新型抗高温耐盐高效泥岩抑制剂合成与应用
2016-05-17 12:15来源：
聚胺是近年来国内外新兴的一种钻井液抑制剂，贝克休斯研发的HPWBM体系以及麦克巴公司的ULTRADRILL体系，都是以聚胺为核心处理剂的水基钻井液，性能接近油基钻井液，环境兼容性较好。2007年后，中国也开展了聚胺抑制剂的研究，一些产品也已推广应用。2013年，笔者所在研究团队自主合成了第一代聚胺抑制剂JY-1。但在实验中发现：JY-1抗温性较差，性能不稳定。经过微观分析得知，JY-1主链中含有的醚键结构在强酸和强碱环境中容易被质子化或发生断裂，一般在温度高于120℃时抑制性就明显降低。笔者在对第一代聚胺抑制剂JY-1进行深入剖析的基础上，对其分子结构进行了重新设计，通过两步法合成出了一种抗高温、耐盐的高效泥页岩抑制剂JY-2。
为提高抑制剂稳定性和抗温性，对JY-1的分子结构进行了重新设计和改进，原则如下：①稳定的主链结构，采用C—C、C—N链替代JY-1主链中的醚氧键，提高聚胺的高温稳定性；②较强的抑制作用，在主链上进一步增加伯胺、仲胺基团数量，提高产品对泥页岩的抑制能力；③适当的分子链长，分子量适当是保证抑制性和低毒性的重要前提；④良好的配伍性，不含易与其他钻井液处理剂发生反应的官能团，提高钻井液配伍性，同时能在强碱性条件下保持结构的稳定性。
1)在高温高压反应釜中分别加入多元醇、一定量的金属催化剂，通入高纯度氢气使压力稳定在2.6～3.2MPa之间，然后缓慢加入一定量的高纯度氨气，升温至220～240℃并保持稳定，在搅拌的情况下高温反应4～5h。反应结束后，对产物进行过滤和脱水，可得到含有醚键的聚合物中间体。具体反应过程如下。
2)在中间体中加入一定量的还原剂，在160～180℃的条件下反应2～3h，可使聚合物中间体从醚键处断裂，并在断裂处引入胺基，从而得到浅棕色、有一定黏度的低分子量聚合物抑制剂，取代号为JY-2。
在合成实验中，考察了反应温度、反应时间、催化剂加量、单体物质的量比和还原剂加量对产物抑制性能的影响，结果见图1～图5。
根据图1～图5结果，得到的最佳合成条件为：反应温度为220～240℃，反应时间为4～5h，催化剂加量（以单体质量计，下同）为0.10％，单体B与多元醇物质的量比为1：1.8，还原剂加量为1.0％。
在完成室内合成之后，对放大生产工艺进行了探索，在车间采用1t反应釜合成出抑制剂JY-2。
使用Nicolet-Nexus670型傅里叶变换红外光谱仪，采用KBr压片法对合成产物进行FT-IR测试，结果见图6。
如图6所示，3371.94cm-1处为非缔合N-H的收缩振动吸收峰；2989.56cm-1处为-C基团的伸缩振动吸收峰；600～750cm-1处为-NH，的面外摇摆振动吸收谱带。由此可见，共聚物分子链上有初始设计的分子基团，且不含有易断裂的醚氧键，所以目标产物结构与设计相符。
采用美国菲尼根质谱公司生产的LCQ DecaXP型液/质联用仪，对合成样品进行了液质联用测试，推测出产物分子式为：C23H66N7O4。
采用Agilent 1200液相色谱仪和TSK-GEL凝胶过滤色谱柱测定了合成样品的分子量分布。测试结果显示，合成样品的分子量为508g/moL，分子量分布相对集中，表明该反应条件合适，有效地抑制了副反应的进行，产率较高。
将质量浓度为1%的JY-1、JY-2溶液分别在不同温度下老化滚动16h，加人膨润土粉配成6%膨润土浆，水化24h后量取50mL土浆装入离心管进行高速离心实验，通过观察离心后离心管中清澈液体的量和底部泥饼致密度判断抑制剂的抗温性，结果见表1。由表1可知，JY-1在温度超过120℃时，抑制性降低，而JY-2在常温～180℃的范围内，离心结果基本一致，说明第二代聚胺JY-2抗温性大幅度提高，能抗温180℃，温度适用范围广。
采用高速离心法、抑制黏土造浆法、激光粒度分析法和滚动回收实验对JY-2进行抑制性评价，并与麦克巴泥浆公司的Ultrahib、中国UHIB、PF-HCS同类产品抑制性进行对比。
在质量浓度为1%的不同抑制剂溶液中加入钠膨润土，配成6%的膨润土浆，水化24h后做高速离心实验(用清水做对比)。做4个平行样，取平均值作图。清水、JY-2、Ultrahib、UHIB、PF-HCS离心出的体积量分别为6.5、42.56、42.2、34.5、35.8mL。由此可知，JY-2溶液中离心出的清水与Ultrahib溶液中离心出的清水相当，比UHIB溶液中和PF-HCS溶液中离心出的清水多。
