钻井液pH值对钾钙铝离子抑制性的影响

通过页岩滚动回收率和岩屑粉污染实验,讨论了不同酸碱度环境对钾、钙、铝离子抑制泥页岩分散能力的影响。结果表明,钾离子的抑制能力受钻井液p H值影响较小,但不同p H值环境下随KCl含量增加钻井液抑制能力的变化趋势有所不同,p H值为7时KCl溶液的抑制性随KCl含量升高而增加,p H为9时KCl溶液的抑制性在KCl含量5%时出现拐点现象;钙离子抑制泥页岩分散能力受p H值影响较大,酸碱度为中性时,钙离子含量达到3 600 mg/L的Ca Cl2溶液其页岩滚动回收率≤20%,抑制泥页岩分散能力较弱,碱性环境下钙离子在泥页岩表面上形成惰性的水化硅酸钙,能够降低泥页岩的分散性。钙离子含量为540 mg/L的Ca Cl_2溶液p H值由7升高至9时页岩滚动回收率由17.4%增加至72.9%,抑制泥页岩分散能力良好;碱性环境下Al Cl_3在水中生成氢氧化铝或偏铝酸钠,基本无抑制性,但在膨润土浆中加入0.5%Al Cl_3·6H_2O,当p H值为12.8时页岩滚动回收率可由30.9%增加至61.2%,表明碱性环境下铝离子和膨润土具有协同增效提高钻井液抑制性的作用。     

新型聚胺页岩抑制剂性能评价

针对钻井工程中泥页岩井壁易失稳的问题,近年来开发并应用的聚胺强抑制水基钻井液,被认为是最接近油基钻井液性能的新型水基钻井液。其中,聚胺页岩水化抑制剂作为该钻井液的关键处理剂,具有独特的分子结构和优异的抑制性能。通过抑制膨润土造浆试验、三次页岩滚动分散试验、X射线衍射分析黏土层间距和Zeta电位测试等试验,对比评价了聚胺与传统阳离子钻井液抑制剂小阳离子的抑制性。同时,考察了聚胺、小阳离子与膨润土及常用钻井液处理剂的配伍性。结果表明,与小阳离子相比,聚胺更能有效抑制黏土水化膨胀和抑制泥页岩水化分散,并具有长期稳定作用。聚胺与膨润土及各种钻井液处理剂配伍性良好,克服了阳离子钻井液配伍性差的问题。      

环保型高效页岩抑制剂聚赖氨酸的制备与评价

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。     

两性小分子聚铵泥页岩抑制剂MPE-1的合成与抑制性能

从泥页岩抑制剂分子特性和抑制要求出发,以间苯二铵双磺酸、乙醇、环氧丙烷和环氧氯丙烷为反应物进行聚合,合成了两性小分子聚铵泥页岩抑制剂MPE-1。采用FTIR分析了MPE-1的分子结构、凝胶色谱仪测定了MPE-1的相对分子质量(约为1 805),并研究了MPE-1的抑制性能。实验结果表明,加入2.0%(w)的MPE-1可以使滚动回收率达90.24%,二次回收率也大于90%,MPE-1具有良好的防止泥页岩水化的能力,抑制性能优于NW-1,KCl,NaCOOH,KCOOH等抑制剂。粒度分析实验结果表明,在基浆中加入MPE-1后,粒径分布曲线大幅右移,比表面积持续下降,当MPE-1加量为1.2%(w)时,颗粒比表面积比加入前下降近90%,证明MPE-1对膨润土颗粒的分散造浆有优异的抑制性能。     

