分子结构 ，能够很好地镶嵌在黏土层 问，并使黏土层紧密结合在一起 ，从而降低黏土吸 收水分 的趋势。该剂能够抑制钻屑分散而又不损害 钻井液的性能，能够较好地兼顾钻井液的分散造壁 性与抑制性 [ 1 - 4 ] 。 1 有机胺抑制剂 B Z ． AN1的理化 性能 对有机胺抑制剂 B Z A N1的表面活性 、吸附特 性 、p H值 、吸附层间距等理化性能进行了评价 D -4 3 。 1 ． 1 表 面张力 利用 K1 2型界面张力仪 测定了有机胺抑制剂 B Z ． A N1 水溶液 的表面张力 ，结果 见图 1 。从 图 1 可 以看 出，在 B Z AN1的浓度很低时 ，随其加量的 增加 ，水溶液的表面张力急剧降低 ； B Z - AN1 的浓 度增大到一定值后再继续增加 ，表面张力下降速率 趋缓。有机胺抑制剂 B Z ． A N1 具有一定的表面活性 ， 其临界胶束浓度约为 0 ． 3 4 ％ m ／ m ，能将表面张力 降低到 5 0mN ／ m左右。 B Z - A NI 的浓度 图 1 有机胺抑制剂 B Z AN1 水溶液的表面张力 1 ． 2在蒙脱土颗 粒上的吸附 特性 测定 了不 同温度 、不同电解质存在的条件下有 机胺抑制剂 B Z A N1 在蒙脱土颗粒上的吸附等温 线 ，实验结 果见 图 2和图 3 。由图 2和图 3可知 ， 有机胺抑制剂 B Z ． A N 1 的浓度很低时，其在蒙脱土 上的吸附量随着其浓度的增加而急剧升高 ； 当有机 胺浓度增大到一定值后，随着其浓度的继续增加， 有机胺的吸附量上升速度趋缓 ；随着温度 的升高 ， 第一作者简介 苏秀纯，高级工程师，1 9 8 9年毕业于石油大学研究生部获硕士学位，一直从事钻井液完井液技术研究 及管理工作。地址 天津市大港 区渤海钻探工程技术研 究院大港分院 ； 邮政编码 3 0 0 2 8 0；电话 0 2 2 2 5 9 2 8 0 5 3 ／ 1 3 9 2 0 7 1 8 6 9 3 。 冒 一 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 2期 苏秀纯等强抑制 性钻 井液用有机胺抑制剂的性能研究 3 3 有机胺在蒙脱土上的吸附量稍有下降 ； 加入 电解质 后有机胺的吸附量略有下降，最终趋于一致 ，吸附 等温线为 L型，表明有机胺抑制剂 B Z A N1 与黏土 颗粒之间存在强相互作用 ，作用力类型推测为正电 性的质子化有机胺与带负电的蒙脱土颗粒之 间的静 电吸引力 ，但也不排除胺基与黏土颗粒表面氧原子 或羟基之间的氢键作用。 g 衄l 莲 B Z - A N 1 的平衡浓度／ g ／ L 图 2 有机胺抑制剂 B Z ． AN1 在黏土上 的吸附曲线 1 2 0 1 o 0 盖 8 o 甚 。 6 0 4 o 2 0 O B Z - A N 1 的平衡浓度／ g ／ L 图 3 温度和电解质对 B Z ． AN1 存蒙脱土上吸附量的影响 1 ． 3 对黏 土层问距的影 响 用 x射线衍射仪分别测定了 MI 聚胺 一 MMT 蒙 脱 土 体 系以及 B Z A N1 一 MMT体 系 的 XR D谱 图 中 d 0 0 1 峰的变化 ，试样 中蒙脱土的含量为 0 ． 5 ％， 胺的含量为 0 ． 8 ％，含 电解质体 系中无机盐浓度分 别为 1 ％K C 1 、1 ％Na C 1 或 0 ． 2 ％C a C ， ，结果见 图 4 、 图 5和表 1 。实验数据表 明，B Z A N1 确实 吸附到 了黏土层 问。 1 ． 4 对膨润 土浆p H值 的影响 测定了 2 5 c c 及 1 5 0℃下有机胺抑制剂 B Z A N1 对黏土浆 p H值的影响 ，结果见图 6和图 7 。从 图 6 和图 7可以看出，随有机胺的加人 ，黏土悬浮液的 p H值迅速上升，当有机胺的加量超过 0 ． 1 ％后，膨 润土浆 p H值 的上升趋势变缓 。 