环保型高效页岩抑制剂聚赖氨酸的制备与评价

宣　扬蒋官澄李颖颖陈俊斌欧阳伟罗陶涛宋然然.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室 .中国石油集团钻井工程技术研究院.中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院

宣扬等.环保型高效页岩抑制剂聚赖氨酸的制备与评价.天然气工业,2016,36(2):84-91.



环保型高效页岩抑制剂聚赖氨酸的制备与评价

宣扬1蒋官澄1李颖颖2陈俊斌3欧阳伟3罗陶涛3宋然然1
1.中国石油大学（北京）石油工程教育部重点实验室 2.中国石油集团钻井工程技术研究院3.中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院

宣扬等.环保型高效页岩抑制剂聚赖氨酸的制备与评价.天然气工业,2016,36(2):84-91.

摘 要为了解决泥页岩地层钻井过程中井壁失稳的难题，研制出一种兼具强抑制性和优良环保性的水基钻井液页岩抑制剂——聚赖氨酸，并对其性能进行了评价。评价过程及结果如下：①借助红外光谱、核磁共振、电感耦合等离子质谱、热重分析等方法对其进行了化学表征；②通过线性膨胀实验、泥页岩热滚回收实验和膨润土造浆实验等手段，系统地评价了该抑制剂对泥页岩的抑制性能；③抗温性能和pH值适应性评价结果表明，温度在180 ℃以内、pH值在7～10范围内该抑制剂均能发挥良好的抑制作用；④生物降解试验结果表明，该抑制剂易于降解，环保性能优异。结论认为，聚赖氨酸具有优异抑制性能的原因在于其能够有效地中和泥页岩中膨润土表面负电荷，将表面Zeta电位降低至接近零点，而又不会造成电性反转，从而最大限度地压缩扩散双电层，使泥页岩不易分散；并且其抑制作用优于KCl、小阳离子、Ultrahib等目前常用的几种抑制剂。

关键词钻井液页岩抑制剂抑制性能抗温性能pH值适应性聚赖氨酸环保型井壁稳定

在油气钻井过程中，泥页岩地层井壁失稳这一世界性难题一直困扰着广大石油工程技术人员[1]。因井壁失稳引起的井塌、缩径不仅会导致起下钻遇阻、卡钻、扭矩增大、憋泵等井下复杂，甚至会造成钻具掉落、井眼轨迹偏斜或整口井的报废[2-3]。随着近年来国家对页岩气资源勘探开发力度的加大，井壁稳定问题面临着更严苛的挑战。尽管目前页岩气钻井通常使用油基钻井液来缓解井壁失稳现象，但是从经济开发效益以及环境保护的角度考虑，具有强抑制性和优良环保性的水基钻井液势必成为今后的发展方向。作为抑制性水基钻井液的核心处理剂，页岩抑制剂的研发一直是钻井液领域的研究重点。目前大多数观点认为泥页岩井壁失稳的主要原因是黏土的水化，包括表面水化和渗透水化[4]。Suter等[5]认为，PHPA等包被剂已经能够起到有效抑制黏土渗透膨胀的作用，因而当务之急是抑制黏土晶层水化。此外，Suter等[5]同时指出，能够高效抑制晶层水化的抑制剂必须具有伯二胺或单季胺官能团、疏水骨架以及相对较长的分子链等特点，主要目的是使抑制剂分子通过阳离子交换作用嵌入黏土层间域并通过带正电荷的胺基基团束缚带负电的相邻黏土晶层，同时疏水的分子骨架有效抑制水分子向晶层间的侵入。近十年来，具有上述分子结构及特性的页岩抑制剂已经在国内外得到了广泛研究与应用[6-11]，其中最具代表性的就是M-I SWACO公司研发的低分子量聚醚二胺[12-13]。

