新型小分子胺基抑制劑性能研究及應用

朱勝，佘運虎，楊洋，張杰，杜佳琪

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中海油服油田化學事業部上海作業公司，上海 200335；3.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434100）

鉆井工程中，當水敏性頁巖暴露在水溶液中時會吸水膨脹、水化分散，而導致井壁失穩、鉆頭泥包、扭矩增大、鉆具受卡[1-4]。為解決上述問題所采用的方法通常有兩種：一是對水基鉆井液進行改性，增強對頁巖的抑制作用；二是采用油基鉆井液。雖然油基鉆井液體系在解決井壁穩定方面有著獨特的優勢，但是其成本高，環保性能差，維護困難。目前，胺基類水基鉆井液體系由于其優異的抑制性能，在全球范圍內得到應用，并有多次成功取代油基鉆井液的使用案例[5-8]。本文優選出了一種高性能新型小分子胺基抑制劑HEG，并對其抑制性能和在水基鉆井液體系中的性能進行了評價。

1 新型小分子胺基抑制劑HEG的合成和作用機理

基于鉆遇泥頁巖地層過程中對鉆井液抑制性的需求，室內以多乙烯多胺、氨基磺酸、環氧氯丙烷、去離子水為主要試劑，在80 ℃下合成了一種抑制劑，并將該抑制劑通過30 min的超聲分散得到新型小分子胺基抑制劑HEG[9-12]。HEG主要作用機理如下：

1）自由擴散：由于地層中沒有胺類分子，所以胺類分子也會在擴散運動中向地層運移，進入地層孔隙后，胺類分子會起到屏障作用，使擴散離子運移受阻，在一定程度上減小擴散交換量。

2）吸附作用：胺基分子吸附到井壁上，會把其結構中的甲基和碳環中的碳暴露在外。甲基為非極性基團，因此被吸附的分子層可以近似看作是憎水性的分子膜。這層膜將會抑制鉆井液中的水向地層中運移，減小由于水運移進地層孔隙而引起井眼復雜問題發生的可能性。

3）滲透作用：隨著擴散和吸附作用的進行，黏土和各種處理劑逐漸在環井眼一定范圍的地層內和井壁上堆集，直至最后形成泥餅。泥餅形成后，其滲透率遠遠小于地層，因而可以有效阻止鉆井液中固相顆粒繼續侵入地層。

2 新型小分子胺基抑制劑HEG的對比評價

2.1 防膨率評價

地層膨脹是地層中所含的黏土礦物水化的結果，通常采用測定巖樣線性膨脹百分數（俗稱膨脹率）或巖樣吸水量來表示地層的膨脹性能。室內將HEG和其他幾種性能優異的抑制劑進行了對比評價，評價方法參考標準《SY/T 5971—2016油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩定劑性能評價方法》中7.5防膨率測定-離心法。

從表1實驗結果可以看出，幾種抑制劑溶液的防膨率都可以達到85%以上，具有很好的防膨效果。

表1 防膨率評價結果

2.2 抑制黏土水化能力評價

實驗配方：400 mL去離子水+8.0 g抑制劑+80 g普通鈉搬土，加入搬土后在6 000 r·min-1下高速攪拌5 min，然后在40 ℃下測定其流變性能。

實驗條件：100 ℃滾動老化16 h，6 000 r·min-1下高速攪拌5 min，然后在40 ℃下測定其流變性能。

從表2數據，對比六速旋轉黏度計的讀值可以看出UHIB和HEG都有很好的抑制黏土水化的能力，KCl、CPI、HCS和WEIGH老化后增稠，抑制黏土水化能力差。

表2 不同抑制劑抑制黏土水化能力實驗結果

2.3 抑制分散性評價-滾動回收率

滾動回收率是通過抑制露頭土顆粒的水化分散性能來表現抑制性的，抑制劑的抑制能力越好，露頭土顆粒的水化分散越差，顆粒完整性保持得越好，滾動回收率越高。

本實驗中向400 mL 2.0%的去離子水抑制劑溶液中加入50 g烘干的6～10目（3 350～1 700 μm）露頭土，100 ℃熱滾16 h后過40目（380 μm）篩，烘干回收的露頭土，計算回收率。

從實驗結果數據可以看出，幾種抑制劑的滾動回收率只有HEG達到了90%以上，抑制性最好。

表3 不同抑制劑的滾動回收率

通過以上三個抑制性評價實驗得出，HEG具有很好的抑制性能，可以有效抑制黏土水化分散。

3 對PLUS/KCL鉆井液體系性能的影響評價

胺基類抑制劑的加入可能會對聚合物鉆井液的性能產生較大的影響，室內評價了HEG對聚合物鉆井液體系PLUS/KCL性能的影響。

PLUS/KCL體系基本配方: 3.0%海水般土漿+0.1%NaOH+0.5%PLUS+2%GJC+0.5%PAC-LV+0.1%XC+5%KCl+1.5%LUBE-F+2%GBL+2%CMJ+重晶石加重至密度為1.2 g·cm-3。

3.1 HEG對PLUS/KCL體系流變性能和濾失性能的影響

實驗條件：100 ℃熱滾16 h，40 ℃測試性能。

從表4數據可以看出，隨著HEG加量的增加，PLUS/KCL體系的表觀黏度、塑性黏度略有增加，濾失性能變好，濾失量降低。總體來說，HEG對PLUS/KCL體系流變性能影響較小。