环保型改性生物多肽水基钻井液抑制剂的合成与应用

随着国家对环境保护的日益重视,传统的聚磺钻井液处理剂将慢慢被环保型钻井液处理剂取代。从分子结构设计出发,基于生物多肽明胶进行改性合成了环保型改性生物多肽抑制剂WNGT。明胶改性后在核磁共振图谱的化学位移3.19 ppm和4.12 ppm处出现2个明显的新的特征峰,表明成功制备得到目标产物。线性膨胀实验表明：对比KCl、聚醚胺PEA抑制剂,在相同加量下,WNGT溶液中膨润土的膨胀高度最小,抑制效果最好;WNGT具有优良的抑制黏土水化膨胀性能,2%加量的WNGT,膨润土24 h的膨胀量仅为1.60 mm;与改性前的明胶相比,页岩岩屑滚动回收率达95%以上,相比改性前提高46.05%;膨润土浆中加入2%WNGT后,Zeta电位降至-11.7 mV,WNGT可有效中和黏土负电荷,压缩双电层,降低黏土Zeta电位。在川渝地区开发井沙溪庙砂泥岩井段进行了现场应用,在井浆中加入WNGT后,井浆黏度和切力均有所下降,且能长时间稳住钻井液流变性,保证了在砂泥岩段的顺利钻进,降低了钻井成本。     

钻井液用MOF衍生物封堵-抑制剂的制备与性能

以六水合硝酸锌、2-甲基咪唑（GC）和乙二胺（EDA）为原料,通过原位功能化法制得MOF-乙二胺有机-无机杂化材料,继而与氮丙啶进行一锅法加聚反应,制得了结构外侧富含胺基官能团的纳米级MOF衍生物封堵-抑制剂。研究了该剂的封堵性能、抑制性能及与不同钻井液体系的配伍性。MOF衍生物封堵-抑制剂具有优异的封堵性能,可大幅降低基浆滤失量。6%的钠膨润土基浆在30 min时的总滤失量高达24mL,而由3%钠土+3%封 堵-抑制剂构成的土浆在30 min时的总滤失量仅4.4 mL,远低于基浆的。25%的膨润土在2%的封堵-抑制剂悬浊液中的动切力仅6.5 Pa,膨润土在2%封堵-抑制剂悬浊液中的最终膨胀高度较之在去离子水中降低了76%,泥页岩在2%封堵-抑制剂悬浊液中的滚动回收率达74.23%。以3%封堵-抑制剂取代3种钻井液体系原有的封堵剂与有机抑制剂后,钻井液老化前后的流变性能与API滤失量均维持了稳定,仅HTHP滤失量小幅上升,泥页岩在取代后钻井液中的滚动回收率略有上升。MOF衍生物封堵-抑制剂兼有良好的封堵性能、抑制性能与配伍性。     

新型超高温页岩抑制剂特性实验研究

为满足超高温深井钻井工程的需要,提升抗高温水基钻井液的抑制页岩水化能力,研选了一种新型超高温页岩抑制剂HT-HIB该抑制剂分子结构与聚醚二胺类似,端部含有2个胺基,但分子链为刚性的环烷基。通过抑制膨润土造浆实验、页岩滚动分散实验、页岩膨胀实验、压力传递测试、X射线衍射分析黏土层间距、Zeta电位测试和热重分析等,综合评价了该页岩抑制剂的抑制性能,并揭示其作用机理。结果表明,HT-HIB能抑制泥页岩水化膨胀和分散,并可在一定程度上阻止压力传递,作用优于目前高性能水基钻井液中使用的聚胺抑制剂;同时HT-HIB可在220℃下保持性能稳定。HT-HIB通过端部的胺基单层吸附插入黏土层中,破坏黏土表面水化层结构并排出层间水分子;黏土表面吸附HT-HIB后亲水性显著降低,从而阻止了水分子的吸附;此外,HT-HIB的溶解度随pH值变化,可使HT-HIB从溶液中析出并堵塞页岩微孔隙,也有利于阻止液相侵入。总之,HT-HIB借助化学抑制、润湿反转以及物理封堵协同作用,因而表现出突出的抑制性能,为开发新一代抗高温高性能水基钻井液打下了基础。      