然而，最近Wilson等[14]对泥页岩的失稳机理阐述了不同看法。由于近年来一些计算机模拟结果表明，单层晶格水化的黏土在实际埋藏压力和温度下是极为稳定的[15]，不仅水分子的侵入无法造成更大程度的晶格水化膨胀，而且K+等阳离子也无法交换出晶层间的Na+。因而Wilson等[14]认为泥页岩失稳的主要原因不是黏土的水化膨胀，而是由于泥页岩孔隙表面原本由于地压作用而相互交叠的黏土扩散双电层间斥力的释放。这也解释了为什么非膨胀性的高岭石和伊利石页岩同样会发生失稳现象。

基于Wilson的泥页岩井壁失稳理论，可以认为一种有效的页岩抑制剂并不一定需要嵌入黏土晶层，而更重要的是能够吸附在泥页岩微孔隙/裂缝表面并极大程度压缩暴露在微孔隙/裂缝外表面的黏土扩散双电层。此外，抑制剂的分子量不能过高，否则将难以扩散进入纳—亚微米级[16]的泥页岩微孔隙/裂缝。本文采用一种可降解的氨基酸——L－赖氨酸作为聚合单体，制备出一种低分子量聚赖氨酸作为环保型高效页岩抑制剂。通过线性膨胀实验、热滚回收实验等方法对聚赖氨酸的泥页岩抑制性能进行评价，并与Ultrahib等几种目前常用抑制剂进行了对比。

1　实验材料与方法

1.1实验原料与仪器

主要实验原料包括L－赖氨酸（纯度不低于98%，美国Sigma-Aldrich）、氢氧化钠（纯度不低于99%，国药集团化学试剂有限公司）、二甲基亚砜（上海安耐吉化学有限公司）、钠基膨润土（潍坊华潍膨润土集团股份有限公司）。

主要实验仪器包括ZNN-D6B六速旋转黏度计（青岛同春石油仪器有限公司）、SD-6泥浆失水量测定仪（青岛同春石油仪器有限公司）、GGS42-2高温高压失水仪（青岛胶南分析仪器厂）、BGRL-5滚子加热炉（青岛同春石油仪器有限公司）、ZetasizerNano ZS激光粒度—电位仪（英国Malvern）、Magna-IR 560傅里叶变换红外光谱仪（美国Nicolet）、STARe-SW热重/差热同步分析仪（瑞士Mettler Toledo公司）、ELAN DRC-e高分辨率质谱（美国PerkinElmer公司）。

1.2实验方法

1.2.1聚赖氨酸的合成

向带有温度计、机械搅拌器的3口烧瓶中依次加入适宜比例的L－赖氨酸和磷酸，然后通过油浴将反应体系加热到190 ℃，并保温反应12 h。反应完毕后，趁热将反应产物从烧瓶中取出，溶于二甲基亚砜（DMSO）中。

超声20 min待聚赖氨酸完全溶解于DMSO以后，将残余的不溶物（未反应的赖氨酸单体）通过抽滤去除。然后将聚赖氨酸的DMSO溶液逐滴加入大量丙酮中，由于聚赖氨酸极性较大，因此在丙酮中会被沉淀出来。最后将产生的黄色沉淀抽滤、洗涤数次后真空干燥，即得到纯净的聚赖氨酸固体粉末。

1.2.2聚赖氨酸的表征

红外光谱测试的波数范围为400～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1。热重测试的温度范围为25～1 200℃，升温速度为5 ℃/min，气体组分为氩气。Zeta电位的测试环境温度为25 ℃。

1.2.3膨润土基浆的配制

向高搅杯中加入383 g自来水，在10 000 r/min搅拌转速下加入16 g膨润土，再加入0.8 g碳酸钠。搅拌30 min，期间停止搅拌2次，以刮下黏附在高搅杯杯壁上的膨润土。搅拌完毕后用密封膜封口并静置老化至少2 d。

1.2.4 线性膨胀实验

取5 g膨润土，在10 MPa下压实5 min，取出后放入膨胀仪的样品槽中。向样品槽中加入抑制剂溶液（pH值均调至9），即时清零，并开始测定膨润土的膨胀高度随时间的变化。

