水基钻井液用聚胺抑制剂研究与性能评价

解决井壁失稳的关键在于减弱页岩水化分散,而减弱水化分散与抑制剂的抑制性能是分不开的。通过红外光谱仪和凝胶色谱仪分析手段来对水基钻井液用页岩抑制剂HGI进行结构表征和分子量测定,结果表明HGI为低分子量聚合物抑制剂。借助粒度分布实验和三轴应力实验方法评价HGI抑制特性,研究表明HGI抑制性效果要优于传统无机盐抑制剂KCl和胺类抑制剂UHIB-1、UHIB-2,能有效抑制泥页岩水化和分散,表现出更加突出的抑制性能。以X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)手段来对HGI抑制机理进行研究与分析,抑制剂HGI在溶液中解离出的铵正离子通过静电作用中和黏土负电荷,降低黏土层间水化斥力,同时在氢键和静电吸引双重作用下将黏土晶层间距压缩,排挤出层间吸附水,减弱黏土水化作用。同时HGI分子中所具有的疏水基团会紧密地覆盖在黏土晶层表面,形成一道疏水屏障,阻止水分子的进入与吸附,从而进一步抑制黏土水化作用。现场试验结果表明,聚胺抑制剂可明显提高现场钻井液抑制性能,解决了页岩水平段的井壁失稳和摩阻较大的难题,为页岩气高效钻探提供新思路和方法。     

水基钻井液用抑制剂抑制性能研究

钻井工程中泥页岩经常发生井壁失稳,水基钻井液抑制剂是水敏性泥页岩地层钻井中必须添加的一种钻井液处理剂。通过抑制膨润土造浆试验、三次页岩滚动分散试验、X射线衍射分析黏土层间距等试验,对比评价了KCl,NH_4HPAN,KPAM,1,6-己二胺,IND30的抑制性能。根据黏土层间距结果表明,IND30主要抑制黏土颗粒的分散,不能抑制黏土晶层膨胀。NH_4HPAN和KPAM既能抑制黏土晶层的膨胀,又能抑制黏土分散。KCl能压缩扩散双电层,由于K⁺能进入晶层,一定程度的抑制黏土晶层膨胀,但是NH_4HPAN,KPAM,KCl只是单个的NH_4+能进入晶层,一定程度的抑制黏土晶层膨胀,但是NH_4HPAN,KPAM,KCl只是单个的NH_4⁺或K+或K⁺进入晶层,不能完全抑制晶层膨胀。己二胺能够进入黏土层间,通过静电作用和氢键作用吸附在黏土颗粒表面,交换出层间水化阳离子,排挤出黏土层间水分子,拉紧晶层间距,抑制黏土水化。     

新型聚合物钾盐抑制泥页岩水化的性能与机理

泥页岩水化膨胀是井壁失稳的重要原因。本文通过膨润土压片浸泡与线性膨胀实验、页岩钻屑滚动回收实验以及流变性、滤失性测试,评价了一种新型聚合物钾盐抑制剂聚阴离子纤维素钾（K-PAC）的抑制性能及其对水基钻井液流变性和滤失性的影响。评价结果表明,0.5% K-PAC的抑制泥页岩水化膨胀的性能明显优于5% KCl、2%聚醚胺-D230（PEA-D230）,与0.5%聚丙烯酰胺钾盐（K-PAM）相近;0.5% K-PAC的增黏提切、降滤失性能要优于0.5% K-PAM。通过扫描电镜和X射线衍射分析了K-PAC的抑制机理,结果表明,K-PAC的阳离子部分（K⁺）能够进入膨润土晶层中并置换出水化钠离子,从而起到抑制黏土晶层膨胀的作用;K-PAC的阴离子部分吸附在黏土颗粒上起到护胶、降滤失的作用,二者协同增效,从而起到强抑制作用。由于K-PAC由聚阴离子纤维素和K⁺构成,对环境友好、成本低廉。因此,K-PAC具有成为低成本、环保型、强抑制性的水基钻井液抑制剂的巨大潜力。     

