水基钻井液用抑制剂抑制性能研究

钻井工程中泥页岩经常发生井壁失稳,水基钻井液抑制剂是水敏性泥页岩地层钻井中必须添加的一种钻井液处理剂。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等试验,对比评价了KCl,NH_4HPAN,KPAM,1,6-己二胺,IND30的抑制性能。根据黏土层间距结果表明,IND30主要抑制黏土颗粒的分散,不能抑制黏土晶层膨胀。NH_4HPAN和KPAM既能抑制黏土晶层的膨胀,又能抑制黏土分散。KCl能压缩扩散双电层,由于K⁺能进入晶层,一定程度的抑制黏土晶层膨胀,但是NH_4HPAN,KPAM,KCl只是单个的NH_4+能进入晶层,一定程度的抑制黏土晶层膨胀,但是NH_4HPAN,KPAM,KCl只是单个的NH_4⁺或K+或K⁺进入晶层,不能完全抑制晶层膨胀。己二胺能够进入黏土层间,通过静电作用和氢键作用吸附在黏土颗粒表面,交换出层间水化阳离子,排挤出黏土层间水分子,拉紧晶层间距,抑制黏土水化。     

新型抑制性水基钻井液技术及性能评价

针对该地区页岩地层水平井段容易产生水化膨胀缩径和造浆能力强的技术难题,利用新型无机盐和聚合醇等处理剂,开发一种新型水基钻井液,并模拟焦石坝地区下志留统龙马溪组地层温度(约80℃),开展老化实验评价;实验表明:该钻井液体系具有抑制性强,滤失量小的特点。此外,利用聚磺钻井液滤液、聚合钻井液滤液、清水和所研制的水基钻井液的滤液浸泡页岩岩心,评价常温常压膨胀量。由于聚合醇胶体填充页岩的细小孔隙或微裂缝,阻挡滤液进入泥页岩地层;另一方面,无机盐中水化能力弱的K~+将晶层间隙中水化半径较大和水化能力强的Ca~+、Na~+等离子交换出来,并与页岩晶层牢固结合,阻止晶层间距增大,抑制页岩水化膨胀;对页岩开展滚动回收率实验测试,页岩在所研制的水基钻井液中的回收率达到99.7%,体现出较强的抑制性能。     

水基钻井液用聚胺抑制剂研究与性能评价

解决井壁失稳的关键在于减弱页岩水化分散,而减弱水化分散与抑制剂的抑制性能是分不开的。通过红外光谱仪和凝胶色谱仪分析手段来对水基钻井液用页岩抑制剂HGI进行结构表征和分子量测定,结果表明HGI为低分子量聚合物抑制剂。借助粒度分布实验和三轴应力实验方法评价HGI抑制特性,研究表明HGI抑制性效果要优于传统无机盐抑制剂KCl和胺类抑制剂UHIB-1、UHIB-2,能有效抑制泥页岩水化和分散,表现出更加突出的抑制性能。以X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)手段来对HGI抑制机理进行研究与分析,抑制剂HGI在溶液中解离出的铵正离子通过静电作用中和黏土负电荷,降低黏土层间水化斥力,同时在氢键和静电吸引双重作用下将黏土晶层间距压缩,排挤出层间吸附水,减弱黏土水化作用。同时HGI分子中所具有的疏水基团会紧密地覆盖在黏土晶层表面,形成一道疏水屏障,阻止水分子的进入与吸附,从而进一步抑制黏土水化作用。现场试验结果表明,聚胺抑制剂可明显提高现场钻井液抑制性能,解决了页岩水平段的井壁失稳和摩阻较大的难题,为页岩气高效钻探提供新思路和方法。     

温压条件下蒙脱石水化的分子动力学模拟

从深层页岩的黏土矿物特征出发,通过分子动力学模拟研究了含水量、温度和压力条件对蒙脱石水化中物质传导与力学弱化特征的影响规律。研究表明:随含水量的增加,层间距增大,但温压条件对蒙脱石晶体的层间距影响较小;含水量和温压条件对蒙脱石水化过程中水分子与钠离子的传导与分布和力学特征影响显著。随含水量增加、温度升高和压力降低,水分子和钠离子的扩散系数增加,侵入黏土晶层的能力增强,且钠离子配位数减少,使蒙脱石力学劣化效应更显著。     