聚胺与甲酸盐抑制性对比实验研究

为了满足"优质、环保、安全、快速"的现代钻井工程需要,近年来开发了聚胺高性能水基钻井液,其性能被认为最接近油基钻井液。聚胺页岩水化抑制剂作为该体系的关键处理剂,以其独特的分子结构和优异的抑制性能,逐步引起人们的重视。文中通过抑制膨润土造浆实验、页岩滚动分散实验和粒度分布测试,对比评价了聚胺和甲酸盐的抑制性;通过X射线衍射分析层间距、Zeta电位测试、表面张力测试、改性膨润土吸水实验及活度测试等,分析研究了聚胺和甲酸盐的作用机理。结果表明,与甲酸盐相比,聚胺在低浓度时即能最大限度降低黏土水化层间距,使黏土去水化;同时聚胺吸附在黏土表面后,能增强黏土的疏水性;甲酸盐主要通过降低溶液活度实现抑制作用。     

新型环烷胺页岩抑制性评价及分析

通过分子结构设计,研制了新型环烷胺作为泥页岩抑制剂。采用抑制膨润土造浆实验、页岩滚动分散实验和絮凝实验评价了其抑制性能。结果表明,新型环烷胺的抑制性优于国外聚胺Ultrahib和传统的无机盐类抑制剂KCl;180℃下仍能抑制泥页岩水化分散,具有优良的抗温性能。表面张力测试和X-射线衍射分析干态层间距表明,新型环烷胺具有较强的表面活性,能显著降低水溶液表面张力,且能够进入黏土晶层间,形成单层吸附。X-射线衍射分析湿态层间距和吸水实验表明,环烷胺通过质子化胺基吸附在黏土晶层间,置换出层间水化阳离子,大幅度降低黏土层间距,同时增加黏土表面的疏水性,实现泥页岩稳定。     

有机硅-胺类聚合物抑制剂的制备与性能研究

为解决使用水基钻井液钻遇泥页岩井段时易发生井壁失稳的问题,选取合适单体,制备了胺类-有机硅聚合物抑制剂PAKAS。通过红外光谱与凝胶色谱分析,证明所制备的PAKAS分子结构符合预期,为分子量适中的高聚物;进行了膨润土造浆、线性膨胀与页岩滚动回收实验,结果表明PAKAS对膨润土与泥页岩的水化造浆作用有着良好的抑制效果;通过热失重实验与吸附实验对PAKAS的作用机理进行了分析,结果表明PAKAS分子结构较为稳固,且具备较强的吸附性能,在高温(200℃)环境中仍可维持其高聚物特性,且仍可有效吸附于黏土颗粒表面,进而通过包被作用抑制地层中泥页岩的水化,其抑制效果优于KCl、Ultrahib、SIAT及不含硅氧烷基团的聚合物PDAS。     

页岩抑制剂PAI的室内评价

通过调研现有的泥页岩井壁稳定机理,提出了螯合稳定井壁的方法,并在室内合成了页岩稳定剂。通过钻屑回收率、膨润土容量、岩心膨胀率和泥球浸泡实验评价了合成的处理剂稳定膨润土的性能。结果表明,合成的页岩稳定剂与常规的抑制剂相比表现出了钻屑回收率高、膨润土容量大、岩心膨胀率小、泥球膨胀量小等特点。并通过测定膨润土胶体体系的zeta电位和激光粒度分布,间接印证了螯合稳定泥岩井壁的作用机理。     

聚醚胺基烷基糖苷对钾铵基钻井液性能影响研究

室内试验研究抑制剂聚醚胺基烷基糖苷(NAPG)的用量对钾铵基钻井液流变性能、膨润土含量及抑制防塌性能的影响。结果表明:NAPG与钾铵基钻井液配伍性良好,钾铵基钻井液加入NAPG后,表观黏度和切力略有降低,其他流变性能保持稳定,同时降低了钻井液膨润土含量;NAPG加量为1.0%时,钾铵基钻井液岩屑一次滚动回收率由89.7%提高至96.1%;NAPG加量为5.0%时,钾铵基钻井液页岩膨胀高度由3.39 mm降至1.81 mm,表明NAPG抑制剂可进一步提高钾铵基钻井液的抑制防塌性能。     

