泥饼对钻井液用小分子抑制剂的阻挡作用*

董汶鑫，蒲晓林，任研君，王梓豪，翟玉芬，王红彬

（1.油气藏地质与开发国家重点实验室（西南石油大学），四川 成都 610500；2.西南石油大学化学化工学院，四川 成都 610500）

0 前言

井壁失稳是石油与天然气钻采过程中最严重的问题之一，会导致缩径、坍塌卡钻、井眼扩大等一系列问题。泥页岩地层约占所钻地层的75%，而90%的井壁不稳定问题都发生在泥页岩地层［1］。泥页岩由于富含吸水性黏土矿物（伊利石、蒙脱石），比表面大，有显著的纳米孔隙结构，极易产生水化膨胀与分散。因此，最大限度地抑制泥页岩的水化受到众多研究者的关注［2-5］。

近年来，国内外学者基于黏土表面水化插层吸附机理在实验室中研发了各类型的小分子型表面水化抑制剂，可有效插入黏土矿物层间，通过竞争吸附及层间拉扯排挤出层间水分子，从而使得已水化的黏土去水化［6-8］。一些在实验室中抑制效果较好的表面水化抑制剂在油田广泛推广，如己二胺（HMDA）、四甲基胺盐（TMA）、聚乙烯亚胺（HPEI）和聚乙二醇（PEG）等［9-12］。

然而，油田现场施工中虽加入大量的表面水化抑制剂，却未能显著提高井壁稳定性，甚至不能有效遏制井壁坍塌。过量使用表面水化抑制剂不仅会大幅提高钻井成本，同样也极大提高了钻井液回收处理难度，对环境造成巨大的危害［13-16］。小分子表面水化抑制剂能否有效进入地层且形成抑制效果？目前，测定小分子抑制剂的抑制性均基于实验室研究，实验过程中将抑制剂与吸水性黏土蒙脱土直接作用，根据抑制剂处理后蒙脱土的含水情况判断抑制性强弱［17-19］。显而易见，这样的实验结果与钻采过程的实际情况并不相符，忽略了钻井液的传输过程及钻井液的复配性。众所周知，钻井液在井底失水进入地层前会通过相当厚度的纳米级致密泥饼。泥饼主要由膨润土及聚合物组成，对通过的水分子及具备极性基团的处理剂可产生吸附作用。本文选用实验室抑制效果佳且分子量最低的己二胺作为研究对象［9］，考察泥饼能否影响钻井液抑制剂有效进入地层。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

膨润土，潍坊龙凤膨润土有限公司；氯化钾、己二胺、苯甲酰氯、氢氧化钠，分析纯，成都科隆化工试剂厂；纳米二氧化硅，比表面积（BET）为150 m2/g，粒径7数40 nm，分析纯，上海阿拉丁生物科技有限公司；低黏聚阴离子羧甲基纤维素（PAC-LV），工业级，任丘市精业化工有限公司；抗温抗盐两性离子降滤失剂HF，自制；磺甲基酚醛树脂降滤失剂SMP，工业级，重庆大方合成化工有限公司；甲醇，色谱级，上海阿拉丁试剂厂；API 滤纸，最大孔径小于20 μm，成都科龙化工试剂厂。

动态常温常压双通道线性膨胀仪、GGS42-2A型高温高压失水仪，青岛同春石油仪器厂；Nicolet 6700 型红外光谱仪，美国Thermo Scientific 公司；Agilent 1290型反向高分离度快速液相色谱仪，液相色谱柱为 Eclipse Plus C18（2.1 mm×50 mm，1.8 μm），德国安捷伦公司。

1.2 实验方法

1.2.1 钻井液的配制

首先预水化膨润土，配制膨润土含量为4.5%的基浆（膨润土+水），搅拌2 h；之后，加入降滤失剂HF，室温下搅拌12 h。实验中发现HF 可使基浆体积明显减小，因此加长搅拌时间可保证混合液达到稳定。最后，取500 mL稳定后的混合液，加入5 g己二胺（质量浓度10 g/L），继续搅拌1 h，己二胺对混合液体积无明显影响。实验所用钻井液配方如下：1# 4.5%土+0.5% HF+0.5% SMP；2# 4.5%土+0.5%HF+0.5% SMP+1.0%己二胺；3# 4.5%土+0.5%SMP+0.5% PAC-LV；4# 4.5%土+0.5% SMP+0.5%PAC-LV+1.0%己二胺；5#4.5%土+1.0%SMP+1.0%PAC-LV；6# 4.5%土+1.0% SMP+1.0% PAC-LV+1.0%己二胺；7#4.5%土+1.0%SMP+1.0%PAC-LV+3%氯化钾；8# 4.5%土+1.0% SMP+1.0% PAC-LV+3%氯化钾+1.0%己二胺；9# 4.5%土+0.5% SMP+0.5% PAC-LV+0.5%二氧化硅；10# 4.5%土+0.5%SMP+0.5%PAC-LV+0.5%二氧化硅+1.0%己二胺。

1.2.2 滤液对井壁水化稳定性的影响

参照石油与天然气行业标准SY/T 5613—2016《钻井液测试泥页岩理化性能试验方法》，在常温和3.5 MPa 的条件下，利用高温高压失水仪压滤钻井液30 min，测定滤液对岩心水化膨胀高度的影响。取5 g已烘干的膨润土（220℃干燥24 h），在10 MPa下压制5 min 制得人造岩心，倒入10 mL 滤液，利用常温常压动态线性膨胀仪记录岩心16 h 内膨胀厚度的变化，采样时间间隔为2 s，膨胀厚度间隔为0.1 mm。

