适用于页岩气水平井新型水基钻井液室内研究*

黄 云，雷庆虹

（中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，广东 湛江 524057）

随着非常规油气资源钻探开发技术的研究与发展，页岩气钻采效率不断提高，页岩气开发的钻井方式以大位移井和水平井为主[1,2]。由于页岩气水平井的水平段过长，增大了钻具与井壁、套管的接触面积，使钻进过程中的摩阻扭矩显著增大，造成起下钻遇阻、卡钻以及井壁失稳等复杂事故[3]。钻井液的润滑性能严重制约了水平井水平段的延伸长度，因此，研究钻井液用高效润滑剂成为了石油工作研究者的一项重要工作[4,5]。另外，井壁岩石黏土含量较高，主要以蒙脱石、伊蒙混层为主，属于水敏性地层，易水化膨胀，改变了近井地带原应力分布，造成井壁失稳；由于页岩气水平井的水平段过长，钻屑未能及时返出井眼，钻屑在水基钻井液的浸泡时间过长，造成钻屑水化分散，导致钻井液的黏度、切力上涨过快，起下钻或快钻时造成激动压力增大，使井壁的稳定性进一步恶化[6]。为了满足钻井安全、环保要求，在页岩气水平井开发过程中，寻找一种高性能水基钻井液代替油基钻井液成为重要的研究方向之一。赵素丽，陈斌，D.G.Pomerleau，张敬辉等[7-10]均研究了一种多功能基液应用于水基钻井液，均表现出优异的润滑、抑制黏土分散性能。基于此，笔者以超支化聚乙烯亚胺、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和氯乙酸钾为原料制备具有环保型多功能基液，并在水基钻井液评价其性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

NP-03型高温高压页岩膨胀仪（江苏联友科研仪器有限公司）；Fann212型极压润滑仪（美国Fann公司）；MRS-1J型四球摩擦磨损试验机（济南舜茂试验仪器有限公司）；D8 Advance型X射线衍射仪（德国Bruker公司）；KMY201-1A型抗磨试验机（武汉神州机电有限公司）；SL-200B型接触角测定仪(上海中晨数字技术设备有限公司)；ZNN-D6型六速旋转黏度计、SD3型中压滤失仪，青岛创梦仪器有限公司。

超支化聚乙烯亚胺（AR上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；NaOH、KCl、Na2CO3、氯乙酸钾、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；LV-CMC（增黏降滤失剂）、STARFLO（改性淀粉降滤失剂）、XC(改性黄原胶)、FT-1(改性沥青封堵剂)，均为工业级，中海油服化学公司。

1.2 多功能基液AS的制备

在装有球形冷凝管、搅拌器的三口圆底烧瓶中依次加入300mL无水乙醇（作为溶剂）、50g超支化聚乙烯亚胺、30g甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，搅拌使其混合均匀后，持续通N230min以上，加热至80℃，在搅拌条件下发生迈克尔加成反应，持续反应10h后，最后加入氯乙酸钾，在搅拌条件下发生季铵化反应，持续反应5h后，反应完成。通过减压蒸馏除去溶剂，得到多功能基液AS。

1.3 润滑抗磨性能测试

按照标准SY/T 6094-1994《钻井液用润滑剂评价程序》中润滑系数的评价方法，采用极压润滑仪测定蒸馏水的摩阻系数D水和润滑剂的摩阻系数D润滑剂，润滑剂的润滑系数K计算方法见式（1）。

式中K：润滑剂的润滑系数，无量纲；D水：蒸馏水的摩阻系数，无量纲；D润滑剂：润滑剂的摩阻系数，无量纲。

使用抗磨试验机，采用不断增加砝码（质量为800g）来评价润滑剂对钢珠和摩轮之间的互相摩擦运动的影响，通过摩擦钢珠和磨轮抱死的最多砝码数量为依据来评价润滑剂的抗磨性能。

使用四球摩擦磨损试验机，上球转速为1450r·min-1、施加负荷力为1.491kN，与底座固定的3个钢球摩擦30min，以钢球的磨斑直径来评价润滑剂的抗磨损性能。

1.4 抑制性能测试

取一定量的钠基膨润土在41.38MPa下压实30min，制备出钠基膨润土压片，将其置于含有不同浓度下多功能基液AS溶液中，并采用高温高压页岩膨胀仪在室温下评价含有不同浓度多功能基液AS的溶液对黏土的抑制效果。采用X射线衍射仪测试黏土矿物的层间距的大小来评价多功能基液AS的抑制性能。

2 结果与讨论

2.1 多功能基液AS的润滑抗磨性能评价

2.1.1 润滑性能评价 采用极压润滑剂评价室温下润滑剂的润滑系数，实验结果见表1。

表1 润滑剂的润滑及抗磨性能评价Tab.1 Evaluation of lubrication and wear resistance of lubricants

由表1可知，随着多功能基液AS、聚合醇的含量增加，润滑系数逐渐降低，对比相同加量下的聚合醇而言，多功能基液AS润滑系数更低，当多功能基液AS加量为20%时，其润滑系数低至0.032，与全白油性能接近，表明多功能基液AS具有优异的润滑性能，这是由于AS含有多个酯基、胺基，多个带孤对电子的N、O原子易与金属表面形成配位键[11]，非极性长链包裹在金属表面，形成稳定、致密的疏水性吸附磨膜，起到润滑作用。

2.1.2 抗磨损性能评价 采用抗磨试验机评价润滑剂的抗磨性能，实验结果见表1。

由表1可知，随着多功能基液AS含量增加，其在钢珠和金属摩轮表面形成的油膜越致密，抗磨性能显著提高，20%多功能基液AS加量可使砝码加至12块，其抗磨损性能均优于聚合醇和白油。