1.2.5膨润土造浆实验

配制一定浓度的抑制剂溶液5份，并用氢氧化钠溶液将pH值调至9。一边高速搅拌一边向其中分别加入4%、8%、12%、16%、20%的膨润土。将膨润土浆于10 000 r/min下高速搅拌20 min后，通过六速旋转黏度计测定膨润土浆的黏度和动切力，并以膨润土加量为横坐标绘制动切力变化曲线。此外，在抑制剂抗温性评价实验中，需将搅拌完毕的膨润土浆放入高温滚子炉中在不同温度下热滚16 h，取出冷却至室温后方可进行动切力测定。

1.2.6热滚回收实验

取20 g泥页岩岩屑（6～10目）置于老化罐中，并向其中加入抑制剂溶液（pH值均调至9）。将老化罐置于滚子加热炉中于120 ℃下热滚16 h，取出冷却后将液体倒出，将残余岩屑于105 ℃下干燥至恒重，并过40目筛网。未通过40目筛网的残余岩屑质量与初始岩屑质量的比值即为热滚回收率。

1.2.7膨润土浆流变性和滤失量测定

流变性和滤失量测试步骤按照美国石油协会发布的室内钻井液测试标准[17]执行。

2　结果与讨论

2.1聚赖氨酸的化学表征

2.1.1红外光谱

首先通过红外光谱测试对合成产物聚赖氨酸所含的主要官能团进行了分析，结果如图1所示。

图1　聚赖氨酸的红外谱图

从图1中可以看出，聚赖氨酸的几个主要红外吸收峰分别出现在3 433 cm-1、1 665 cm-1和1 516 cm-1。其中，3 433 cm-1处相对较宽的吸收峰应归属于伯胺NH2中N—H的伸缩振动。1 665 cm-1和1 516 cm-1的吸收峰分别归属于仲酰胺的C＝O伸缩振动（酰胺Ⅰ带）以及N—H弯曲振动（酰胺Ⅱ带）[18]。仲酰胺官能团的出现说明了L－赖氨酸单体已经成功聚合成为聚赖氨酸。

2.1.2氢谱核磁共振

赖氨酸单体分子中含有一个羧基和两个伯胺基，即α—NH2和ε—NH2。这两个氨基都能够与羧基进行缩聚反应形成酰胺基团。本节通过氢谱核磁共振分析了聚赖氨酸的具体化学结构，结果如图2所示。聚赖氨酸核磁谱图中化学位移在2.82 mg/kg的峰归属于与ε—NH2相连的α—CH质子[19]。4.08 mg/kg处的峰可归属于通过α—NH2与羧基相连形成的结构单元中的α—CH质子，而位于3.98 mg/kg处的相邻峰可归属于端基结构中的α—CH质子[19]。由于赖氨酸中ε—NH2与羧基的缩合活性高于α—NH2，因此通常情况下赖氨酸单体更优先通过ε—NH2相互缩合形成具有大量ε—酰胺结构单元的聚赖氨酸[19]。然而，图2中并没有明显展示出ε—NH2形成的结构单元，因而可以推断本文制备的聚赖氨酸主要以α—酰胺结构单元为主。这可能是因为本文采用磷酸作为催化剂能够有效抑制ε—NH2与羧基的缩合。

图2　聚赖氨酸的核磁共振氢谱谱图

2.1.3电感耦合等离子体质谱

通过电感耦合等离子体质谱分析对聚赖氨酸的分子量进行测定，结果如图3所示。使用电喷雾（ESI）作为软电离方式，聚赖氨酸很难在电离过程中分解成碎片离子。因此谱图中各峰对应的质荷比（m/z）即为样品聚赖氨酸的分子量。从图3中可以看出，聚赖氨酸的分子量范围为200～1 000 g/mol，主要集中在382～742 g/mol。这说明本文制备的聚赖氨酸产物多为三聚体至五聚体，即低聚赖氨酸。根据分子量与分子尺寸的关系[20]，分子量为800 g/mol的聚赖氨酸分子链尺寸小于2 nm，这意味着本文制备的聚赖氨酸能够轻易扩散进入绝大部分泥页岩纳米级微孔隙。此外，考察了磷酸与单体L－赖氨酸的摩尔比对聚赖氨酸分子量的影响，结果发现磷酸的摩尔比越高，聚赖氨酸的分子量就越小（具体数据因文章篇幅限制未列出），说明磷酸在提高单体转化率的同时抑制了缩聚产物聚合度的增加。