1.2.3 己二胺的柱前衍生实验

（1）由于己二胺不具备紫外吸收特性，无法直接利用色谱仪分析滤液中的己二胺含量。因此参照Verkoelen等［20］对多胺衍生的研究，采用苯甲酰氯对己二胺进行柱前衍生，并用红外光谱仪表征己二胺衍生物的结构。己二胺衍生反应原理如图1所示。

图1 己二胺衍生反应机理

（2）以3000 r/min的离心速度离心滤液10 min，去掉下层固体杂质，吸取上层清液。取离心后的10 mL 清液，加入0.4 g 氢氧化钠，磁力搅拌5 min。水浴40℃条件下，滴加0.2414 g 苯甲酰氯，充分搅拌30 min 后，加入20 mL 氢氧化钠水溶液，洗脱产物，115℃旋转蒸馏蒸发水份，得到白色残余固体。加入200 mL甲醇完全溶解残余固体，取0.5 μL用色谱柱分析己二胺含量。

1.2.4 己二胺含量的测定

采用液相色谱仪测定通过泥饼后的滤液中己二胺的含量。根据保留时间定性区分滤液中的组分，根据色谱图峰面积确定各组分的含量。色谱柱固定相为Eclipse Plus C18 柱（2.1 mm×50 mm，1.8 μm），流动相为甲醇与水（体积比60∶40），流速为0.200 mL/min，柱温35℃，紫外检测波长为229 nm。

2 结果与讨论

2.1 衍生物的结构

利用苯甲酰氯对己二胺进行柱前衍生，可定量确定钻井液中己二胺含量的变化。己二胺衍生物的红外光谱图（图2）中，835 cm-1附近出现的多个尖锐的强吸收带为苯环上=CH 面外弯曲振动；1536 cm-1处出现吸收很强的特征峰，为仲酰胺NH 面内弯曲振动，是仲酰胺与伯酰胺的根本区别；在1444 cm-1附近的多个吸收峰为芳环上C=C 伸缩振动；在3330 cm-1处出现吸收强度中等的特征峰，为芳香族仲酰胺NH 的伸缩振动。另外，红外光谱中未发现伯胺的反对称伸缩振动与对称伸缩振动的特征吸收峰，说明衍生物不含伯胺基团。以上结果表明己二胺两端的伯胺基团均与苯甲酰氯有效反应，由此可确定产物即为衍生设计产物。

图2 己二胺衍生物的红外光谱图

2.2 泥饼对钻井液中己二胺含量的影响

在井底压差作用下，钻井液会瞬间失水形成相当厚度的致密泥饼，阻挡后续水份及处理剂进入地层。本文模拟这一物理过程，选用API 滤纸模拟微纳米地层孔隙，在3.5 MPa 压力下压滤不同配方的钻井液，利用液相色谱仪分析不同钻井液体系下形成的泥饼对己二胺的阻挡作用。不同浓度己二胺衍生物及滤液的标准色谱图如图3所示。由图可见，己二胺衍生物的保留时间位于2.03 min 附近。通过拟合衍生物吸收峰的峰面积与己二胺含量可得正相关线性曲线，相关系数为0.9833，如图4所示。由图可分别确定2#、4#、6#、8#、10#钻井液滤液中己二胺的含量分别为0.2161%、0.5272%、0.2883%、0.1354%、0.2736%。

图3 钻井液滤液及己二胺衍生物标准色谱图

图4 钻井液滤液中己二胺含量测值的拟合曲线

由此可见，泥饼可以有效阻挡大部分己二胺。按（c0-c1）/c0×100%计算乙二胺含量减少率X，其中c0为通过泥饼前钻井液中己二胺的含量，c1为通过泥饼后滤液中己二胺的含量。己二胺通过2#、4#、6#、8#、10#泥饼后含量减少率分别为78.39%、47.28%、71.17%、86.46%、72.64%。45%数90%己二胺不能有效进入地层，泥饼对抑制剂的阻挡作用不可忽略，这也正是现场常加入过量抑制剂也不能有效提高井壁稳定性的根本原因。

2.3 泥饼对钻井液抑制性能的影响

采用岩心线性膨胀实验研究不同类型泥饼对钻井液抑制性的影响（图5）。己二胺水溶液经API滤纸过滤前后，对岩心的膨胀率影响并不明显，岩心16 h膨胀率仅降低0.5%，说明滤纸对己二胺基本无阻挡作用。由图5（b）数（f）可见，钻井液中加入己二胺后的API 滤液可使岩心膨胀率明显降低，说明己二胺可通过滤饼并起到抑制作用。但与1%己二胺的抑制效果相比，己二胺通过不同类型泥饼后的抑制性明显降低，说明大部分己二胺被泥饼阻挡。这主要是由于泥饼由细小的黏土颗粒及交联聚合物组成，流通孔径多为纳米级，阻碍水分子及抑制剂的渗流；且泥饼与抑制剂间存在较强的氢键及范德华吸附力，可吸附部分小分子抑制剂。因而，钻井过程中泥饼对抑制剂的吸附与束缚作用不可忽略。另外，通过上述实验还可看出己二胺能否有效进入地层，这与钻井液的组分也有一定的关系。

图5 不同类型泥饼对己二胺抑制性的影响

3 结论

为了研究小分子表面水化抑制剂能否有效进入地层这一问题，以己二胺为研究对象，通过实验论证了不同泥饼对己二胺渗入地层的阻挡作用及其抑制性的影响。泥饼可阻挡45%数90%己二胺有效进入地层。通过滤饼的己二胺可起到抑制作用，含己二胺钻井液的滤液可使岩心膨胀率明显降低。但与己二胺水溶液相比，己二胺通过不同类型泥饼后对岩心水化膨胀的抑制性明显降低。