海上油田鉆井用新型聚胺抑制劑的研制及性能評價

張冠洪

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067）

海上油田鉆井施工過程中對鉆井液性能的要求較高，不僅需要鉆井液體系具有良好的流變穩定性、潤滑性能、抑制性能以及抗污染性能等，往往還需要其具備較好的耐溫抗鹽性能以及環保性能等[1-4]。特別是針對部分海上油田儲層段黏土礦物含量較高的情況，鉆井過程中鉆井液的侵入可能會引起黏土的水化膨脹，進而引發井壁失穩、井壁垮塌等井下嚴重事故，對海上油田的整體開發造成嚴重的影響[5-8]。這就要求鉆井液體系必須具備較強的抑制性能，以確保鉆井過程中外來流體的侵入不會造成黏土吸水膨脹，起到穩定井壁，提高鉆井效率的作用[9-12]。往鉆井液體系中加入性能優良的抑制劑是最常用的方法[13-15]，因此，研究性能高效的抑制劑，以提高海上油田鉆井施工的效率，具有十分重要的現實意義。

本文針對海上某油田鉆井施工過程中使用常規鉆井液易發生井壁失穩、垮塌等事故的情況，通過大量室內實驗，以多乙烯多胺和氯乙酸鈉為合成原料，研制了一種適合海上油田鉆井用的新型聚胺抑制劑HR-2，并通過巖屑滾動回收率實驗和膨潤土線性膨脹實驗對其抑制性能進行了評價，為保障海上油田高效穩定鉆井施工提供一定的技術支持和參考。

1 實驗部分

1.1 主要實驗材料及儀器

實驗材料：多乙烯多胺，工業品，山東國化化學有限公司；氯乙酸鈉，工業品，濟南元素化工有限公司；氫氧化鈉、氯化鈉、無水乙醇、氯化鉀、濃鹽酸，均為分析純，國藥集團化學試劑北京有限公司；鈉膨潤土，泗水縣恒建膨潤土有限公司；巖屑，取自目標海上油田儲層段。

實驗儀器：NP-2A 常溫智能線性膨脹儀（肯側儀器（上海）有限公司）；黏土壓片裝置（青島同春實驗儀器有限公司）；壓力機（蘇州慶豐儀表廠）；恒溫水浴鍋（北京三二八科學儀器有限公司）；101-1B 高溫干燥箱（上海秋佐科學儀器有限公司）；RS232 電子分析天平（蘇州順強機電設備有限公司）。

1.2 新型聚胺抑制劑HR-2 的合成

將多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體按照一定的摩爾比加入到三口燒瓶中，然后按比例加入一定量的蒸餾水，攪拌混合均勻后加入氫氧化鈉或者鹽酸調節pH 值，然后水浴加熱至一定溫度，在攪拌狀態下反應一定時間后，再加入過量的無水乙醇使未反應完全的單體及雜質沉淀析出，過濾后收集濾液，將濾液使用旋轉蒸發裝置除去多余的無水乙醇和蒸餾水，即得到新型聚胺抑制劑HR-2。

1.3 性能評價實驗方法

1.3.1 巖屑滾動回收率實驗 將目標海上油田儲層段巖屑粉碎后過篩，收集6～10 目的巖屑顆粒，稱取40 g巖屑裝入老化罐中，然后加入聚胺抑制劑溶液或鉆井液體系，在儲層溫度為120 ℃的條件下滾動老化16 h后，取出老化罐冷卻，將巖屑倒入40 目篩網中，使用清水沖洗幾遍，然后放入烘箱徹底干燥，稱重后計算巖屑的滾動回收率。

1.3.2 線性膨脹實驗 稱取10 g 鈉膨潤土，使用黏土壓片裝置以及壓力機將其制成巖心片，壓制條件為10 MPa、5 min，將制備好的巖心片裝入線性膨脹儀中，然后注入含不同質量濃度聚胺抑制劑HR-2 的鉆井液體系，觀察記錄16 h 后巖心片的線性膨脹量，并計算線性膨脹率。

2 結果與討論

2.1 新型聚胺抑制劑HR-2 合成條件優化

按照1.2 中的合成方法，在不同單體比例、不同反應溫度、不同反應時間以及不同pH 值條件下合成新型聚胺抑制劑HR-2，然后按照1.3.1 中的實驗方法，采用巖屑滾動回收率實驗，以巖屑的滾動回收率為評價指標對新型聚胺抑制劑HR-2 的合成條件進行優化。

2.1.1 單體比例優化 控制反應溫度為50 ℃，反應時間為3 h，pH 值為8，考察了不同比例多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體對新型聚胺抑制劑HR-2 性能的影響，實驗結果見圖1。

圖1 單體比例優化實驗結果Fig.1 Experimental results of monomer proportion optimization

由圖1 實驗結果可以看出，當多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體的摩爾比為1∶2 時合成的新型聚胺抑制劑HR-2 的巖屑滾動回收率最大，可以達到70%以上，合成產物的性能明顯優于其他單體比例，因此，推薦多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體的最佳摩爾比為1∶2。

2.1.2 反應溫度優化 控制多乙烯多胺和氯乙酸鈉的摩爾比為1∶2，反應時間為3 h，pH 值為8，考察了不同反應溫度對新型聚胺抑制劑HR-2 性能的影響，實驗結果見圖2。