这是因为有机胺是 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 寇 2 0 0 0 暖1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 O 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 2 。 图 4 MI 聚胺 ． MMT体 系的 XR D 谱图 3 5 0 0 3 0 0 0 ＆2 5 0 0 2 0 0 0 楚 1 5 0 0 1 0 0 0 5 o 0 0 2 。 图5 B Z ． A N1 ． MMT体系的 XR D谱图 表 1 蒙脱土吸附胺及其他 电解质后 的层 间距 l 0 ． 5 1 0 ． O 9 ． 5 9 ． 0 8 ． 5 8 ．0 7 ． 5 7．O B Z - A N1 的平衡浓度 ／ g ／ L 图6 MI 聚胺对膨润土浆 p H值的影响 11 ． 5 l 1 ． O l 0 ． 5 1 0．O 9． 5 9．O 8 ． 5 8．O 7 ． 5 B Z - A N 1 的平衡浓度／ g ／ L 图 7 B Z - A N1 对膨润土浆 p H值的影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 1年 3月 一 种弱碱性的物质，在水溶液 中会与水发生可逆的 质子化解离反应。随着有机胺在黏土上的吸附消耗 的进行和有机胺浓度 的增加 ，反应会不断向有 O H一 产生 的方 向进行 ，因此 引起 了体系 p H值 的升 高。 但当加人 的有机胺浓度足够高时 ，该可逆反应会达 到平衡，此后 p H值上升缓慢。由图 6 和图 7 还可 以看 出，温度的升高和电解质的加入对膨润土浆的 p H值影 响不大 ，有机胺抑制剂 B Z ． A N1 对膨润土 浆 p H值的影响趋势与 MI 聚胺基本一致 。 2 有机胺对黏土造 浆性能 的抑制作 用 2 ． 1 黏土在有机胺水溶液中的造浆性 进行了有机胺抑制剂 B Z AN1 对黏土造浆性的 影响研究 ，实验结果见表 2 。从表 2可以看出，无 论是 常温还是高温下 ，B Z A N1 都有很强的抑制黏 土造浆能力。表 2中配方如下。 1 水 1 O ％钙膨润土 碳酸钠 ，高速搅拌 2 O mi n ，密闭养护 2 4 h 2 水 0 ． 5 ％有机胺 1 0 ％钙膨润土 碳酸钠 ， 高速搅拌 2 0mi n ，密闭养护 2 4h 表 2 黏土在 纯水和 0 ． 5 ％有机胺水溶液中的造 浆性 注 在 1 5 0 q c下热滚 1 6 h 。 2 ． 2 有机胺水溶液对膨润土的容量限 配制 3 5 0 mL的 I ％B Z A N1 水溶液 ，向其 中加 入 3 ％OC MA膨润 土，在 6 5℃下滚 动 1 6 h ，测其 流变性。然后 向测量流变性后的样品中继续加入等 量的膨润土，重复实验 ，直至无法测量为止。 实验 结果见表 3 。从 表 3可以看 出，有机胺 B Z A N1 有 很强的抑制黏土造浆能力 ，对黏土的容量限较高。 2 ． 3 有机胺抑制岩屑分散性能 对几种不 同的胺类抑 制剂进 行 了回收率对 比 实验 ，热滚条件为 1 2 0 c C、1 6 h ，实验结果见表 4 。 从表 4可知，实验用的港 2 2 2井红色泥岩极易分散 造浆 ，所用岩屑在清水 中的回收率只有 2 ． 5 4 ％，加 入 2 ％ 的有机胺后 ，回收率提高到 2 1 ． 5 4 ％，提高了 7 ． 5倍 。B Z A N1的抑 制性 好于 类似 产 品 Z J Y - 1和 ZJ Y 2。 表 3 1 ％BZ． AN1水溶液对 O C MA膨润土的容量限 注 在膨润土 累积加量为 9 ％ 时超 出量程。 表 4 回收率实验结果 注 实验用岩屑为港 2 2 2 井红色泥岩。 2 ． 4 有机胺对泥页岩的浸泡实验 选取某井易坍塌剥落井段的软泥岩岩心进行了 浸泡实验 ，结果见图 8 ～图 1 1 。 