为了进一步评价润滑剂的长时抗磨损性，在四球摩擦磨损试验机施加负荷为1.491kN、摩擦时间为30min时，钢球磨斑见图1。

图1 钢球磨损形貌图Fig.1 Wear morphology of steel ball

由图1可知，在1.491kN的负荷下摩擦30min，海水、20%聚合醇、20%AS的钢球磨斑直径分别为1.072、0.839和0.662mm。钢球的磨斑直径越小，则含有润滑剂的钻井液抗磨损能越好，对比聚合醇、海水而言，20%多功能基液AS使钢球的磨斑直径更小，表明多功能基液AS具有良好的耐磨性能，且优于聚合醇。

2.2 多功能基液AS的抑制性能评价

2.2.1 线性膨胀率评价 采用高温高压页岩膨胀仪在室温下评价含有不同浓度多功能基液AS的溶液对钠基膨润土压片的膨胀抑制效果，并以10%KCl作为对比，实验结果见图2。

图2 多功能基液AS的抑制性能Fig.2 Inhibitory performance of multifunctional base fluid AS

由图2可知，钠基膨润土压片在海水中浸泡24h后，其线性膨胀率大于100%，浸泡在10%KCl溶液中的钠基膨润土压片线性膨胀率约为30%，KCl溶液表现出一定的抑制效果。另外，随着多功能基液AS的含量增加，对钠基膨润土压片的膨胀抑制效果更好，当多功能基液AS的含量为20%时，钠基膨润土压片线性膨胀率小于10%，表现出优异的抑制黏土膨胀性能，这是由于AS含有多个胺基、季铵基团，季铵盐带正电荷通过静电作用吸附在黏土颗粒表面，并对黏土晶格起固定作用，达到稳定页岩井壁稳定的作用[12]。

2.2.2 黏土层间距测试 将2.0%钠基膨润土分别加入海水和含20%AS的溶液中，不同温度下热滚16h，水浴冷却后，高速离心1h获得膨润土沉淀物，并通过X射线衍射仪对其黏土层间距进行测试，实验数据见图3。

图3 多功能基液AS对钠基膨润土的层间距的影响Fig.3 Effect of multifunctional base fluid AS on layer spacing of sodium bentonite

由图3可知，随着热滚温度逐渐升高，钠基膨润土的黏土层间距随之增大，处于海水中的钠基膨润土的层间距扩大的趋势更为明显。不同温度下，对比海水中的钠基膨润土，多功能基液AS对钠基膨润土的层间距的增大有明显的抑制作用，钠基膨润土在多功能基液AS中的层间距始终保持较低，具有良好的抑制黏土水化性能，由于AS分子含有季铵基团，该基团通过静电作用嵌入硅氧四面体中，对黏土起到晶格固定作用，抑制黏土水化膨胀，另外，疏水性长链可包裹黏土，进而阻止水分子进入黏土晶层中，降低因黏土水化膨胀引起井壁应力分布的改变，起到稳定井壁的作用[13]。

2.3 多功能基液AS的环保性能评价

按照GBT18420.2-2009《海洋石油勘探开发污染物生物毒性》第2部分：检验方法来评价多功能基液AS的生物毒性，以及按照《SY/T6788-2020水溶性油田化学剂环境保护技术评价方法》评价多功能基液AS的降解性，实验结果见表2。

表2 多功能基液AS环保性能Tab.2 Environmental performance of multifunctional base fluid AS

由表2可知，不同浓度多功能基液AS的溶液半数致死浓度均远大于30000mg·L-1，基本无毒性；不同浓度多功能基液AS的BOD5/CODCr值均大于20%，属于易降解处理剂，表明多功能基液AS具有良好的环境友好性。

2.4 水平井新型水基钻井液体系

水平井新型水基钻井液体系配方：海水+多功能基液AS+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+1.0%LV-CMC（增黏降滤失剂）+0.3%XC（改性黄原胶）+3%改性淀粉降滤失剂STARFLO+2%FT-1（改性沥青封堵剂）+重晶石加重至密度1.2g·cm-3。

将上述钻井液在100℃热滚16h，50℃下测试其流变性能，评价多功能基液AS加量对钻井液性能的影响，实验结果见表3。

由表3可知，由多功能基液AS配制的水基钻井液体系具有性能稳定、滤失量低的特点。随着多功能基液AS在水基钻井液的加量增大，钻井液的滤失量逐渐降低，这显著提高了钻井液的润滑性能、抑制性能，使该钻井液适用于页岩气水平井，可提高井壁的稳定性以及钻井的安全性。

3 结论

（1）基于迈克尔加成反应和季铵化反应，以超支化聚乙烯亚胺、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、氯乙酸钾为原料制备了环保型多功能基液AS，AS中含有大量的酯基、胺基、季铵基团，使该基液具有优异的润滑性能和抑制性能，且具有良好的环境友好性能，应用于水平井水基钻井液体系中，显著改善了水基钻井液性能；

（2）AS中含有带孤对电子的N、O原子易与金属表面形成配位键，非极性长链包裹在金属表面，形成稳定、致密的疏水性吸附磨膜，起到润滑作用。AS中的季铵盐带正电荷，可通过静电作用吸附在黏土颗粒表面，并对黏土晶格起固定作用。另外，疏水性长链可包裹黏土，进而阻止水分子进入黏土晶层中，达到稳定页岩井壁稳定的作用。

表3 多功能基液AS对钻井液性能的影响Tab.3 Effect of multifunctional base fluid ASon drilling fluid properties