图3　聚赖氨酸的电感耦合等离子质谱谱图

2.2聚赖氨酸的页岩抑制性能评价

通过线性膨胀实验、热滚回收实验以及黏土造浆实验对聚赖氨酸的抑制性能进行系统评价，并与其他几种常用抑制剂进行对比，包括KCl、聚醚胺（M-I公司产品，商品代号Ultrahib）、小阳离子（2,3-环氧丙基三甲基氯化铵，商品代号NW-1）和聚二甲基二烯丙基氯化铵（简称pDADMAC，重均分子量介于400 000～500 000 g/mol）。评价实验中使用的聚赖氨酸为按照最优合成条件合成的产物，其重均分子量为692 g/mol，黏度平均分子量为445 g/mol。

2.2.1线性膨胀实验

膨润土在聚赖氨酸以及其他抑制剂溶液中的线性膨胀曲线如图4所示。由图4可见，膨润土在去离子水中的膨胀高度最高，而在1%聚赖氨酸溶液中的膨胀高度相比去离子水中降低约40%，且明显低于相同浓度的KCl、Ultrahib和NW-1溶液，展示了聚赖氨酸优异的黏土膨胀抑制性能。此外，pDADMAC在所有样品中的膨胀高度是最低的，这可能是由于其为高分子量阳离子聚合物，除了能够中和膨润土表面负电荷外，还能够通过高分子链的“桥连”作用有效束缚膨润土颗粒，提供额外的膨胀抑制作用。然而，正是由于这种“电性中和”和“桥连”的双重作用，pDADMAC以及类似的高分子量阳离子聚合物会对钻井液流变性和滤失量造成严重的负面影响，因此通常不适宜在含膨润土的钻井液中应用。

图4　膨润土在不同抑制剂溶液中的线性膨胀曲线图

2.2.2热滚回收实验

泥页岩岩屑（矿物组成见表1中1号）在不同浓度各抑制剂溶液中的热滚回收率（120 ℃热滚16 h）如图5所示。

表1　热滚回收实验所用泥页岩矿物组成表

图5　泥页岩在不同抑制剂溶液中的热滚回收率图

从图5中可以看出，泥页岩在清水中的热滚回收率约为16%，而0.5%的聚赖氨酸就能够有效抑制岩屑的水化分散，将热滚回收率提高到60%左右。随着聚赖氨酸溶液浓度提高到1%，热滚回收率进一步增大到75%，但进一步提高浓度至3%并不能有效加强其抑制效果，这是因为1%浓度的聚赖氨酸即可在岩屑表面饱和吸附。其他抑制剂溶液中，表现其次的是pDADMAC，最高回收率也达到69%，略低于聚赖氨酸。此外，无论是KCl、小阳离子还是Ultrahib，岩屑热滚回收率均明显低于聚赖氨酸。

对于高伊利石含量的泥页岩，聚赖氨酸相比于KCl这一传统抑制剂的性能优越性更为突出。图6是高伊利石含量泥页岩（矿物组成见表1中2号）在1%～7%KCl溶液以及1%聚赖氨酸溶液中150 ℃热滚后的回收率数据。如图6所示，岩屑在清水中的热滚回收率为13%，而在7%KCl中的回收率也仅为23%，这说明KCl几乎起不到抑制伊利石分散的作用[21]。与KCl形成巨大反差的是聚赖氨酸，岩屑在1%聚赖氨酸溶液中的热滚回收率就能够达到59%，说明聚赖氨酸对于伊利石同样具有良好的抑制效果。