图 8 实验用原岩样 图 9 岩样浸泡 4 h的情况， 左侧为 2 ％有机胺， 右侧为清水 0 0 1 ， 5 0 O O L L ● 2 6 2 4 ， 如 5 m 3 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 2期 苏秀纯等 强抑制 性钻井液用有机胺抑制剂的性能研究 3 5 图 1 0 岩样浸泡 6 h的情况， 左侧为 2 ％有机胺， 右侧为清水 2 ％有机胺 清水 图 1 1 岩样浸泡 7 2 h的情况 从 图 8 ～ 图 1 1 可以看 ，岩心用 清水浸泡 4 h 后 已开始碎裂，7 2 h后完全散开破碎 ； 用 2 ％有机 胺水溶液浸泡 4 h后 出现少量的裂纹 ，但继续浸泡 至 7 2 h后 ，岩样依然保持完整。说 明有机胺抑制剂 B Z ． A N1 具有很好 的抑制泥页岩吸水膨胀坍塌作用 。 3 有机胺对膨 润土浆流变性的影响 对不同浓度的有机胺抑制剂 B Z A N1 对已水化 分散 的 1 0 ％ 钙膨润土浆流变性 的影响进行了评价 ， 实验结果见表 5 。 井液体系中，改善体系的抑制性和流变性。 4结论 与认 识 1 ． 有机胺 抑制 剂 B Z A N1 具有一 定 的表 面活 性 ，其临界胶束浓度约为 0 ． 3 4 ％ W ／ W ，能将表面 张力降低到大约 5 0 mN／ m。 2 ． B Z A N1 在蒙脱 土上的吸附等温线 为 L型 ， 表明有机胺与黏土颗粒之问存在强相互作用 ，作用 力类型推测为正 电性 的质子化有机胺与带负电的蒙 脱 土之间的静电吸引力 ，但也不排除胺基与黏土颗 粒表面氧原子或羟基之间的氢键作用。 3 ． B Z ． A N1 具有独特 的分子结构 ，能够很好地 镶嵌在黏土层问 ，并使黏土层 紧密结合在一起 ，从 而降低黏土吸收水分的趋势。 4 ． 无论是在常温还是在高温下 ，有机胺抑制剂 B Z ． A N1 都有很强的抑制黏土造浆能力。 5 ． 有机胺抑制剂 B Z ． A N1 具有很强的抑制岩屑 分散能力 ，具有很好 的防塌作用。 6 ． 有机胺抑制剂 B Z ． A N1 对钙膨润土分散体系 的流变性无不 良影响 ，可以用于高温高 同相含量钻 井液体系中，改善体系的抑制性和流变性 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王建华 ，鄢捷年，丁彤伟．高性能水基钻井液研究进 展 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 7 ，2 4 1 7 1 7 5 ． [ 2 ] 张克勤 ， 何纶， 安淑芳 ， 等．同外高性能钻井液介绍 [ J 1 ． 钻井液 与完井液 ，2 0 0 7 ，2 4 3 6 8 7 3 ． [ 3 ] P a t e l Ar v i n d，S t a ma t a k i s E ma n u e l， F r i e d h e i m J a me s E，e t a1 ．Hi ghl y I nhi bi t i ve W a t e r Bas ed Fl u i d Sy s t e m Pr o vi de s S upe r i o r Che mi c a l St a bi l i z a t i on of Re a c t i v e Sha l e F o r ma t i o n s [ R ] ． A A D E 2 0 0 1 Na t i o n a l D r i l l i n g C o n f e r e n c e ． [ 4 ] 孙德军，王君，王立亚 ，等 ． 非离子型有机胺提高钻井 液抑制 性 的室 内研究 [ J 1 _ 钻井 液 与完井 液 ，2 0 0 9 ，2 6 5 7 - 9 ． 收稿 日期2 0 1 0 1 0 2 0 ；I ND F 1 1 0 1 W1 ；编辑 汪桂娟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m