聚胺抑制剂与甲酸盐抑制性对比实验研究

通过抑制膨润土造浆实验、页岩滚动回收分散粒度分析测试、X射线衍射分析层间距来对比评价聚胺与甲酸盐抑制效果。通过活度测试、表面张力测试及改性钠膨润土吸水实验等研究聚胺与甲酸盐抑制机理。结果表明,聚胺抑制剂抑制性能明显优于传统甲酸盐,聚胺抑制剂可单层吸附在黏土晶层间,通过铵离子置换排挤层间水分子,使黏土层间距大大降低;铵离子可取代黏土层间水化阳离子,吸附在黏土颗粒表面,增强黏土颗粒疏水性;同时可降低钻井液表面张力,减少滤液向地层的侵入,综合作用下抑制黏土水化。而甲酸盐则主要是依靠降低溶液活度起到维持页岩井壁稳定的目的。     

聚胺抑制剂与甲酸盐抑制性对比实验研究

通过抑制膨润土造浆实验、页岩滚动回收分散粒度分析测试、X射线衍射分析层间距来对比评价聚胺与甲酸盐抑制效果。通过活度测试、表面张力测试及改性钠膨润土吸水实验等研究聚胺与甲酸盐抑制机理。结果表明,聚胺抑制剂抑制性能明显优于传统甲酸盐,聚胺抑制剂可单层吸附在黏土晶层间,通过铵离子置换排挤层间水分子,使黏土层间距大大降低;铵离子可取代黏土层间水化阳离子,吸附在黏土颗粒表面,增强黏土颗粒疏水性;同时可降低钻井液表面张力,减少滤液向地层的侵入,综合作用下抑制黏土水化。而甲酸盐则主要是依靠降低溶液活度起到维持页岩井壁稳定的目的。     

K2SiO3对钠铝硅系化学钢化玻璃性能的影响

使用离子交换法制备钠铝硅系玻璃,主要研究在经过不同K_2SiO_3含量的离子交换后的玻璃在性能上的区别。本文测试了K~+、Na~+的分布情况,表面应力及应力层深度,弯曲强度,弹性模量,并计算出K~+、Na~+的离子扩散系数和K~+、Na~+的扩散活化能。结果表明:经过离子交换后,玻璃的弯曲强度和Weibull模量等性能均得到显著提高。在380℃,经过12 h的离子交换,在K_2SiO_3含量(质量分数)为2%时,K~+扩散系数为0.8411×10~(-15) m~2/s,K~+扩散活化能为140.398 0 kJ/mol;Na~+扩散系数为5.385 7×10~(-15) m ~2/s,Na~+扩散活化能为130.322 5 kJ/mol,有利于K~+、Na~+的扩散。总体上,Na~+的扩散系数远大于K~+的扩散系数,Na~+的扩散活化能小于K~+的扩散活化能。     

新型聚合物钾盐抑制泥页岩水化的性能与机理

泥页岩水化膨胀是井壁失稳的重要原因。本文通过膨润土压片浸泡与线性膨胀实验、页岩钻屑滚动回收实验以及流变性、滤失性测试,评价了一种新型聚合物钾盐抑制剂聚阴离子纤维素钾（K-PAC）的抑制性能及其对水基钻井液流变性和滤失性的影响。评价结果表明,0.5% K-PAC的抑制泥页岩水化膨胀的性能明显优于5% KCl、2%聚醚胺-D230（PEA-D230）,与0.5%聚丙烯酰胺钾盐（K-PAM）相近;0.5% K-PAC的增黏提切、降滤失性能要优于0.5% K-PAM。通过扫描电镜和X射线衍射分析了K-PAC的抑制机理,结果表明,K-PAC的阳离子部分（K⁺）能够进入膨润土晶层中并置换出水化钠离子,从而起到抑制黏土晶层膨胀的作用;K-PAC的阴离子部分吸附在黏土颗粒上起到护胶、降滤失的作用,二者协同增效,从而起到强抑制作用。由于K-PAC由聚阴离子纤维素和K⁺构成,对环境友好、成本低廉。因此,K-PAC具有成为低成本、环保型、强抑制性的水基钻井液抑制剂的巨大潜力。     

有机胺类页岩抑制剂的合成及评价

以氯乙酸和二乙烯三胺为原料,经取代反应合成有机胺类页岩抑制剂,通过测定防膨率来判定其抑制效果。当反应物氯乙酸和二乙烯三胺的物质的量之比为2∶1,在温度75℃下反应4 h,此时得到的有机胺类页岩抑制剂抑制效果最佳。当页岩抑制剂的浓度为2%时,测得产物的防膨率达到91%。将页岩抑制剂与无机盐KCl复配,来增加其抑制性能。在页岩抑制剂浓度为1%,KCl浓度为4%时,防膨率达到94%。通过岩屑回收率实验得出,合成出的页岩抑制剂效果与国外ULTRAHIB产品的抑制性相接近。     

