胺基钻井液技术进展.pdf

2 0 1 1 年 8月 胺基钻井液技术进展 7 胺基钻 井液技 术进展 周 双君 西部钻探钻井工程技术研究院， 鄯善 8 3 8 2 0 2 [ 摘要] 介绍了胺基钻井液的发展历程， 主要特点及其国内外的研究与应用情况。指出胺 基钻井液在钻井过程中所表现出的防止井壁坍塌性、 页岩稳定性等性能可接近油基钻井液； 而对 比油基钻井液， 不仅有明显的环保优势， 还能大幅降低钻井成本。 [ 关键词] 胺基钻井液水基钻井液油基钻井液抑制性 为满足环保要求和降低钻井液成本 ， 国外科 研机构在寻求一种具有油基钻井液性能的水基钻 井液时， 开发出了一种新型的高性 能水基钻井液 H P WB M ， 其实质是 采用了一种新的阳离子胺 基聚合物， 又称胺基钻井 液 J ， 它是利用 胺盐 的 高抑制能力、 防泥包能力以及成膜作用， 达到与油 基钻井液相当的效果 。 1 发展历程 胺基钻井液的发展历程最早可以追溯到铵盐 的使用。很早以前， 铵盐或胺类化合物就被用作 钻井液的泥页岩抑制剂 。其 中， 结构最简单的为 N H C 1 ， 它提供的 N H 的水化 能低 ， 其被黏土优 先吸附后 ， 会促使黏土晶层间脱水 ， 使晶层受到压 缩， 从而有效地抑制黏土水化 ； 且 N H 的直径与 黏土硅氧四面体氧原子六角环网络的直径相当， 因此很容易嵌入此网络 中， 依靠离子的晶格 固定 作用 ， 使黏土晶层形成类似伊利石的紧密结构 ， 阻 止水分子进入晶层而抑制黏土水化。从氯化铵到 目前的胺基钻井液， 进程约略为 氯化铵铵盐 钻井液体系有机阳离子物质季胺阳离子聚合 物部分水解聚丙烯酰胺有机阳离子物质 季烷基胺有机阳离子物质季羟基胺两性 聚胺酸烷基二胺聚胺乙二醇类醚乙 二醇聚胺类。J o 中国科研 工作者对 胺 铵 类抑 制剂进行 了 多项研究 ， 并取 得 了许多 阶段性 的研究成果 ， 成功研制出大、 小阳离子处理剂。大阳离子即阳 离子聚丙烯酰胺 ， 它的相对分子质量在 1 0 0万左 右， 分子链长， 桥联作用好， 带有的阳离子基团可 降低钻屑的负电性， 减小粒子间的静电排斥作用， 絮凝钻屑 ， 清除无用固相。除絮凝作用外 ， 大阳离 子也具有较强的抑制岩屑分散能力。小阳离子即 环氧丙基三甲基氯化铵， 是一种阳离子型表面活 性剂， 靠静电作用可吸附在岩屑表面， 岩屑表面吸 附的小阳离子疏水基 可形成疏水层 ， 阻止水分子 进入岩屑粒子 内部 ； 同时， 小阳离子还可以通过离 子交换作用进入岩屑层间， 然后靠静电作用拉紧 片层 ， 有效抑制岩屑水化膨胀和分散 ； 小阳离子所 带 的正 电荷还可中和岩屑带的负 电荷 ， 削弱岩屑 粒子间的静电排斥作用， 降低岩屑的分散趋势。 2 l 世纪初 ， P a t e l 等成功研究 出了一种用于水 基钻井液的抑制性能优 良的聚醚二胺化合物 ， 该 化合物属胺类低分子量有机物 ， 是一种液体 型处 理剂 ， 其抑制机理是聚醚二胺通过嵌入黏土片层 ， 阻止水分子进入 ， 降低黏土的水化膨胀作用 ， 达到 抑制 效果 ， 此外 它还 能 提供 较好 的润 滑性 J 。 Y o u n g等也研发出一种疏水性胺作为泥页岩抑制 剂 ， 当体系的 p H不超过 9 ． 5时 ， 它可以被质子化 或部分质子化 ， 能够很好地溶于水而具有高效的 泥页岩抑制性 。 2 胺基钻井液的特点 胺基钻井液有较 高的抑制能力 和防泥包 能 力 ， 符合环保要求 ， 并具有成膜作用 ， 其效果与油 基钻井液相当， 是替代油基钻井液且又能安全钻 井的高性能水基钻井液。 