新型聚胺盐泥页岩抑制剂的研究及应用

以小分子量聚合醇、金属催化剂、氨水、高温保护剂、改性剂为原料,制得钻井液用抗高温聚胺盐抑制剂JAI,外观为浅黄色黏性液体。研究表明,JAI处理剂抗黏土污染量达到40%以上,过40目、28目筛的滚动回收率分别为63.8%、51.2%,并使膨润土在清水中的膨胀体积由9.8 mL降至2.75 mL,抑制泥页岩水化膨胀和分散的能力较好,各项性能与国外同类产品Ultrahib相当。在93 200℃范围内,2%JAI溶液的钻屑回收率和pH值随温度变化较小,平均值分别为63%和9.5。与甲酸盐和KCl盐水体系的配伍性良好。在两口井的现场应用表明,JAI抑制剂可大幅提高体系的抑制性,有效解决大段泥页岩导致的严重垮塌和膨胀缩径,以及严重造浆等复杂问题。     

超支化聚乙烯亚胺作为高效水基钻井液页岩抑制剂的研究

为解决钻井过程中的泥页岩井壁失稳问题,选取了重均分子量为6×104g/mol的超支化聚乙烯亚胺(HPEI)作为水基钻井液页岩抑制剂,通过膨润土造浆实验、线性膨胀实验和泥页岩热滚回收实验对其泥页岩抑制性能进行了评价,通过红外光谱表征、X-射线衍射实验以及热重分析对其抑制机理进行了分析。结果表明,HPEI对膨润土水化膨胀有良好的抑制作用,20%膨润土在1.5%HPEI溶液中造浆后的动切力仅为0.5 Pa,膨润土在3%HPEI溶液的膨胀高度较蒸馏水中减少了67%;溶液的pH值越低,HPEI的质子化程度越高,对膨润土水化分散的抑制性能越好。HPEI抑制黏土水化膨胀的机理为:HPEI分子进入黏土层间,通过静电引力和氢键的共同作用减弱黏土水化分散,其疏水结构阻止水分子进入黏土层间,抑制膨润土晶层膨胀。     

膜法处理炼化污水的研究

针对泡沫钻井井壁失稳问题,优选了硅酸钾/聚乙烯醇作为抑制剂。通过泥页岩自吸、抑制膨润土造浆、滚动回收和硬度测试等实验,评价了其抑制性能。实验结果表明硅酸钾/聚乙烯醇具有良好的抑制特性。借助XRD分析,研究了硅酸钾/聚乙烯醇的强抑制作用机理。研究表明,硅酸钾/聚乙烯醇对泥页岩的强抑制性来源于硅酸钾与聚乙烯醇两者相协同作用的结果,其中封堵性与成膜性是其维持井壁稳定的主要因素。     

抗高温有机硅-胺类抑制剂的研制与性能研究

为了获得钻井液用抗高温胺类抑制剂, 引入可以与黏土颗粒发生反应的硅烷偶联剂单体KH-570与DMAA、DMDAAC进行自由基共聚反应, 合成了抗高温有机硅-胺类抑制剂PKDAS, 研究了PKDAS的抗温性能、 在膨润土颗粒上的吸附性能及其对膨润土和泥页岩的抑制性能。研究结果表明： PKDAS的抗温性能较强, 可耐 220℃高温。PKDAS在膨润土表面的吸附能力明显比胺类抑制剂 NH-1和 FA-367的高： 在浓度 6 g/L的情况下, PKDAS、NH-1和FA-367老化前在膨润土颗粒表面的吸附量分别为27.3、 10.2和12.6 mg/g, 220℃老化16 h后的吸附量分别为 6.8、 1.9和2.0 mg/g。PKDAS对膨润土和泥页岩膨胀的抑制效果优良, 其高温抑制性能显著优于抑制剂NH-1与FA-367的。经220℃老化16 h前后, 1%PKDAS水溶液抗膨润土污染的极限分别达 40%和 30%。220℃高温老化16 h后, 泥页岩在质量分数2.0%的NH-1与FA-367水溶液中均出现了大幅膨胀, 膨胀高度分别为1.07和1.05 mm,而在质量分数2.0%的PKDAS水溶液中的膨胀高度仅0.57 mm （老化前为0.32 mm）。220℃老化16 h后, 泥页岩在质量分数 2.0%的 PKDAS、 NH-1与 FA-367溶液中的热滚回收率分别为 86.67%、 38.29%和38.07%。图9参10     