图6　泥页岩在KCl溶液和聚赖氨酸溶液中的热滚回收率图

2.2.3黏土造浆实验

通过测定膨润土在抑制剂溶液中造浆后的动切力（图7）评价了聚赖氨酸对膨润土分散造浆的抑制能力。

图7　膨润土在不同抑制剂溶液中造浆后的动切力图

从图7中可以看出，随着膨润土加量的增大，各抑制剂溶液中的膨润土浆动切力均呈上升趋势。总体上看，在相同pH值条件下（pH值为9），Ultrahib中膨润土浆的动切力最大，其次是KCl、NW-1和pDADMAC。而聚赖氨酸溶液中膨润土浆的动切力最低，甚至在20%膨润土加量下也仅有2.5 Pa，展示了聚赖氨酸优于其他几种抑制剂的膨润土水化分散抑制能力。

2.3聚赖氨酸抗温性能评价

本节考察了聚赖氨酸抑制剂的抗温性能。首先通过热重实验（图8）评价聚赖氨酸的热稳定性。从图8中可以看出，直到温度升高到254 ℃时聚赖氨酸的热重谱图中才出现明显的重量损失。这说明聚赖氨酸分子具有较高的热稳定性，在低于254 ℃时不会发生热分解反应。

图8　聚赖氨酸的热重谱图

通过黏土造浆实验考察温度对聚赖氨酸抑制性能的影响。图9展示了16%膨润土在2%聚赖氨酸溶液中于不同温度下造浆16 h后的塑性黏度和动切力。

图9　膨润土在不同温度下的聚赖氨酸溶液中造浆后的黏切力图

如图9所示，随着温度从80℃升高到180 ℃，膨润土浆的塑性黏度总体上小幅增大，而动切力维持在0 Pa不变。而当温度继续升高到220 ℃时，不仅塑性黏度从8 mPa·s明显增大到16 mPa·s，动切力也从0 Pa增大到2.5 Pa，说明此温度下聚赖氨酸的抑制效果大幅削弱。由于聚赖氨酸在低于250 ℃时不会受热分解，因此，220 ℃下抑制效果的减弱应归因于聚赖氨酸与膨润土表面静电相互作用的削弱及由此导致的吸附量减少。由此可见，180 ℃左右是聚赖氨酸抑制性能的转折点，该温度足以保证聚赖氨酸能够应用于大部分高温深井。

2.4pH值对聚赖氨酸抑制性能的影响

由于聚赖氨酸的胺基官能团是伯胺，因此溶液的pH值决定了其是否能够在水中接受水分子电离的H+而带正电荷。通过黏土造浆实验考察了体系pH值对聚赖氨酸抑制性能的影响。图10为20%膨润土在不同pH值的1%聚赖氨酸溶液中造浆后的黏切力。

图10　不同pH值聚赖氨酸溶液中膨润土造浆后的黏切力图

从图10中可以看出，随着pH值从7增大到10，膨润土浆的动切力和塑性黏度基本保持不变。然而当pH值进一步增大到11时，塑性黏度和动切力均显著增大。这说明聚赖氨酸的伯胺基pKa（酸离解常数）应在10～11范围内，如果溶液pH值高于pKa，则大部分伯胺基将无法质子化带正电，从而大大削弱聚赖氨酸的页岩抑制性能。由于钻井液的pH值范围通常在9～11之间。因此可以认为正常情况下钻井液的pH值变化不会对聚赖氨酸的性能产生不利影响。此外，文献报道聚赖氨酸中ε—NH2和α—NH2的pKa分别为7.6和10.5，这进一步证明了本文方法制备的聚赖氨酸主要以α—酰胺结构单元为主。