咪唑类离子液体对水基钻井液抑制性的影响及机理

油气钻井过程中泥页岩不稳定主要是由于泥页岩的水化作用造成。本文采用页岩滚动回收率法、毛细管吸入时间法和粒度分析法3种方法,与传统抑制剂KCl和新型抑制剂聚胺作对比,评价了离子液体RIL作为抑制剂对水基钻井液抑制性能的影响。结果表明高温作用下低浓度(质量分数0.05%)的离子液体RIL有着优异的抑制黏土膨胀和分散的能力,其抑制效果优于5%KCl,与2%聚胺相当;同时低浓度的离子液体RIL可以改善水基钻井液的高温流变性而不会使钻井液的滤失性变差。通过接触角和热稳定性测试分析了其抑制机理。离子液体RIL改性后的Na蒙脱土润湿性从亲水性向疏水性转变,可以阻止水分子进入Na蒙脱土的层间结构从而抑制Na蒙脱土的膨胀和分散。低浓度的离子液体RIL改性后的钠蒙脱土具有更好的热稳定性,可以提高高温作用下水基钻井液的抑制性。     

KCl聚合物体系在格拉芙油田的应用

格拉芙油田三开井段采用的钻井液体系由原来的石灰聚合物体系改为KCl聚合物体系,通过优化技术措施和调整泥浆处理以有效应对Tanuma页岩层掉块坍塌问题。通过几口井的试验应用,KCl能够有效抑制页岩的水化膨胀缩径,有效降低页岩层段井径扩大率,维持页岩段井壁稳定以确保井下安全,试验取得了良好的效果。     

蒙脱石层电荷密度对其二维纳米片剥离的影响

以2种典型不同层电荷密度的蒙脱石为研究对象,通过烷基铵法测定了2种蒙脱石的层电荷密度,分别为0.342和0.439。研究了层电荷密度对蒙脱石二维剥离及其剥离后纳米片表面电性的影响。通过分子动力学模拟解释了层电荷密度对蒙脱石剥离二维纳米片和水化膨胀能力的影响机理。结果表明:层电荷密度低的蒙脱石具有更好的水化膨胀能力,更易剥离制备二维纳米片。层电荷密度高的蒙脱石剥离的二维纳米片单位面积的电负性更大。蒙脱石层电荷密度越低,其晶层表面对水分子吸附作用越弱,层间阳离子水化能力更强,水化膨胀能力大,也解释了层电荷密度低的蒙脱石更易剥离成二维纳米片的原因。     

DN气田水平井造斜段钻井液体系优化

近些年,水平井开发技术应用得越来越广泛。DN气田开发区水平井造斜段位于目的层上部,其岩性主要为泥岩,极易水化膨胀,分散,造成地层掉块、坍塌等井下复杂事故。本文主要在室内展开了不同浓度KCl,KPAM、CHM对钠蒙脱石矿的膨胀率实验,并将几种优选出来的抑制性进一步的就行了对比选出了8%KCl为最佳抑制剂。改进后的钻井液体系在该区块的应用情况表明,该钻井液体系能很好的抑制泥页岩的膨胀,值得进一步的推广与应用。     

氧化锆瓷珠对麦羟硅钠石结晶的影响

以瓷珠表面作为晶化的成核介质,通过水热晶化法合成了麦羟硅钠石。分别研究了无瓷珠时和有瓷珠时,麦羟硅钠石晶化过程的形态演变及成核机理。结果表明:瓷珠表面对麦羟硅钠石的晶化过程有异相成核作用,形成了不同的中间态,缩短了晶化时间。无瓷珠时,晶化过程中无定型SiO_2团状物先从中间晶化成层片状晶体,再向边缘拓展,最终形成玫瑰花瓣状层片状麦羟硅钠石晶体;当加入瓷珠时,晶化过程中无定型SiO_2团状物先在瓷珠表面的不同点逐渐形成多个片状物,片状物上继续晶化,形成片状物且层层紧密叠加,最后进一步晶化形成玫瑰花瓣状麦羟硅钠石晶体。     

阳离子对醋酸盐插层高岭石影响的研究

采用研磨法制备了高岭石/醋酸钠和高岭石/醋酸钾钠插层复合物,并用XRD、FI-IR、TG-DSC对插层复合物进行表征,探讨了阳离子不同对插层结果的影响.结果表明: K~+、Na~+的不同对插层结果有很大影响,与醋酸钾插层复合物只有一个1.365 nm衍射峰不同,醋酸钠插层复合物,出现了0.979 nm和0.765 nm两个衍射峰,醋酸盐分子在高岭石层间直立取向,阳离子和甲基可能进入到了复三方孔中.     