表4 HEG對PLUS/KCL體系流變性和濾失性的影響

3.2 HEG對PLUS/KCL體系濾液防膨率的影響

評價方法參考標準《SY/T 5971—2016油氣田壓裂酸化及注水用黏土穩定劑性能評價方法》中7.5防膨率測定-離心法。

濾液為體系熱滾后的API濾液。

從表5數據可以看出，隨著HEG加量的增加，體系濾液的防膨率增加。未加HEG時，體系濾液的防膨率為82.35%，當HEG加量為1%時，體系濾液的防膨率為93.15%，HEG可以明顯提高PLUS/KCL體系的抑制性能。

表5 HEG對PLUS/KCL體系濾液防膨性能的影響

3.3 HEG對PLUS/KCL體系抑制分散性能的影響

本實驗中向400 mL加入不同加量HEG的PLUS/KCL鉆井液體系中加入50 g烘干的6～10目（3 350～1 700 μm）露頭土，100 ℃熱滾16 h后過40目（380 μm）篩，烘干回收的露頭土，計算回收率。

從表6數據可以看出，隨著HEG加量的增加，體系的滾動回收率增加。未加HEG時，體系的滾動回收率為82.6%，當HEG加量為1%時，體系的滾動回收率為96.5%，HEG可以明顯提高PLUS/KCL體系的抑制性能。

表6 HEG對PLUS/KCL體系抑制分散性能的影響

3.4 HEG在PLUS/KCL體系中抑制黏土水化造漿性能的影響

本實驗向400 mL HEG加量為1%的PLUS/KCL鉆井液體系中加入不同加量的納膨潤土，觀察老化前后體系流變性能以及濾失性能的變化。

實驗條件：100 ℃熱滾16 h，40 ℃測試性能。

從下表數據可以看出，HEG 具有很好的抑制黏土水化造漿的能力。當鈉膨潤土的加量在15%以內時，PLUS/KCL體系的表觀黏度、塑性黏度略有增加，濾失性能變好，濾失量降低。總體來說，當HEG的加量為1%時，PLUS/KCL體系可以承受15%加量的鈉膨潤土的污染。

表7 膨潤土污染對PLUS/KCL體系的影響

3.5 HEG對PLUS/KCL體系儲層保護性能的影響

參照石油天然氣行業標準SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內評價方法》, 評價HEG對PLUS/KCL鉆井液體系的儲層保護效果的影響。動態污染試驗條件: 驅替壓力為3.5 MPa , 圍壓為6 MPa , 污染溫度為100 ℃，測滲透率時泵流量0.5 mL·min-1。

從表8可以看出，在滲透率為10 mD以上儲層，PLUS/KCL鉆井液體系中加入新型小分子胺基抑制劑HEG后，能夠明顯提高巖心的滲透率恢復值，具有較好的儲層保護效果。

表8 HEG對PLUS/KCL體系儲層保護效果的影響

4 現場應用

新型小分子胺基抑制劑HEG在渤海南部海域進行了應用，該區塊鉆井揭示的地層巖性主要為黃褐色黏土與灰色粉砂巖互層，褐色泥巖與灰色粉砂巖、泥質粉砂巖互層，其中明化鎮組中黏土含量較高，黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，高嶺石和綠泥石較少，混層中蒙脫石含量較高，屬于強水敏巖性，具有易水化膨脹，易分散和易粘結成塊強等特點。前期鉆井液主要技術難點：

①鉆進過程中鉆屑水化膨脹嚴重，且結塊起球，造成堵返出口等現象。

②泵壓上升、扭矩增大、嚴重時還會憋漏地層或卡鉆。

③鉆進過程造漿情況嚴重，黏度上升較快，現場鉆井液性能維護困難。

為解決上述問題，決定對現場的鉆井液體系進行優化，體系中加入了新型小分子胺基抑制劑HEG，并在現場應用了5口井，通過現場作業情況來看，原有的問題很大程度上都得到了解決，此五口平均最大井斜超過50°，但鉆進過程均比較順利，滑動、旋轉鉆進速度較快，基本沒有出現鉆屑結塊的現象，而且攜砂效果好，鉆井液性能穩定，并且起鉆效率比前期有了大幅提高，現場鉆井液維護性能見表9。

表9 現場加入HEG后鉆井液的基本性能范圍

圖1 未加HEG返出的巖屑狀態

圖2 加入HEG后返出的巖屑狀態

5 結 論

1）新型小分子胺基抑制劑HEG與其他性能優異的抑制性相比，具有更好的防膨性能、抑制黏土水化分散能力和抑制分散性能；

2）新型小分子胺基抑制劑HEG對PLUS/KCL聚合物鉆井液體系流變性沒有影響，可以改善體系的API濾失性能；

3）在PLUS/KCL體系中加入1%的新型小分子胺基抑制劑HEG就可以大大提高濾液防膨性能、體系抑制分散性能、體系抗鈉膨潤土污染性能和體系的儲層保護效果。

4）從新型小分子胺基抑制劑HEG在渤海南部海域油田的應用情況來看，可以將該抑制劑進行現場推廣應用。