钻井液用多功能阳离子聚合物乳液研制及其作用机制

2020-07-29周宝义赵贤正王子毓黄贤斌

中国石油大学学报（自然科学版） 2020年4期

周宝义, 赵贤正, 章超, 王子毓, 卢震, 黄贤斌

(1.中国石油大港油田公司,天津 300280; 2.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛266580)

复杂地层钻井过程中常遇到井壁失稳、摩阻大、井漏等问题[1],需要向钻井液中添加一定数量的处理剂,以使钻井液具有良好的抑制性、封堵性及润滑性等综合性能[2-7]。现有的高效处理剂[8-15]往往性能单一,需要同时向钻井液中添加页岩抑制剂、封堵剂和润滑剂等多种处理剂,才能满足安全高效钻井对钻井液的性能要求。笔者利用自由基聚合法,采用苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为单体合成一种具有抑制、封堵、润滑等多功能的阳离子聚合物乳液,对其综合性能进行评价,并研究其作用机制。

1 实验

1.1 主要材料及仪器

材料:苯乙烯(ST,纯度大于99.0%(本文中涉及含量的“%”均为质量分数))、丙烯酰胺(AM,纯度大于99.0%)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC,75%水溶液)、甲基丙烯酸甲酯(MMA,纯度大于99.0%)、过硫酸钾(K2S2O8,纯度大于99%)、氯化钾(KCl,纯度大于99.5%)、氨水(75%水溶液)、碳酸钠(Na2CO3,纯度大于99.8%),上海麦克林生化科技有限公司;膨润土,潍坊华潍膨润土集团股份有限公司;聚醚胺D-230(工业级),美国亨斯迈公司;岩样(岩屑和岩心片),取自四川地区露头泥页岩。

实验仪器:电子分析天平，FA1104,上海恒平；六速旋转黏度计，ZNN-6型,青岛海通达；滚子加热炉，BGRL-45,青岛同春石油仪器有限公司；双通道泥页岩膨胀仪，CPZ-Ⅱ,青岛恒泰达机电设备有限公司；激光粒度分析仪，Mastersizer3000,英国马尔文公司；纳米粒度电位仪，Zetasizer Nano Z90,英国马尔文公司；光学接触角测定仪，OCA-25,德国Dataphysics;冷场发射扫描电镜，Regulus8200,日本日立公司;极压润滑仪，EP-2,青岛同春石油仪器有限公司;高温高压岩心动态损害评价系统，JHMD-II,荆州现代石油科技。

1.2 实验方法

1.2.1 阳离子聚合物乳液的合成

以疏水单体为主体,引入亲水单体增强亲水性、引入阳离子单体增强吸附性能,合成一种阳离子聚合物乳液。单体的质量占总质量的30%。将一定量的AM、DMC、乳化剂加入到蒸馏水中,搅拌使其完全溶解,使用质量分数为30%的NaOH水溶液调节pH至7。把一定量的ST和MMA加入上述溶液中,高速搅拌使分散均匀,形成稳定的乳状液。将装有搅拌器、温度计的三口烧瓶(250 mL)置于恒温水浴槽中,加入上述乳状液,反应前通10 min的N2,在 80 ℃恒温下将引发剂过硫酸钾逐滴加入,反应4 h,室温冷却,得到了黏稠的乳液,即为多功能阳离子聚合物乳液处理剂ZD-1。

1.2.2 线性膨胀实验

使用分析天平精确称取在(105±2)℃条件下烘干4 h的膨润土10.0 g,装入页岩膨胀仪测筒中,并使用液压式压力机在10 MPa条件下压制5 min,制得试验岩心。然后将带有试验岩心的测量筒安装在线性膨胀仪上,加入所要测试的溶液。测试膨润土膨胀高度随时间的变化,测试时间为16 h,测试温度为25 ℃。

1.2.3 热滚回收实验

使用分析天平精确称取25.0 g干燥的泥页岩岩屑(粒径为2.00～3.35 mm)装于老化罐中,并向其中分别加入纯水、5% KCl、2%聚醚胺以及不同质量分数的ZD-1溶液各300 mL,使用滚子炉在150 ℃下热滚16 h。结束后取出冷却将液体倒出,并过0.425 mm筛网,筛余的岩屑在(105±2)℃烘干至恒重,质量记为m。滚动回收率计算公式为

RS=m/25.