聚胺抑制剂与甲酸盐抑制性对比实验研究

通过抑制膨润土造浆实验、页岩滚动回收分散粒度分析测试、X射线衍射分析层间距来对比评价聚胺与甲酸盐抑制效果。通过活度测试、表面张力测试及改性钠膨润土吸水实验等研究聚胺与甲酸盐抑制机理。结果表明,聚胺抑制剂抑制性能明显优于传统甲酸盐,聚胺抑制剂可单层吸附在黏土晶层间,通过铵离子置换排挤层间水分子,使黏土层间距大大降低;铵离子可取代黏土层间水化阳离子,吸附在黏土颗粒表面,增强黏土颗粒疏水性;同时可降低钻井液表面张力,减少滤液向地层的侵入,综合作用下抑制黏土水化。而甲酸盐则主要是依靠降低溶液活度起到维持页岩井壁稳定的目的。     

聚胺抑制剂与甲酸盐抑制性对比实验研究

通过抑制膨润土造浆实验、页岩滚动回收分散粒度分析测试、X射线衍射分析层间距来对比评价聚胺与甲酸盐抑制效果。通过活度测试、表面张力测试及改性钠膨润土吸水实验等研究聚胺与甲酸盐抑制机理。结果表明,聚胺抑制剂抑制性能明显优于传统甲酸盐,聚胺抑制剂可单层吸附在黏土晶层间,通过铵离子置换排挤层间水分子,使黏土层间距大大降低;铵离子可取代黏土层间水化阳离子,吸附在黏土颗粒表面,增强黏土颗粒疏水性;同时可降低钻井液表面张力,减少滤液向地层的侵入,综合作用下抑制黏土水化。而甲酸盐则主要是依靠降低溶液活度起到维持页岩井壁稳定的目的。     

甲基硅酸钾页岩抑制剂抑制蒙脱石水化机理的分子模拟

有机硅页岩抑制剂相较于传统的KCl抑制剂具有不会腐蚀钻具、更加环保等优点,因此有机硅钻井液体系得到广泛应用。利用分子模拟方法,选择甲基硅酸钾、甲基硅酸钠、KCl和NaCl作为研究对象,构建了四种抑制剂的分子模型和钠蒙脱石晶体模型。通过分子动力学方法模拟发现,甲基硅酸钾能够抑制蒙脱石层间Na~+的水化作用,限制水分子和Na~+的自扩散运动,并提高钠蒙脱石晶体的力学性能。对比四种页岩抑制剂的各项模拟结果发现,甲基硅酸钾的抑制效果最佳,其次是甲基硅酸钠和KCl,NaCl的抑制效果最差。从离子的角度看,K~+的抑制效果优于Na~+,甲基硅酸根的抑制效果优于Cl~-,这是由于K~+能镶嵌于钠蒙脱石晶层表面的硅氧六元环中,而甲基硅酸根能够通过氢键吸附于硅氧六元环上,它们均能使蒙脱石晶层发生不完全水化从而抑制蒙脱石的水化膨胀。     

聚合物及小分子类页岩抑制剂研究进展

本文概述了聚合物及小分子类页岩抑制剂研究进展,特别关注国内外近年的相关研究成果。文章系统介绍了用于表征黏土水化膨胀和评价抑制剂性能的实验方法。此外,文章分类讨论了无机盐类、聚醚胺类、天然改性材料和聚合物类抑制剂的特点,展望了水基钻井液中页岩抑制剂的应用方向和主要发展趋势。     

咪唑类离子液体对水基钻井液抑制性的影响及机理

油气钻井过程中泥页岩不稳定主要是由于泥页岩的水化作用造成。本文采用页岩滚动回收率法、毛细管吸入时间法和粒度分析法3种方法,与传统抑制剂KCl和新型抑制剂聚胺作对比,评价了离子液体RIL作为抑制剂对水基钻井液抑制性能的影响。结果表明高温作用下低浓度(质量分数0.05%)的离子液体RIL有着优异的抑制黏土膨胀和分散的能力,其抑制效果优于5%KCl,与2%聚胺相当;同时低浓度的离子液体RIL可以改善水基钻井液的高温流变性而不会使钻井液的滤失性变差。通过接触角和热稳定性测试分析了其抑制机理。离子液体RIL改性后的Na蒙脱土润湿性从亲水性向疏水性转变,可以阻止水分子进入Na蒙脱土的层间结构从而抑制Na蒙脱土的膨胀和分散。低浓度的离子液体RIL改性后的钠蒙脱土具有更好的热稳定性,可以提高高温作用下水基钻井液的抑制性。     