在400mL质量浓度为1%的抑制剂溶液中，加入5%土粉，在100℃老化16h后测流变性，然后再加入5%土粉、继续老化，直至不能测出黏度为止。以表观黏度为纵坐标，土粉加人次数为横坐标作图，结果见图7。由图7可知，JY-2溶液中加入土粉次数最多，表观黏度的增长趋势最缓慢，说明合成的JY-2能有效抑制黏土水化分散，抗黏土污染能力比Ultrahib略高，在钻井过程中能有效防止泥页岩地层缩径等复杂。
在质量浓度为1%的不同抑制剂溶液中，加入过孔径为75gm筛并烘干的钠膨润土，配成6%的膨润土浆，水平放置于振荡器上，每间隔2h，振荡30min，从开始振荡计时，在水化24h后进行激光粒度分析，分别读取d0.1、d0.5、d0.9值和D[4，3](体积平均粒径，累计分布43%所对应的粒径值)。该方法可从微观角度对处理剂抑制性的强弱进行区分，实验结果见表2。由表2可知，JY-2的粒度值和体积平均粒径与Ultrahib相近，远大于其它抑制剂，说明JY-2溶液中的土粉颗粒水化分散程度非常小，能有效抑制黏土颗粒水化，能防止钻井过程中因泥页岩岩屑的分散和运移而影响钻井液性能。
选取大庆浅层姚家组一段泥页岩岩屑(粒径为2.0～3.2min)，分别装入盛有350mL清水和1%不同聚胺抑制剂溶液的高温老化罐中，做滚动回收实验，过孔径为0.45mm的筛，结果见图8。由图8可知，JY-2的一次回收率与Ultrahib相近，比中国2个聚胺样品高很多，表明JY-2抑制性最强；JY-2二次回收率和三次回收率与一次回收率接近，比Ultrahib和其它样品都高，说明JY-2在岩屑表面吸附牢固，作用时间长，即JY-2的长效抑制性强，在钻井过程中能使井壁保持长期稳定。
用JY-2取代大庆油田现用硅基阳离子淡水钻井液和新疆塔东油田现用KCl盐水钻井液中的抑制剂，并按不同加量加入到体系中，测量钻井液性能，结果见表3和表4。由表3、表4可知，在硅基阳离子淡水体系和塔东盐水体系中加入(0.5%～2%)JY-2后，对钻井液流变性没有影响，滤失量还有下降趋势，体系抑制性大幅度提高。所以，JY-2与淡水体系和KCl盐水体系的配伍性良好。
合成抑制剂样品的生物毒性测试结果表明，其EC50大于12000mg/L。因此，该样品无毒，能够满足环保要求。
以聚胺抑制剂JY-2取代原水基钻井液体系中的抑制剂，加量为1.0%～1.5%，形成的新体系在大庆齐家-古龙凹陷南端的古693-104-平104井进行了现场应用。该井完钻井深为2728m，水平位移1043.26m，水平段长768m。该井钻遇嫩江组和姚家组地层，其中嫩二段地层发育大段泥岩，吸水后极易发生水化膨胀和缩径，导致钻具泥包和卡钻现象，也易引起抽吸井喷。该井目的层位在姚家组一段，超过750m的水平段作业全部都在姚家组进行。该层位泥岩也极易水化分散，清水滚动回收率仅为6.81%，这对钻井液的抑制性提出了很高要求。该井从井深957m处开始二开作业，具体施工过程如下。
1)直井段。直井段钻遇的嫩二、嫩一段均为大段泥岩。钻井液中抑制剂JY-2加量为1.0%，充分保证钻井液对泥页岩的抑制能力。钻进中没有发生缩径和卡钻事故，振动筛上返出岩屑棱角分明，说明JY-2的抑制效果良好。
2)造斜段。在嫩江组开始造斜，进入造斜段后，钻井液要按时补充抑制剂，且匀速加入，每100m加入25kgJY-2，以维持钻井液的抑制能力。振动筛上返出岩屑成形，颗粒规则，没有发生剥落掉块等现象。
3)水平段。由于水平段在极易水化分散的姚家组，钻井液必须保证较强的抑制性，每100m加入50kgJY-2，使钻井液中JY-2加量不低于1.5%。钻进中返出岩屑成形，颗粒规则，没有出现原体系返砂不成形的情况。
该井的钻井液性能如表5所示。从表5看出，JY-2与钻井液配伍性良好，在水平段JY-2加量增加后，钻井液性能稳定，没有出现波动现象。JY-2的突出抑制能力保证了该井的顺利完钻，平均井径扩大率为7.1%，二开平均机械钻速为7.11m/h。现场施工情况表明，聚胺抑制剂JY-2的抑制能力突出，能够满足大段泥岩地层钻井需求。
1.在分析第一代聚胺抑制剂JY-1分子结构的基础上，对其分子结构进行了重新设计，合成出高温稳定性更好的抑制剂。通过红外光谱等检测手段分析，合成样品不含易断裂分子结构，分子量适中，环境兼容性好。
2.通过高速离心、激光粒度分析等宏观与微观相结合的室内实验证明，合成的样品其抑制性与国外产品相当，比中国部分聚胺产品抑制性强，能有效抑制泥页岩的水化和分散，且长效抑制性强，与淡水和盐水钻井液配伍性良好，且有助于降低钻井液滤失量。
3.聚胺抑制剂JY-2在古693.104.平104井的应用表明，该聚胺抑制剂可以用于提高高泥页岩含量地层的井壁稳定性，也可以为非常规油气资源的开发提供技术保障。
苏公网安备32108802010086