(1)

式中,RS为页岩滚动回收率;m为回收的页岩质量,g。

1.2.4 基浆的配制

向高搅杯中加入400 g自来水,在5 000 r/min转速下依次加入16 g膨润土、1.2 g碳酸钠。总共搅拌40 min,期间停止3次,以刮去粘附在高脚杯壁上的膨润土,搅拌完毕后用密封膜封口在室温下老化24 h,配制成4%的膨润土基浆。

1.2.5 粒度分布

ZD-1粒度分布:配制质量分数为1.0%的ZD-1水溶液,使用纳米粒度电位仪(Zetasizer Nano Z90)测定粒度分布。

膨润土基浆粒度:取4份400 mL基浆在5 000 r/min的高速搅拌下分别向其中加入2、4、6、8 g的ZD-1,充分搅拌40 min,在室温下密封老化16 h后高速搅拌5 min,使用激光粒度分析仪(Mastersizer3000)测定膨润土的粒度分布。

1.2.6 Zeta电位测试

取多份50 mL 4%膨润土基浆,分别加入不同质量分数的ZD-1,在500 r/min条件下磁力搅拌2 h,在室温下利用纳米粒度电位仪(Zetasizer Nano ZS90)分别测定基浆Zeta电位的变化。

1.2.7 接触角实验

将岩心片在不同质量分数的ZD-1溶液中浸泡24 h,取出后在(105±2)℃条件下烘干,使用光学接触角测定仪,利用微量进样器将约2 μL的去离子水滴在岩心片上,静置5 min后,测定去离子水在改性岩心片上的接触角。实验温度为室温。

1.2.8 封堵实验

配制4%的膨润土基浆,评价不同加量ZD-1条件下,基浆对低渗岩心气测渗透率的影响。选取气测渗透率相近的岩心(渗透率为0.5×10-3μm2,Φ25 mm×50 mm),利用岩心动态损害评价系统,使用不同质量分数ZD-1的基浆对岩心进行封堵,封堵条件为120 ℃和3.5 MPa,封堵时间为2.5 h。封堵完毕后,自然晾干岩心,再次测定岩心的气测渗透率。计算岩心的封堵效率:

(2)

式中,RP为封堵率;k0为岩心原始气测渗透率,10-3μm2;k1为封堵处理后岩心的气测渗透率,10-3μm2。

1.2.9 摩阻系数测定

利用极压润滑系数测定仪测定不同加量条件下ZD-1对钻井液基浆摩阻系数的影响,并与油酸酯类润滑剂和固体润滑剂石墨进行性能对比。润滑剂的摩阻系数降低率计算公式为

(3)

式中,RF为摩阻系数降低率;F0为基浆的摩阻系数;F1为样品的摩阻系数。

1.2.10 扫描电镜实验

用分析天平在室温下精确称取2份2.00～3.35 mm的泥页岩各10 g,分别加入到50 mL去离子水和50 mL 1% ZD-1溶液中,在室温下静置5 h。随后过0.425 mm筛网,将筛余的岩屑在(105±2)℃烘干至恒重,利用扫描电镜观察岩屑的微观形貌。

2 结果分析

2.1 抑制性能评价

(1)线性膨胀实验。测定了5%KCl、2%聚醚胺以及质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%的ZD-1溶液对膨润土岩心试样膨胀率的影响,实验结果如图1所示。与其他抑制剂相比,膨润土岩心试样在蒸馏水中的16 h膨胀率最大,为47%,说明蒸馏水无法抑制膨润土水化。不同质量分数的ZD-1溶液膨胀率较小,且随着ZD-1质量分数的增大,16 h膨胀率逐渐降低,对于0.5%、1%、1.5%、2%的ZD-1溶液,16 h膨胀率依次为 33%、27%、29%和26%。1% ZD-1溶液16 h线性膨胀率相比于蒸馏水降低约43%。此外,0.5% ZD-1溶液的16 h线性膨胀率明显低于5% KCl和2%聚醚胺,说明ZD-1具有优异的抑制膨润土水化膨胀的能力。由于岩心试样压制不均匀等原因,实验中存在实验误差,导致1.5% ZD-1下的膨胀率大于1% ZD-1下的膨胀率。

图1 膨润土岩心试样在不同抑制溶液中的线性膨胀变化

(2)热滚回收实验。测定蒸馏水、5%KCl、2%聚醚胺以及不同质量分数的ZD-1对页岩滚动回收率的影响,实验结果如图2所示。由图2可知,泥页岩在蒸馏水中的滚动回收率仅为12.9%,而在0.5% ZD-1滚动回收率达到44.5%,表明ZD-1抑制岩屑水化分散效果显著。随着ZD-1质量分数提高到2%,滚动回收率增至80.2%,继续增加ZD-1到3%,滚动回收率基本保持不变。此外,2% ZD-1的泥页岩滚动回收率高于2%聚醚胺和5% KCL的泥页岩滚动回收率,表明ZD-1相比于聚醚胺和KCl具有更好的抑制岩屑水化分散的能力。

图2 泥页岩在不同抑制溶液中的滚动回收率

(3)粒度分布测试。ZD-1粒度分布曲线如图3所示,在4%膨润土基浆中加入不同质量分数ZD-1后,膨润土粒径变化曲线如图4所示。

图3 ZD-1的粒度分布曲线

图4 加入不同质量分数ZD-1后基浆粒度中值柱状图

由图3可知,ZD-1颗粒本身为纳米级别,粒径在20～500 nm内,平均粒径为124 nm。由图4可知,不加抑制剂时膨润土颗粒分散较好,粒度中值为3.2 μm,加入ZD-1抑制剂后粒径明显变大。说明随着ZD-1质量分数逐渐增加,膨润土颗粒发生聚结,粒径明显变大,表明ZD-1可有效抑制膨润土水化分散。