具有缓蚀性能的页岩抑制剂在盐水钻井液性能研究

为了解决钻井过程中出现的井壁失稳和钻井设备出现的腐蚀问题，以4-羟基苯丙醛、超支化聚乙烯亚胺为原料制备了一种具有缓蚀性能的页岩抑制剂，应用于盐水钻井液来提高钻井效率以及保护金属。通过线性膨胀实验、膨润土造浆实验以及静态失重法评价其抑制、缓蚀性能。实验结果表明，膨润土压片在海水中的膨胀率超过100%，而在含有1%抑制剂HPEI-A的水溶液中，其膨胀率低于30%，且HPEI-A分子可通过分子间作用力以及静电作用下吸附在页岩表面，形成疏水膜，阻止水分子侵入，起到抑制黏土水化膨胀的作用，另外应用于盐水钻井液中，使N80钢的腐蚀速率低于0.015mm·a^-1，使盐水钻井液可抗20%侵污土，表明该抑制剂与盐水钻井液具有良好的配伍性，满足现场工程要求。     

酰化茶皂素作为页岩水化抑制剂抑制性能及作用机理

针对目前大多数页岩水化抑制剂抑制性能不足、环保性能差等问题,通过酰化反应对茶皂素进行疏水改性,合成了一种酰化茶皂素(ATS)页岩水化抑制剂。通过泥饼浸泡实验、线性膨胀实验、页岩滚动回收实验、毛细管吸收实验等室内试验研究了ATS抑制页岩水化的性能。通过表面张力实验、红外光谱分析、接触角实验和微观形貌分析对其抑制机制进行分析。结果表明:ATS抑制页岩水化分散性能优于氯化钾和聚醚胺;ATS可通过氢键作用吸附在页岩表面,形成疏水层;1%ATS水溶液的表面张力为35.89m N·m~(-1),可显著降低毛管力,减少水分子侵入页岩;ATS无毒环保,可生物降解。     

耐高温聚胺类页岩抑制剂的研究现状

聚胺类抑制剂是一种分子链上含有胺基的钻井液添加剂,与无机盐、单分子铵盐等页岩抑制剂相比,其对页岩地层的强抑制性受到大量学者的关注。但在高温下聚胺分子的分解会影响其抑制效果,而作业井深增加,开发难度增大往往使温度成为限制抑制剂应用的决定因素,因此目前研发耐高温强抑制性的页岩抑制剂对钻井作业来说具有重要意义。本文将具有耐高温性能的聚胺类页岩抑制剂按聚合物分子链的形态分为链状聚胺类、超支化聚胺类、特殊功能性基团类,评述了这三类耐高温页岩抑制剂的抑制性、耐温性、生物毒性等性质和应用现状,对聚胺类页岩抑制剂今后在提升耐温性、抑制性等方面的研究提出了建议,以期为相关研究提供参考。     

抗高温有机硅聚合物抑制剂的合成与性能研究

以丙烯酰胺(AM)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)与乙烯基三乙氧基硅烷(A-151)为单体,过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂,通过自由基溶液聚合法制备了抗高温有机硅聚合物抑制剂PDDAS,最优合成条件:n(AM)∶n(DMDAAC)∶n(A-151)=8∶1.5∶1,引发剂质量浓度0.5%,单体总浓度20%,反应时间9 h,反应温度75℃。通过红外光谱分析验证了PDDAS的分子结构,热重分析的结果表明其抗温性能较强。吸附实验的结果表明,PDDAS可以牢固吸附于黏土颗粒表面,不易发生高温脱附;线性膨胀与热滚回收实验的结果表明,PDDAS对于泥页岩造浆有着良好的抑制作用,220℃老化后的抑制性能显著优于胺类抑制剂NH-1与FA-367。     