泥页岩抑制剂SIAT的研制与评价

针对泥页岩地层黏土含量高,容易水化,造成钻井过程中出现一系列井下复杂情况的问题,采用催化胺化法合成了胺类化合物SIAT,并对其进行了红外光谱及电喷雾电离质谱(ESI-MS)解析.分析表明,所合成的SIAT具备作为胺基抑制剂合适的分子结构.考察了胺基化合物SIAT对膨润土的抑制性能,发现SIAT对膨润土的水化具有良好的抑制作用.泥页岩钻屑回收率及其流变性能测试也表明,SIAT的配伍性好,在泥页岩表面具有很强的吸附作用,能有效抑制泥页岩的水化,显著提高泥页岩钻屑的回收率.     

杂多糖钻井液抗温抑制性能评价

为改善杂多糖钻井液抑制剂--SJ钻井液的抗温性能,通过岩屑滚动回收率实验、泥页岩线性膨胀率实验、泥球浸泡实验以及流变性能参数和滤失量随SJ钻井液添加量变化关系曲线,评价了SJ钻井液的抗温抑制性能。结果表明：水基钻井液中SJ添加量为1%～6%时,SJ钻井液具有合理的泥页岩抑制性、流变性和滤失性,抗温极限为140 ℃;SJ钻井液的抑制作用机理包括“连续半透膜”和“胶体软粒子填充降滤失”以及“硅锁封固壳去水化”等方面。该成果为开发保护油气层的水基钻井液又找到一类新型的抑制剂。     

新型聚酰胺-胺树枝状聚合物页岩抑制特性研究

树枝状聚合物由于其独特的分子结构和特性，近年来日益受到关注。聚酰胺-胺（PAMAM）作为研究最为成熟的树枝状聚合物，目前已在各领域得到应用，并在油田化学方向发挥潜力。采用抑制膨润土造浆实验、页岩滚动分散实验和粒度分布测试综合评价不同代数聚酰胺-胺树枝状聚合物的抑制性，借助表面张力、Zeta电位测试和X-射线衍射等表征测试了不同代数聚酰胺-胺的特性。结果表明，不同代数（G0~G5）聚酰胺-胺树枝状聚合物均具有优良的抑制性，其中G0和G5抑制性优于传统的KCl和国外聚胺Ultrahib。不同代数树枝状聚合物在黏土层间的吸附状态与其浓度有关，低浓度下为单层吸附，高浓度下为双层吸附。聚酰胺-胺树枝状聚合物表面胺基密度高，水溶液中部分质子化后，通过静电作用、氢键作用等强吸附在泥页岩表面，降低黏土水化斥力，排挤出层间水分子，抑制泥页岩水化分散。      

纳米二氧化硅改善钻井液滤失性能的实验研究

泥页岩地层井壁失稳的主要原因是泥页岩吸水后发生膨胀和掉块。针对这种情况提出了使用纳米二氧化硅封堵泥页岩纳米级孔喉、降低其渗透率从而减缓水分侵蚀的思路。在前期研究基础上,通过透射电镜分析、钻井液常规性能测试和扫描电镜分析等手段,评价了不同温度下纳米二氧化硅对钻井液滤失性的改善效果。结果表明:纳米二氧化硅可以有效地降低淡水基浆和膨润土基浆在升温过程中的失水量:室温下失水量降低率为56.25%,140 ℃时失水量降低率为78%,而对低固相基浆则效果一般;相对于纳米二氧化硅的质量浓度5%,其质量浓度为10%时可以使钻井液形成较为连续而致密的滤饼,封堵能力加强。由此可见,纳米二氧化硅可以有效改善淡水基浆和膨润土基浆的降滤失性能,且在温度升高过程中（室温~160 ℃）表现较好。