2 ． 1 抑制性强 胺盐易溶于水 ， 低毒， 可与其他添加剂一起使 用 ， 不水解 ， 具有成膜作用。新胺盐有独特的分子 结构 ， 可填充黏土层 间， 并把它们束缚在 一起 ， 有 效地减少黏土的吸水倾 向； 胺基分子通过金属 阳 离子吸附在黏土表 面， 或者是在离子交换 中取代 收稿 日期 2 0 1 1 0 62 l 。 作者简介 周双君 ， 毕业于长江大学油 田应用化 学专业 ， 现从 事钻井液技术研究工作。 8 AD 精 VAN 细 CE S 石 I N E P 化 E TR 工 OCH 进 EMI C 展 ALS 第 l 2 卷第 8 期 nN ⋯ ⋯ ’ ⋯ 了金属阳离子形成了对黏土的束缚； 其抑制页岩 膨胀的机理不同于聚合醇的作用机理， 这是由于 胺基独特的束缚作用， 而不是把水从层间排除； X 射线衍射分析结果表明， 随着其浓度的增加， 蒙脱 土的层间距在下降， 这与在聚合醇溶液中观察到 的现象相反， 同时这也支持了一种新抑制机理的 假设 ； 对具有中性的胺抑制剂进行 了各种分子量 的建模研究 ， 结果表明， 具有某些分子量的胺的混 合物通过架桥的方式可穿过土层进行束缚⋯。 2 ． 2 环保性好 英国北海的环保部门规定如果油基钻井液和 合成基钻井液在钻屑上的滞留质量超过了总量的 1 ％ ， 那么就不能直接排放 。因此 ， 油基钻井液和 合成基钻井液必须经过处理后才能做到“ 零排 放” 。使用胺基钻井液可以满足在墨西哥湾和英 国北海油田钻井时的环保要求 。这种钻井液既能 符合环保规定 ， 又能满足钻井施工， 并且全部废弃 钻井液和钻屑都允许直接排放 ， 大幅度削减 了用 于废浆和钻屑处理的费用 J 。 3 胺基钻井液技术现状 3 ． 1国外 胺基钻井液被称为高性能水基钻井液， 在国 外应用较广 ， 特别是在文献[ 7 ] 刊登的“ 钻井液体 系” 分类和“ 处理剂” 分类 中， 该体 系被加入到 了 “ 水基钻井液体 系” 一栏 中， 与“ 不分散” 、 “ 钙处 理” 、 “ 聚合物” 等钻井液体系并列， 说明了国外对 该体系的重视程度。近几年 ， 国内也开展 了相关 的研究工作 ， 并有一些应用。 K l e i n等 优化设计 了一种用 于墨西哥湾大 陆架黏性地层的高性能水基钻井液， 该钻井液不 加人任何盐类化合物， 而加人聚胺泥页岩抑制剂、 聚合物包被剂及防泥包添加剂， 使其具有与油基 钻井液相当的泥页岩抑制性。现场数据表 明， 与 其他钻井液相 比， 采用此水基钻井液钻相同层段 所需的时间大幅度减少， 井底没有钻头泥包现象， 钻屑能被很好地包裹， 阻止了其水化作用， 这种水 基钻井液在井场可直接用海水配制 ， 也无需油基 钻井液及钻屑排放所必需的工程处理设备， 缩短 了钻井时间， 并使钻井成本显著降低。 P a t e l 等l 4 采用聚醚二胺作为泥页岩抑制剂 研制出了一种既安全环保又具备油基钻井液优异 抑制性和润滑性的 U l t r a D r i l l 高性能水基钻井液。 该体系所用的主抑制剂 U l tr a H ib是一种不水解、 完全水溶、 低毒并与其他常用水基钻井液添加剂 配伍的液体聚醚二胺抑制剂， 它通过嵌入黏土片 层阻止水分子渗入， 降低黏土的水化膨胀作用而 起到良好的抑制效果 。 高性能水基钻井液首次在墨西哥湾深水钻井 中进行 了成 功应用。然后 该钻井液在 全球试验 4 0 0多口 井， 其中大约5 0 ％ 的应用井取代了目前 使用的水基钻井液或油基钻井液。