抗高温有机硅聚合物抑制剂的合成与性能研究

以丙烯酰胺(AM)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)与乙烯基三乙氧基硅烷(A-151)为单体,过氧化苯甲酰(BPO)为引发剂,通过自由基溶液聚合法制备了抗高温有机硅聚合物抑制剂PDDAS,最优合成条件:n(AM)∶n(DMDAAC)∶n(A-151)=8∶1.5∶1,引发剂质量浓度0.5%,单体总浓度20%,反应时间9 h,反应温度75℃。通过红外光谱分析验证了PDDAS的分子结构,热重分析的结果表明其抗温性能较强。吸附实验的结果表明,PDDAS可以牢固吸附于黏土颗粒表面,不易发生高温脱附;线性膨胀与热滚回收实验的结果表明,PDDAS对于泥页岩造浆有着良好的抑制作用,220℃老化后的抑制性能显著优于胺类抑制剂NH-1与FA-367。     

胺基聚醚分子量对钻井液性能影响研究

胺基聚醚又叫聚醚胺,具有良好的抑制泥页岩分散能力,且不易造成黏土絮凝,是目前钻井现场常用的聚胺类抑制剂之一^[1-2]。实验室通过酸度滴定法,考察了分子量在200～2 000之间的单胺基聚醚,以及分子量在800左右的混合胺基聚醚对钻井液对泥页岩抑制能力的影响。结果表明,分子量越小,分子量分布范围越窄,胺基聚醚的抑制能力越强,总胺值≥3 mmol/g的胺基聚醚有长效抑制膨润土分散的能力。     

新型抑制性水基钻井液技术及性能评价

针对该地区页岩地层水平井段容易产生水化膨胀缩径和造浆能力强的技术难题,利用新型无机盐和聚合醇等处理剂,开发一种新型水基钻井液,并模拟焦石坝地区下志留统龙马溪组地层温度(约80℃),开展老化实验评价;实验表明:该钻井液体系具有抑制性强,滤失量小的特点。此外,利用聚磺钻井液滤液、聚合钻井液滤液、清水和所研制的水基钻井液的滤液浸泡页岩岩心,评价常温常压膨胀量。由于聚合醇胶体填充页岩的细小孔隙或微裂缝,阻挡滤液进入泥页岩地层;另一方面,无机盐中水化能力弱的K~+将晶层间隙中水化半径较大和水化能力强的Ca~+、Na~+等离子交换出来,并与页岩晶层牢固结合,阻止晶层间距增大,抑制页岩水化膨胀;对页岩开展滚动回收率实验测试,页岩在所研制的水基钻井液中的回收率达到99.7%,体现出较强的抑制性能。     

腐植酸铝-胺基钻井液的研究与应用

随着河南油田勘探开发的的深入,大斜度井、水平井及非常规井等特殊工艺井的增加,钻井难度急剧增大,在张店油田、泌阳凹陷的大斜度井、水平井在钻井过程中,采用聚合物防塌钻井液体系,由于粘土矿物含量高(I/S相对含量达33-50%),多次出现了缩径、坍塌、卡钻及钻头泥包等井下复杂情况,如张20井出现两次卡钻,泌页HF1井频繁发生钻头泥包,由于井壁多次严重坍塌、阻卡等井下复杂情况,最后导致回填侧钻,说明水基聚合物钻井液体系的抑制性已不能很好地解决钻井过程中出现的复杂情况。腐植酸铝-胺基水基钻井液是一种强封堵、强抑制的水基钻井液,该钻井液含有一种胺类抑制剂、腐植酸铝,并与其它处理剂等,该体系具有良好抗盐膏、抗温性、良好的封堵能力,有利于水敏性地层、大段泥页岩地层的优快钻井。针对泌阳凹陷、张店油田泥页岩、伊蒙混层含量高,泥岩易水化分散,页岩层理发育,水敏性强,钻井过程中易出现井壁坍塌、钻头泥包等问题,为此形成腐植酸铝-聚胺钻井液体系,现场应用表明该体系能较好封堵泥页岩的微裂缝,解决泥页岩的坍塌。     