2.5聚赖氨酸环保性和经济性评价

聚赖氨酸不仅具有防塌抑制性能优异、成本低廉、生产工艺简单等优点外，还易于生物降解。聚合物的生物降解是指在真菌、霉菌或藻类等微生物作用下，聚合物通过生物物理或生物化学作用发生降解、同化的过程。聚合物的生物降解性能越强，排放后对环境造成的负面影响就越低。国际经济合作与发展组织（OECD）关于化学品的生物降解性出台了一系列标准[22]，已成为化学品环境危害评估、风险评价的重要依据。其中，OECD301系列标准规定了6种化学品快速生物降解性测试方法，按照标准测试方法通过的受试物可认为是易生物降解物质。根据其中的密闭瓶法（301D）测试标准，化学品在28 d时的生物降解率（BOD/COD）不低于60%时，即可认为易于生物降解。为了缩短测试周期，笔者委托北京市农林科学院植物营养与资源研究所测试了聚赖氨酸抑制剂5 d的生物需氧量（BOD5）以及化学需氧量（COD），其值分别为72.2 mg/L和110 mg/L。可见，聚赖氨酸在5 d内的生物降解率（BOD5/COD）就已高达65.6%，达到OECD标准。此外，主要作为饲料防腐剂使用的聚赖氨酸早已被证明具有低生物毒性[23]。这说明该产品是一种环境友好型页岩抑制剂。

2.6聚赖氨酸抑制机理分析

对吸附聚赖氨酸以及其他几种阳离子抑制剂的膨润土分别进行了Zeta电位测定，结果如图11所示。从图11中可以看出，只有吸附pDADMAC的膨润土电位反转为正值，达到+7 mV。而其他几种阳离子抑制剂在最高吸附浓度时的Zeta电位仍均为负值，按绝对值从小到大的顺序为聚赖氨酸（-4 mV）、NW-1（-9 mV）和Ultrahib（-18 mV）。结合泥页岩热滚回收实验和黏土造浆实验结果，可以发现抑制效果与Zeta电位之间的规律关系。吸附聚赖氨酸的膨润土的Zeta电位相比其他几种抑制剂更加接近0点。因此其无论是黏土造浆实验还是泥页岩岩屑回收实验的效果都是最好的。而pDADMAC的Zeta电位绝对值仅高于聚赖氨酸，因此其在两种抑制性评价实验中的效果均仅次于聚赖氨酸。

图11　吸附不同抑制剂的膨润土Zeta电位图

还有一点需要注意的是，由于仅0.2%浓度时pDADMAC的Zeta电位曲线就开始达到平台，说明pDADMAC在膨润土表面的吸附亲和力明显高于其他几种抑制剂，因而在低浓度（0.2%）下泥页岩岩屑在pDADMAC溶液中的回收率反而高于聚赖氨酸。对于Ultrahib，由于其Zeta电位绝对值相对最高。因此其在黏土造浆实验中的效果最差。但是，由于其在高温下具有“浊点”效应[24]，从而一定程度上提高了其抑制泥页岩分散的性能。因此在热滚回收实验中效果强于NW-1。

根据上述分析结果可以推断，膨润土在阳离子抑制剂的电性中和作用下，表面Zeta电位越接近0点双电层斥力就越弱，泥页岩就越不易水化分散。但如果膨润土表面被过度中和而带过量正电，则同样会因双电层斥力的存在而易于分散。Zadaka等[25]认为，不同阳离子有机物对膨润土Zeta电位的影响取决于多种因素，包括阳离子密度、分子量、分子结构、吸附构型等。对于高分子量阳离子聚合物，例如pDADMAC，其在膨润土表面的吸附构型主要以尾式和环式为主，从而保证了远大于阳离子交换容量（CEC）的高吸附量。因此，在较低浓度下（0.2%）pDADMAC即可造成膨润土表面电性反转。对于分子量较低的阳离子有机物，当其在膨润土表面的吸附量低于CEC时，吸附推动力主要为静电吸引作用；当吸附量超过CEC时，吸附推动力转变为阳离子之间的疏水相互作用[26]，例如具有长烷基链段的阳离子表面活性剂。对于聚赖氨酸，由于其分子量较低且不具有较长的疏水结构单元，因此在膨润土表面的吸附量不会超过CEC，难以造成Zeta电位反转，而是维持在零点附近。对于小阳离子，由于其分子量以及单位质量的带电量均低于聚赖氨酸，因此在膨润土表面的吸附亲和性相对较差，从而在相同浓度下的吸附量较低，对表面负电荷的中和的作用也较弱。Ultrahib可能由于分子骨架为聚醚结构，因而在膨润土表面的饱和吸附量远低于其他几种阳离子抑制剂，导致其对膨润土负电的中和效果最差。