杂质离子对MgCl_2和CO_2反应-萃取-醇析耦合过程的影响

通过反应-萃取-醇析耦合过程,将Mg Cl2和CO_2制备成碳酸镁和氯化氢气体是盐湖老卤资源化利用的有效途径。系统地研究了老卤中Na~+、K~+、Ca~(2+)对MgCl_2和CO_2反应-萃取-醇析耦合过程得到的固体产物晶型晶貌的影响。结果表明,Na~+和K~+对耦合过程的影响相似,固体产物均为高纯棒状三水碳酸镁(MgCO_3·3H_2O),且Na~+和K~+均能选择性吸附在MgCO_3·3H_2O晶体的轴面(1 0 1),阻碍该晶面的生长,使得棒状MgCO_3·3H_2O直径变小;Ca~(2+)对反应-萃取-醇析耦合过程有不利的影响,由于CaCl_2能参与反应,生成球状无定形纳米钙镁碳酸盐,使得三水碳酸镁纯度降低。     

硅橡胶合成催化剂氢氧化四甲铵的制备新工艺

采用有效面积为4.5dm~2的全氟阳离子交换膜,在阳极室容积为500mL、阴极室容积为580mL的二室单膜电渗析槽内,以四甲基氯化铵为原料,制备了合成有机硅橡胶及其他有机硅产品聚合用催化剂氢氧化四甲铵(Me_4NOH)。阳极室四甲基氯化铵浓度为30％(质量),阴极室可得到纯度为 13％-15％、Cl~-<0.01％、Na~+<0.0001％和 K~+<0.000 5％的 Me_4NOH。产品经减压浓缩即得到 Me_4NOH·5H_2O晶体。     

胺类强抑制泡沫钻井液的研究

针对泡沫钻井过程中井壁失稳问题,采用Waring-Blender法、滚动回收实验以及硬度测试,通过对发泡剂、稳泡剂以及胺类泥页岩抑制剂的优选,筛选出发泡性能优越,抗温、抗污染能力强,且具有强效持久抑制性能的胺类强抑制泡沫钻井液。同时,借助红外光谱与XRD分析手段,分析胺类泥页岩抑制剂抑制作用机理。结果表明,低分子胺类聚合物能进入黏土晶层,阻止水分子进入并水化黏土。高分子胺类聚合物由于相对分子质量大,不能有效地进入黏土晶层,因此主要吸附于黏土表面,形成分子保护膜,防止周围流体中水分子的进一步侵入。由于胺类聚合物通过提供多重阳离子吸附于黏土矿物上,因此能保持长久性黏土稳定且不易于逆转吸附,从而具备持久抑制性能。     

盐离子对蒙脱石水化膨胀特性的影响

采用热失重法与经离心法、直接烘干法、冷冻干燥法结合对蒙脱石样品水含量进行测量,分析了NaCl浓度对蒙脱石中结合水与自由水含量的影响,探讨了蒙脱石中总含水量及结合水含量随NaCl溶液浓度变化的规律,研究了NaCl溶液中蒙脱石的水化膨胀特性及盐离子的抑制作用。结果表明,蒙脱石的水化膨胀受盐离子的抑制,盐离子的存在减小了渗透水化力,影响了水分子间的范德华力及水分子和蒙脱石表面间的氢键力和静电引力,总含水量随盐离子浓度增加而降低,盐离子浓度为0.2 mol/L时趋近最低值,样品膨胀程度由6.6缩小至1.6,盐离子对蒙脱石水化膨胀的抑制作用达峰值。盐离子浓度大于0.2 mol/L时,随盐离子浓度增加,自由水与结合水含量变化不明显。     

十八胺与混合胺在氯化钾晶体表面选择性吸附的量化计算

氯化钾是我国主要的农业用肥,主要通过正浮选法从盐湖卤水中分离提取,浮选过程中起核心作用的是捕收剂。但在以传统的十八胺为捕收剂生产氯化钾时,低温下的浮选收率较低;而以混合胺为捕收剂时,低温下的浮选收率明显提高。为了解释混合胺的作用机理,研究了十八胺和混合胺在KCl和NaCl晶体表面的相互作用。通过表面能的计算确定稳定晶面的厚度及晶面结构,计算了H₂O分子和捕收剂在KCl和NaCl晶体表面的吸附能,结果表明：相对于NaCl,十八胺更易在KCl晶体表面发生吸附,混合胺有着对KCl更强的吸附能力;混合胺捕收剂在KCl晶体表面的吸附能小于ODA⁺离子在KCl晶体表面的吸附能,这是由于混合胺中二十胺的加入使捕收剂的疏水基碳链长度增加,提高了捕收剂分子在晶体表面吸附后的表面疏水性;而十二胺的加入则发挥了类似起泡剂的作用,改善了捕收剂在KCl饱和溶液中的分散状态,3种胺之间产生了协同效应,提高了捕收剂对KCl的吸附能力。