尿素(520)晶面可控结晶的分子动力学模拟

由于尿素结晶呈白色针状,晶貌单一,且传统结晶工艺不可控,严重影响药物的一致性评价结果。采用分子动力学模拟方法,从分子水平上研究不同种类的添加剂对尿素晶体生长的调控作用,揭示添加剂对药物晶体生长的调控机制。结果表明：① 六种添加剂(海藻糖、蔗糖、葡萄糖、山梨醇、赖氨酸、精氨酸)在101.325 kPa、290 K下相较于无添加剂时都能不同程度地抑制(520)晶面的生长;② 添加剂对尿素晶面(520)的吸附能越负,其抑制晶面生长效果越好,其中海藻糖抑制(520)晶面生长效果最好;③ 添加剂分子携带基团的种类与数目决定与晶层的相互作用的强弱,特别是海藻糖、蔗糖双糖类分子含有8个羟基,与晶层上的尿素分子氢键相互作用强,与溶液层中的溶质形成竞争性吸附,能更好抑制(520)晶面生长。     

尿素(520)晶面可控结晶的分子动力学模拟

由于尿素结晶呈白色针状,晶貌单一,且传统结晶工艺不可控,严重影响药物的一致性评价结果。采用分子动力学模拟方法,从分子水平上研究不同种类的添加剂对尿素晶体生长的调控作用,揭示添加剂对药物晶体生长的调控机制。结果表明:(1)六种添加剂(海藻糖、蔗糖、葡萄糖、山梨醇、赖氨酸、精氨酸)在101.325kPa、290 K下相较于无添加剂时都能不同程度地抑制(520)晶面的生长;(2)添加剂对尿素晶面(520)的吸附能越负,其抑制晶面生长效果越好,其中海藻糖抑制(520)晶面生长效果最好;(3)添加剂分子携带基团的种类与数目决定与晶层的相互作用的强弱,特别是海藻糖、蔗糖双糖类分子含有8个羟基,与晶层上的尿素分子氢键相互作用强,与溶液层中的溶质形成竞争性吸附,能更好抑制(520)晶面生长。     

新型Gemini两性表面活性剂的制备及页岩抑制性能评价

针对涪陵地区泥页岩含量较高,井壁失稳、坍塌现象频发的问题,以小分子有机胺、溴代十二烷和二溴乙烷为单体共聚合成了一种新型Gemini两性离子聚合物页岩抑制剂,室内考察了该抑制剂的常规抑制性能、耐温抗盐性能以及对钻井液性能的影响,结果表明,加入2.0%Gemini可以使泥页岩钻屑滚动回收率达到91%以上,并具有良好的抑制膨润土造浆能力,抑制效果明显优于无机盐类抑制剂;同时具有良好的耐温抗盐性能;Gemini对现场钻井液体系的流变性和滤失量的影响较小,具有较好的配伍性,同时进行了现场试验,结果表明合成的Gemini抑制剂能够满足涪陵地区钻井要求。     

水基钻井液用成膜剂ADV的研究与应用

根据泥页岩的非理想膜改善成理想或接近理想膜的理论途径,设计出了能强烈吸附在泥页岩上并显著改善泥页岩膜的理想性的处理剂ADV,分析了ADV分子结构及作用机理,发现该成膜剂具有较好的成膜性能,与江苏油田现有的水基钻井液添加剂配伍性能好,能够很好地形成成膜钻井液体系。该钻井液能在井壁上形成较好的隔离膜,具有很强地抑制泥页岩水化分散、膨胀能力,有效封堵地层微裂缝,能阻止或减缓钻井液滤液进入地层,达到稳定井壁和保护储层的目的,现场应用两口井,均取得良好的效果。