具有黏土稳定作用的缓蚀剂在酸性完井液中的性能研究

宋晓伟

具有黏土稳定作用的缓蚀剂在酸性完井液中的性能研究

宋晓伟

（中海油服务股份有限公司油田化学事业部，天津 300452）

以二乙烯三胺、4-羟基苯丙醛为原料制备了一种具有黏土抑制作用的缓蚀剂AS。在隐形酸完井液中，提高AS的加量，使N80钢腐蚀电流降低，阻止金属腐蚀反应的进行，降低N80钢腐蚀速率。当AS加量为2.0%，N80钢的腐蚀速率仅为0.543 g/(m2·h)，其缓蚀率可高达93.80%，AS在隐形酸完井液中表现出优异的缓蚀性能，且属于混合控制型缓蚀剂。含有2%AS的隐形酸完井液滚动回收率可高达91.22%、黏土膨胀率仅为8.50%，表明AS具有较强的抑制黏土水化分散的能力，在现场使用时，可替代传统的黏土稳定剂和缓蚀剂两种材料的作用，降低综合成本，简化现场施工。

席夫碱；缓蚀剂；抑制性能；缓蚀性能；完井液

储层钻井过程中，在正压差作用下使钻井液在井壁上形成泥饼，达到稳定井壁的作用[1]。但钻井液滤液进入储层孔喉中，易与储层流体的高价阳离子发生化学反应（不配伍性能）进而生产无机垢[2]。另外钻井液的聚合物降滤失剂、固相颗粒封堵剂等不可避免地侵入储层，损害油气储层，使储层岩心渗透率下降明显，严重影响油气井的产能[3-4]。为了达到保护和改善储层的效果，常采用酸性完井液对近井壁带的聚合物大分子（改性黄原胶、改性淀粉、丙烯酰胺类聚合物）、固相颗粒（无机垢、CaCO3屏蔽暂堵剂）和可酸溶性的储层矿物产生溶蚀作用[5]，降低钻井液对储层的伤害，达到投产增产的技术效果。酸性完井液的主要组成为盐酸HCl、氢氟酸HF或隐形酸HTA，采用无机盐或有机盐加重，在一定温度作用下，酸性环境极易使金属设备（钻具、套管、金属管线）发生全面腐蚀，造成金属应力腐蚀开裂；另外，在溶解氧的作用下，盐使金属设备产生点蚀，点蚀具有半径小、分布广、深度大的特点，不易被发现[6]。储层含有水敏性矿物（蒙脱石、伊利石）易与完井液携带的水分散膨胀，进而降低储层渗透率。基于此，为了提高完井液综合性能，在完井液中加入添加缓蚀剂与黏土抑制剂，处理剂加入时需考虑其配伍性（避免拮抗作用），因此笔者以二乙烯三胺、4-羟基苯丙醛为原料制备一种具有黏土抑制作用的缓蚀剂AS，并在隐形酸完井液中评价其性能。

1 实验部分

1.1 AS的分子特点及合成原理

席夫碱具有合成步骤简单、成本低廉、绿色环保等优点[7]，基于席夫碱缩合反应，制备的AS分子具有甲亚胺特性基团（-RC=N-）和苯环，具有更大离域π电子，与金属表面形成较强的吸附[8-9]。二乙烯三胺含有多个胺基，可以提供孤对电子与铁金属表面形成配位键，稳定地吸附在金属表面。页岩硅氧四面体网络直径与胺基直径相近，对页岩黏土起到晶格固定作用，阻止水分子进入黏土晶层中，长碳链、苯环的疏水性使黏土表面润湿反转，抑制黏土表面水化[10-11]。4-羟基苯丙醛具有活性羰基和给电子基团，有利于席夫碱反应的亲核反应进行[12]。

1.2 AS的合成及结构表征

在装有温度计、冷凝管、搅拌器的三口烧瓶中，依次加入150 mL无水乙醇、10 g二乙烯三胺、30 g 4-羟基苯丙醛、少许乙酸，搅拌条件下，加热至70 ℃反应5 h，反应完后，通过减压蒸馏，无水乙醇重结晶，烘干，得到黄色粉末（产率为81.56%）。将提纯后的AS产物用KBr晶片压片制样，采用Nicolet710傅里叶变换红外光谱仪分析AS的结构。