2.2 抑制机制

(1)电荷中和作用。使用纳米粒度电位仪测定加入不同质量分数ZD-1后基浆试样的Zeta电位值,实验结果如图5所示。

图5 黏土Zeta电位随ZD-1质量分数的变化

由图5可以看出,基浆的Zeta电位为-35.5 mV,随着ZD-1质量分数的增加, Zeta电位(绝对值)变化较小,当ZD-1质量分数为2%时,Zeta电位降为-19.4 mV。Zeta电位变化的原因包括以下3点:①由于ZD-1分子上的阳离子中和黏土表面的负电荷,导致膨润土颗粒的Zeta电位降低;②随着ZD-1在膨润土颗粒表面的吸附,黏土颗粒聚结在一起,颗粒电泳淌度降低,Zeta电位发生变化[16];③阳离子的加入具有压缩双电层的作用,也会降低zeta电位。

(2)润湿反转作用。接触角是表征物体表面亲水强弱的一种方法[17]。使用光学接触角测定仪测定了利用不同质量分数ZD-1处理后岩心片的水相接触角,结果见图6。可以看出,未处理的岩心片,蒸馏水在其表面的接触角是18.9°,表现出较强的亲水性。经ZD-1处理后,水的接触角发生显著变化。0.5% ZD-1处理过的岩心片接触角增加到30.2°。接触角随着ZD-1质量分数的增加而增大,当ZD-1质量分数为2%时,接触角增大到84.8°,亲水性明显减弱。据分析,接触角变化原因是由于ZD-1本身是疏水型的聚合物微球,由于其表面阳离子基团的存在,会吸附在膨润土颗粒表面,形成疏水层[17]。

图6 不同质量分数ZD-1处理后岩心片的水相接触角

(3)吸附成膜作用。利用扫描电镜观察1%ZD-1溶液浸泡前后岩屑表面的微观形貌,实验结果如图7所示。由图7(a)可见,处理前的原始岩屑中可以明显观察到片状的黏土矿物成分。使用ZD-1处理后,岩屑表面吸附了一层ZD-1纳米颗粒(图7(b)),且岩石基质状态变化较小。这是由于ZD-1表面的阳离子可以较好地吸附在膨润土颗粒的表面,从而通过降低亲水性、形成疏水层而抑制泥页岩水化。此外,由于ZD-1是一种纳米型高分子乳胶,具有一定的封堵微裂缝/孔隙的能力,从而降低水的侵入,也有利于抑制水化。

图7 ZD-1处理前后黏土表面的微观形态

根据上述的分析结果,可以归纳出ZD-1抑制黏土水化分散和膨胀的机制。首先,ZD-1纳米颗粒表面的阳离子能够通过静电作用吸附在黏土表面,中和黏土颗粒表面的负电荷,从而降低了黏土颗粒表面的静电斥力,降低了Zeta电位;其次,由于ZD-1合成过程中疏水单体占最大比例,ZD-1颗粒本身疏水性较强,吸附在泥页岩表面之后,在泥页岩表面会形成疏水层。此外,ZD-1是一种粒径处纳米尺度的聚合物微球,具有一定的封堵微裂缝/孔隙的能力,可以一定程度上阻止水分子侵入泥页岩地层。

2.3 封堵性能及机制

使用ZD-1对低渗人造岩心进行封堵处理,并与磺化沥青进行对比实验,封堵后人造岩心渗透率变化如表1所示。可见,ZD-1对低渗岩心的封堵率明显高于磺化沥青,随着ZD-1质量分数的增加,封堵率逐渐增高,且2% ZD-1条件下的封堵率高达90%,说明ZD-1能有效封堵低渗岩心,从而可降低由于压力传递引起的井壁坍塌。磺化沥青的粒径大于ZD-1,粒度在微米级的范围内,难以适应尺寸较小的岩心孔隙,在封堵过程中容易推积在低渗岩心表面,难以达到理想的封堵效果。ZD-1是一种柔性的纳米颗粒,粒径为124 nm,能够进入纳米级的孔隙内并可以通过变形增强与岩石的作用力,从而可获得较好的封堵效果。

表1 封堵后人造岩心渗透率变化

2.4 润滑性能及机制

利用极压润滑仪测试了ZD-1对4%膨润土基浆摩阻系数的影响,并与常用固体润滑剂石墨进行性能对比,实验结果如图8所示。可见,在同等加量下,ZD-1的摩阻系数降低率略高于石墨,在2%加量下,摩阻系数降低率达到54.5%,证明ZD-1具有优异的润滑性能。ZD-1是一种高分子聚合物乳胶,是一种球形纳米级颗粒,可以在钻具与岩石界面充当固体润滑剂的作用,起一种类似“微轴承”的作用[18],将滑动摩擦变为滚动摩擦。另一方面,纳米颗粒可以填充在钻具和岩石表面的微瑕疵处,有利于提高界面的光滑度[19],从而达到提高润滑性的作用。