3　结论

1）采用L－赖氨酸作为聚合单体，制备出了一种水基钻井液页岩抑制剂聚赖氨酸，分子量介于200～1 000 g/mol。

2）线性膨胀实验、泥页岩热滚回收实验和膨润土造浆实验结果表明，聚赖氨酸对于高蒙脱石含量或高伊利石含量的泥页岩均能起到显著的抑制作用，优于KCl、小阳离子、Ultrahib等目前常用的几种抑制剂。

3）聚赖氨酸具有优异的抗温性能和pH值适应性，温度在180 ℃以内、pH值介于7～10均能发挥良好的抑制作用。

4）聚赖氨酸在5 d内的生物降解率高达65.6%，证明了其是一种环保型页岩抑制剂，不会对环境造成明显危害。

5）通过对吸附聚赖氨酸的膨润土进行Zeta电位测定，表明聚赖氨酸具有优异抑制性能的原因在于其能够有效中和泥页岩中蒙脱石表面负电荷，将表面Zeta电位降低至接近零点而又不会使电位发生反转。从而极大程度压缩扩散双电层，使泥页岩不易分散。

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（修改回稿日期 2016-01-26编 辑 凌 忠）

Preparation and evaluation on polylysine:An environmentally-friendly efficient shale inhibitor

Xuan Yang1,Jiang Guancheng1,Li Yingying2,Chen Junbin3,Ouyang Wei3,Luo Taotao3,Song Ranran1
(1.MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Beijing 102249,China; 2.CNPC Drilling Research Institute,Beijing 102206,China; 3.Drilling & Production Engineering Technology Research Institute,CNPC Chuanqing Drilling Engineering Company Limited,Guanghan,Sichuan 618300,China)

NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 2，pp.84-91，2/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:Polylysine was developed to solve the problem of borehole wall instability during shale drilling.It is a type of environmentally friendly water-based drilling fluid shale inhibitor with a high inhibition performance.In this paper,polylysine was evaluated on its shale inhibition performance.First,it was chemically characterized by means of FT-IR,NMR,ICP-MS and TGA.Second,its shale inhibition performance was systematically evaluated via linear swelling tests,shale hot aging recovery tests and bentonite grout preparation tests.Third,its heat resistance and pH adaptability were evaluated.It is shown that polylysine is outstanding in shale inhibition capacities in the conditions with temperature below 180 ℃ and pH in the range of 7-10.And fourth,biodegradation tests were performed.It is indicated that polylysine is an environmentally friendly shale inhibitor that can be easily biodegraded.Research results show that the reason for the predominant inhibition capacity of the polylysine is that it can neutralize negative charges on the surfaces of bentonite and reduce the surface Zeta potential to near zero.And besides,no electric reverse is induced,so diffuse electric double layers can be compressed to the maximum extent.Therefore,shale diffusion does not easily happen.To sum up,the polylysine is superior to several commonly used shale inhibitors (e.g.KCl,NW-1 and Ultrahib) in terms of inhibition capacity.

Keywords:Drilling fluid; Shale inhibitor; Inhibition performance; Heat resistance; pH adaptability; Polylysine; Environmentally friendliness; Borehole stability

作者简介：宣扬，1984年生，博士研究生；主要从事新型钻井液体系和处理剂的研发工作。地址:（102249）北京市昌平区府学路18号。电话:13269763021。ORCID:0000-0002-6875-4445。E-mail:hades_331@163.com

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）项目课题（编号：2013AA064803）、中国石油天然气集团公司科学研究与技术开发项目“重大钻井技术集成配套与装备现场试验”（编号：2014D-4407）、国家自然科学基金创新研究群体科学基金（编号：51221003）、国家自然科学基金面上项目（编号：51474231）、国家自然科学基金重点支持项目（编号：U1262201）。

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.02.012