1.3 AS缓蚀性能评价

静态失重法：将N80钢置于含有不同浓度AS的隐形酸完井液中（隐形酸完井液配方：模拟海水+1.0%隐形酸HTA+1.0%铁离子稳定剂ADF+1%助排剂+5% KCl），实验温度为80℃且浸泡1 d，评价AS的缓蚀性能，具体实施方法参考SY 5405—1996。

电化学分析法：室温下，采用CHI660C电化学工作站测试AS对置于隐形酸完井液中的N80钢的缓蚀机理。极化曲线测试扫描范围为相对开路电位-300～-600 mV，电位扫描速率为5 mV·s-1。

1.4 AS抑制分散性能

选择高分散性能的泥页岩和具有强造浆性能的膨润土，评价含有不同浓度AS的隐形酸完井液热滚回收率以及膨胀率，具体实施方法参考SY/T 5613—2000。

2 结果与讨论

2.1 AS分子结构表征

AS的红外光谱图见图1。

图1 AS的红外光谱图

从图1可知，3 402.34 cm-1处为胺基中N-H键的伸缩振动峰，3 010.10 cm-1处为苯环中=C-H的伸缩振动峰，1 291.65 cm-1处为酚羟基的弯曲振动峰；由于酮的-C=O吸收峰为1 715 cm-1，醛的-C=O吸收峰比相应的吸收峰高10 cm-1左右，在图谱中，1 725 cm-1附近未出现吸收峰，同时1 638 cm-1出现-C=N伸缩振动吸收峰，表明两种原料以发生了席夫碱反应。2.2 AS缓蚀性能评价

将N80钢置于含有不同浓度AS的隐形酸完井液中，评价AS的缓蚀性能见表1。从表1可知，未加AS的隐形酸完井液中N80钢的腐蚀速率为8.771 g/(m2·h)，无法满足现场施工需求；随着AS的加量增加，N80钢的腐蚀速率逐渐降低，AS可吸附在N80钢表面，阻止金属腐蚀反应的进行，当AS加量为2.0%，N80钢的腐蚀速率仅为0.543 g/(m2·h)，其缓蚀率可高达93.80%，AS在隐形酸完井液中表现出优异的缓蚀性能。

表1 AS缓蚀性能评价

将N80钢置于含有不同浓度AS的隐形酸完井液中，评价AS的缓蚀机理，相关数据见图2和表2。从图2、表2可知，随着AS加量增加，N80钢在隐形酸完井液的腐蚀电流逐渐降低，说明AS分子吸附在N80钢表面，有效抑制金属腐蚀反应，当AS加量为2%，N80钢的腐蚀电流为4.957×10-5，从腐蚀电流计算AS的缓蚀率，加入2%AS，其缓蚀率大于90%，其结论与静态失重法结论一致。另外，随着AS浓度增加，腐蚀电位下负方向移动，但负移小于30 mV，可认为AS属于混合控制型缓蚀剂。

图2 N80钢的极化曲线

表2 N80钢的极化曲线参数

2.3 AS抑制分散性能

选择分散性能的泥页岩置于含有不同浓度AS的隐形酸完井液中，80 ℃下热滚16 h，评价其滚动回收率。取一定量的膨润土加入含有不同浓度AS的隐形酸完井液中，80 ℃下静置1 d，评价其防膨率，相关数据见表3。从表3可知，未加AS的隐形酸完井液的滚动回收率、膨胀率分别为50.06%、16.32%，随着AS含量增加，其滚动回收率逐渐增大、膨胀率逐渐降低。当AS加量为2%时，滚动回收率可高达91.22%、膨胀率仅为8.50%，说明AS具有较强的抑制黏土水化分散的能力。

表3 抑制分散性能评价

2.4 AS对隐形酸完井液浊度的影响

在隐形酸完井液中分别加入1%、2%AS，在温度为80 ℃的烘箱中静置1 d，采用SZD-2智能化散射光浊度仪测定AS对隐形酸完井液浊度的影响，实验发现，隐形酸完井液的浊度值为13.34NTU，含有1%、2%AS的隐形酸完井液的浊度值分别为13.60NTU、13.89NTU，表明AS加入对隐形酸完井液的浊度值基本无影响。