圖2 反應溫度優化實驗結果Fig.2 Experimental results of reaction temperature optimization

由圖2 實驗結果可以看出，隨著反應溫度的不斷升高，合成的新型聚胺抑制劑HR-2 的巖屑滾動回收率呈現出“先升高后降低”的趨勢，當反應溫度為60 ℃時，巖屑滾動回收率最大，可以達到75%以上，再繼續升高反應溫度，合成產物的性能有所降低，因此，推薦最佳反應溫度為60 ℃。

2.1.3 反應時間優化 控制多乙烯多胺和氯乙酸鈉的摩爾比為1∶2，反應溫度為60 ℃，pH 值為8，考察了不同反應時間對新型聚胺抑制劑HR-2 性能的影響，實驗結果見圖3。

圖3 反應時間優化實驗結果Fig.3 Experimental results of reaction time optimization

由圖3 實驗結果可以看出，隨著反應時間的不斷延長，合成的新型聚胺抑制劑HR-2 的巖屑滾動回收率同樣呈現出“先升高后降低”的趨勢，當反應時間為5 h 時，巖屑的滾動回收率達到最大，能夠超過80%，再繼續延長反應時間，巖屑滾動回收率有所降低，因此，推薦最佳的反應時間為5 h。

2.1.4 反應pH 值優化 控制多乙烯多胺和氯乙酸鈉的摩爾比為1∶2，反應溫度為60 ℃，反應時間為5 h，考察了體系pH 值對新型聚胺抑制劑HR-2 性能的影響，實驗結果見圖4。

圖4 反應pH 值優化實驗結果Fig.4 Experimental results of reaction pH optimization

由圖4 實驗結果可以看出，隨著反應體系pH 值的不斷升高，合成的新型聚胺抑制劑HR-2 的巖屑滾動回收率呈現出“先升高后降低”的趨勢，當體系的pH值為10 時，巖屑的滾動回收率達到最大，能夠達到85%以上，抑制效果較好。因此，推薦反應體系的最佳pH 值為10。

綜合上述實驗結果，新型聚胺抑制劑HR-2 的最佳合成條件為：多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體的摩爾比為1∶2、反應溫度為60 ℃、反應時間為5 h、反應體系的pH 值為10，在此最佳合成條件下制備的新型聚胺抑制劑HR-2 對目標海上油田儲層段巖屑的滾動回收率可以達到85.7%，抑制性能優良。

2.2 新型聚胺抑制劑HR-2 性能評價

為了評價新型聚胺抑制劑HR-2 的抑制性能，在目標海上油田現場用鉆井液體系中加入不同質量濃度的HR-2 后，按照1.3.1 和1.3.2 中的實驗方法，評價其對目標油田儲層段巖屑的滾動回收效果和線性膨脹抑制效果。鉆井液體系基本配方為：3%海水膨潤土漿+0.15%Na2CO3+0.2%NaOH+0.3%LV-PAC+2%FLO-CAT+0.15%XC+3%LPF+1%HLB+重晶石加重至1.5 g/cm3。

2.2.1 巖屑滾動回收率 鉆井液體系中加入不同質量濃度新型聚胺抑制劑HR-2 后的巖屑滾動回收率實驗結果見圖5。由圖5 可以看出，隨著HR-2 質量濃度的不斷增大，鉆井液體系對目標儲層段巖屑的滾動回收率呈現出逐漸升高的趨勢，當HR-2 的質量濃度達到2%時，巖屑滾動回收率即可以達到95%以上，抑制性能較好，再繼續增大HR-2 的質量濃度，巖屑滾動回收率基本不再變化。

圖5 不同質量濃度HR-2 時的巖屑滾動回收率Fig.5 Rolling recovery rate of rock cuttings at different mass concentration of HR-2

2.2.2 線性膨脹率 鉆井液體系中加入不同質量濃度新型聚胺抑制劑HR-2 后的線性膨脹實驗結果見圖6。由圖6 可以看出，隨著HR-2 質量濃度的不斷增大，膨潤土的線性膨脹率逐漸降低，當HR-2 的質量濃度達到2%時，線性膨脹率即可降低至10%以下，起到了良好的防膨效果。結合2.2.1 中的巖屑滾動回收率實驗結果，推薦新型聚胺抑制劑HR-2 的最佳質量濃度為2%，此時鉆井液體系即可具有良好的抑制性能，可以有效抑制黏土礦物的水化膨脹，能夠滿足海上油田鉆井過程中對鉆井液體系抑制性能的要求。

圖6 不同質量濃度HR-2 時的線性膨脹率Fig.6 Linear expansion rate at different mass concentration of HR-2

3 結論

（1）室內以多乙烯多胺和氯乙酸鈉為合成原料，研制了一種適合海上油田鉆井用的新型聚胺抑制劑HR-2，其最佳合成工藝條件為：多乙烯多胺和氯乙酸鈉單體的摩爾比為1∶2、反應溫度為60 ℃、反應時間為5 h、反應體系的pH 值為10。

（2）研制的新型聚胺抑制劑HR-2 具有良好的抑制性能，其在鉆井液體系中的質量濃度為2%時，即可使目標海上油田儲層段巖屑的滾動回收率達到95%以上，能使鈉膨潤土的線性膨脹率降低至10%以下，具有良好的黏土穩定效果，能夠有效避免海上油田鉆井過程中鉆井液的侵入所引起的儲層黏土水化膨脹，提高鉆井效率。