高性能水基钻 井液在陆上、 浅海和深海钻井中均进行了应用， 作 业区域 包括北 美、 南美、 欧洲、 非 洲、 中东 和 远东㈣ 。 在所有应用的区域中， 与其他水基钻井液相 比， 高性能水基钻井 液具有极好 的抑制性能和经 济可操作性。高性能水基钻井液在井壁稳定性和 提高机械钻速方面已接近油基钻井液。胺基钻井 液在国外的广泛研究与应用 ， 随之也发展 了相应 的评价和检测方法， 用于完善该钻井液体系的研 究。针对胺基钻井液超强的抑制性， 滚动回收试 验比较回收率的方法受到限制， 在回收率相当的情 况下， 新的硬度测试试验更能比较钻井液抑制性强 弱。在现场应用时， 抑制剂含量测试为钻井液维护 起到重要的指导作用⋯。 3 ． 2 国内 高性能水基钻井液在国外的成功应用 ， 引起了 国内钻井液工作者的高度重视， 国内许多科研单位 积极开展了胺基钻井液技术研究工作， 并进行了现 场应用。 2 0 0 7年， 由中海油服和长江大学共同研制出 聚胺的同类产品 U H I B， 开发出聚胺钻井液 ， 它具 有抑制性强， 在高温高密度下仍具有良好的流变 性和抗温稳定性 、 低 滤失性 和良好的润滑性等特 点， 这些特点有利于钻井液性能的稳定和预防高 温高密度情况下的压差卡钻， 并已在现场应用， 取 得了一定的应用效果【 】 卜 J 。 2 0 0 8 年， 胜利石油管理局研制的铝胺高性能 钻井液 ， 通过三次 回收率和岩心浸泡实验 ， 评价了 胺基聚醇 有机胺类 A P一 1 和铝聚合物 D L P一 1 的防塌能力， 并优选出了铝胺高性能水基钻井液配 方 ， 现场应用取得了良好 的效果 引。 2 0 0 9 年， 屈沅治 研发的泥页岩抑制剂 S I A T 含有胺基 ， 存在醚键 ， 相对分子质量不超过 l 0 0 0 ， 对膨润土有良 好的水化抑制作用， 能明显提高泥页 2 0 1 1 年 8月 胺基钻井液技术进展 9 岩钻屑的回收率 ， 有效抑制钻屑水化。 2 0 1 0年 ， 中国石油集团钻井工程技术研究 院 钻井液研究所研发的胺基钻井液技术采用了胺基 聚合物 S I A T作 为抑制剂 ， 在华北油 田洪 6 9井 和 新疆油 田 MB 6 0 0 1井现场试验。试验结果表 明， 胺基钻井液体系能有效抑制大段水敏性泥岩水化 膨胀 ， 具有优 良的抑制性， 有效解决了井壁失稳及 泥页岩掉块， 提高了井壁稳定性， 大幅度降低了软 泥岩对钻柱和钻头的黏附， 起下钻顺利， 井径规则。 4结 论 1 胺基钻井液的性能 比常规水基钻井液有 显著的提高 ， 在钻井过程 中表现 出的防止井 壁坍 塌性、 页岩稳定性等性能接近油基钻井液 ， 性能优 势明显。 2 胺基钻井液是一种环保 型的钻井 液 ， 对 比油基钻井液 ， 有着明显的环境保护优势 ， 还能大 幅降低钻井成本 。 参考文献 [ 1 ] 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， 2 0 0 7 ， 2 4 3 6 8 7 3 ． [ 2 ] P a t e l A ， S t a m a t a k i s E ， D a v i s E ． S h a l e h y d r a t i o n i n h i b i t i o n a g e n t a n d m e t h o d o f U S e U S ， 6 2 4 7 5 4 3 [ P ] ． 2 0 0 1 - 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