2.5 储层保护性能评价

参考SY/T 6540—2002《钻井液完井液损害油层室内评价方法》，选用海上油田的天然岩心，采用岩心流动实验仪、高温高压动态污染实验仪等装置评价现场常应用的PRD钻井液对天然岩心渗透率的影响，以及评价隐形酸完井液冲洗由PRD钻井液污染后的岩心后的渗透率，数据见表4。

从表4可知，PRD钻井液污染后的岩心后的渗透率下降明显，岩心渗透率恢复值仅为72.33%，继续采用含有2%AS的隐形酸完井液对岩心进行驱替，模拟完井过程，渗透率恢复值超过了130%，表明含有2%AS的隐形酸完井液能够接触PRD钻井液的伤害，且能够进一步疏通孔喉，具有优异的储层保护性能。

表4 储层保护性能评价

3 结 论

1）以二乙烯三胺、4-羟基苯丙醛为原料制备了具有黏土抑制作用的缓蚀剂AS，4-羟基苯丙醛具有活性羰基和给电子基团，有利于席夫碱反应的亲核反应进行，该反应具有反应条件温和、产率高的特点。

2）在隐形酸完井液中，随着AS的加量增加，N80钢的腐蚀速率逐渐降低，AS可吸附在N80钢表面，使腐蚀电流降低，阻止金属腐蚀反应的进行，当AS加量为2.0%，N80钢的腐蚀速率仅为0.543 g/(m2·h)，其缓蚀率可高达93.80%，AS在隐形酸完井液中表现出优异的缓蚀性能，且属于混合控制型缓蚀剂。

3）泥页岩在含有2%AS的隐形酸完井液滚动回收率可高达91.22%、黏土膨胀率仅为8.50%，说明AS具有较强的抑制黏土水化分散的能力，胺基对页岩黏土起到晶格固定作用，阻止水分子进入黏土晶层中，长碳链、苯环的疏水性使黏土表面润湿反转，抑制黏土表面水化。

4）合成的新型缓蚀剂AS能够简化隐形酸配方组分，即具有缓蚀作用，又兼顾了黏土抑制性能，在现场使用时，可替代传统的黏土稳定剂和缓蚀剂两种材料的作用，降低综合成本，简化现场施工。

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Study on the Performance of Corrosion Inhibitor With Clay Stabilization in Acidic Completion Fluid

(COSL Oilfield Chemistry Division, Tianjin T300452, China)

In order to improve the comprehensive performance of completion fluid, the corrosion inhibitor AS with clay inhibition was prepared from diethylenetriamine and 4-hydroxyphenylpropanal. In the invisible acid completion fluid, increasing the amount of AS can reduce the corrosion current of N80 steel, prevent the metal corrosion reaction, and reduce the corrosion rate of N80 steel. When the amount of AS was 2.0%, the corrosion rate of N80 steel was only 0.543 g·m-2·h-1, and its corrosion inhibition rate was up to 93.80%. The inhibitor AS showed excellent corrosion inhibition performance in invisible acid completion fluid,and belong to the mixed control corrosion inhibitor. The rolling recovery of the completion fluid containing 2%AS was up to 91.22%, and the clay swelling rate was only 8.50%, indicating that AS had a strong ability to inhibit the hydration dispersion of clay, and when it was used in the field, it could replace the role of the traditional clay stabilizer and corrosion inhibitor to reduce the comprehensive cost and simplify the field construction.

Schiff base; Corrosion inhibitor; Inhibition performance; Corrosion inhibition performance; Completion fluid

TE257

A

1004-0935（2022）04-0463-04

中国海洋石油集团有限公司渤海油田3000万吨持续稳产重大科技专项子课题，渤海边际油田高效开发钻完井配套技术（项目编号：CNOOC-KJ135 ZDXM36 TJ06TJ）。

2021-12-03

宋晓伟（1984-），男，工程师，2007年毕业于中国石油大学（华东）应用化学专业，研究方向：钻井液技术。