新型胺基硅醇强抑制剂性能评价

2015-08-10邢希金冯桓榰

石油化工应用 2015年12期

邢希金，王荐，冯桓榰，蒋卓

（1.中海油研究总院，北京 100028；2.荆州市汉科新技术研究所，湖北荆州 434000）

聚胺因其具有较强的黏土抑制性，近年来被广泛应用在油气钻探中[1，2]。聚胺的抑制性源于其具有两个以上强吸附胺基基团和具有亲水性基团-OH，其抑制黏土矿物分散的机理为胺分子在溶液中部分解离形成铵正离子，与黏土层间的无机阳离子形成化学势差。在化学势差的驱动下，聚胺进入黏土层间，质子化铵离子通过离子交换作用置换出无机水化阳离子，降低黏土颗粒的Zeta 电位。同时聚胺与黏土表面硅氧烷基形成氢键，进一步强化在黏土表面的吸附[3-5]。在聚胺的基础上，引入硅醇成膜基团，形成了新一代胺基硅醇强抑制剂，本文对该新型抑制剂进行了评价。

1 胺基硅醇分子结构

胺基硅醇是聚胺抑制剂的升级产品。胺基硅醇在聚胺抑制剂的基础上引入硅羟基，其分子结构（见图1）。胺基硅醇保留了两个以上强吸附胺基基团，通过电荷吸附在黏土颗粒表面，形成牢固化学吸附，压缩双电层防止黏土水化膨胀；胺基硅醇增加了硅羟基基团，在黏土表面能有效形成疏水层，有效保证黏土表面具有合理的水化膜，阻止和减缓黏土表面的水化作用。从分子结构上胺基硅醇同时具备了聚胺强抑制和硅醇成膜特征。

图1 胺基硅醇分子结构

2 胺基硅醇抑制性评价

为考察胺基硅醇的黏土抑制效果，本文设计了膨胀率和黏附量实验，并对其疏水特征进行观察。

2.1 抑制能力

以清水作为空白样，分别对新型抑制剂胺基硅醇HAS 及渤海常用的小阳离子JFC、有机正电胶JHM-YJ抑制剂在等浓度下进行纯属膨胀率测试，测试介质相同，测试时间为8 h，测试结果（见表1）。由测试数据可知，同样为2%的抑制剂加量，清水的8 h 膨胀率为60 %，聚胺的膨胀率为18.14 %，常用抑制剂小阳离子和有机正电胶的膨胀率为20.35 %～23.65 %，而胺基硅醇的线性膨胀率仅为10.65 %，防膨效果明显优于渤海常用的抑制剂。

表1 线性膨胀率对比实验结果

2.2 黏附量

黏附量实验通常是用来评价钻井液的防钻头、钻具泥包性能，钻头、钻具泥包的本质是钻井液抑制泥页岩能力差。实验方法为取一支空心钢管洗净、凉干、称重，插入待测样品静置15 min，提出并静止1 min，待不再有明显钻井液滴出时称重，计算黏附量[6]。重复上述实验步骤，保持相同的插入深度，计算黏附量。以基浆为空白样，分别对比基浆+1.5 %HAS、基浆+40 %钻屑及基浆+1.5 %HAS+40 %钻屑的黏附量，考察了胺基硅醇的防黏附效果，结果（见图2）。由图2 实验结果可以看出，在不加入钻屑的情况下，加入1.5 %胺基硅醇的黏附量较基浆的黏附量略低，其对比结果不明显；当加入40 %钻屑后，没有加入胺基硅醇样品的黏附量达20 g 以上，加入1.5 %胺基硅醇的黏附量仅为14 g，对比效果明显。通过黏附量测试实验可知，胺基硅醇抑制剂具有较好的防黏附效果。

图2 黏附量对比实验

图3 胺基硅醇疏水性实验

2.3 疏水特性

为考察胺基硅醇的疏水特性，可将砂岩浸泡在胺基硅醇水溶液中8 h，在室温下让砂岩与胺基硅醇水溶液充分接触，然后将水点在砂岩表面，观察水滴的形态。实验观察的照片（见图3），从照片中可以看出，水滴在岩石表面呈孤立状态，且接触角较大，说明岩石表面形成较好的疏水膜，证明胺基硅醇具有较好的疏水特性。

3 胺基硅醇钻井液性能评价

一种好的抑制剂除提高体系的抑制能力外，还应与钻井液中其他处理剂有较好地适应性。为考察胺基硅醇抑制剂的适应性，选择渤海油田广泛使用的PLUS/KCl 体系为基础，分别测试1.5 %胺基硅醇对流变性、抑制性及抗污染能力的影响。

PLUS/KCl 基本配方为2.5 %海水土浆+0.15 %Na2CO3+0.2 %NaOH+0.3 %PF-PAC-LV+0.5 %包被剂PF-PLUS+2 %PF-LSF+1.50 %PF-FLO+5 %KCl+0.10 %XC，加重剂加重至1.10 g/cm3。

3.1 流变性

以PLUS/KCl 钻井液体系为空白样，对比加入1.5%HAS 后钻井液流变性变化情况，实验结果（见表2）。从对比结果中可知，热滚前流变性有明显差异，但热滚后流变性无明显差异。滚前差异主要是由于在配浆过程中搅拌时间的不同，聚合物溶解分散程度不同所致，其结果不具有参考性。因此参考滚后流变数据，加入1.5 %HAS 对PLUS/KCl 体系的流变性无明显影响。

3.2 抑制性能

抑制性评价采用了岩屑滚动回收率法和岩屑膨胀率法，以清水作为空白样，两种方法的对比评价结果（见表3）。由抑制性对比结果可知，PLUS/KCl 体系的岩屑回收率为72.33 %，加入1.5 %HAS 后滚动回收率为87.33 %，同比滚动回收率提高了15 %。PLUS/KCl 钻井液在90 ℃×0.7 MPa×16 h 条件下的岩屑膨胀率为8.7 %，而加入1.5 %HAS 后岩屑膨胀率为3.6 %，同比岩屑膨胀率下降5.1 %。实验结果说明胺基硅醇能有效提高钻井液体系的抑制性。

3.3 抗污染性能

抗污染性能评价了PLUS/KCl 钻井液加入1.5 %HAS 后对抗氯化钙、氯化镁、氯化钠及钻屑能力的影响。通过对比空白样，加入1 %CaCl2仅表观黏度与塑性黏度稍有下降，其他性能均无较大变化，表明体系具备一定抗钙侵能力；加入1 %MgCl2与CaCl2情况基本相同；加入5 %NaCl 后表观黏度、塑性黏度及动切力均有小幅下降，但其性能仍然可以满足工程要求，表明体系具备抗盐侵能力；加入20 %钻屑后黏度和切力都有提高，但提高幅度较小，表明胺基硅醇抑制能力强，增强了泥浆抗钻屑污染能力。综上分析认为加1.5 %HAS 不影响PLUS/KCl 钻井液体系的抗污染能力（见表4）。