王 哲， 張 雄， 張 鵬， 王會(huì)向， 馬 超*

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100；2.中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司鉆井液分公司，克拉瑪依 834099)

近年來(lái)，非常規(guī)頁(yè)巖氣的勘探開發(fā)成為了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，在頁(yè)巖氣井鉆探過(guò)程中，時(shí)常會(huì)由于泥頁(yè)巖的水化膨脹導(dǎo)致井壁失穩(wěn)、鉆頭泥包以及井眼凈化困難等問(wèn)題的出現(xiàn)，這不僅會(huì)影響鉆井質(zhì)量和作業(yè)效率，并且可能由于儲(chǔ)層損害嚴(yán)重而制約了整個(gè)油氣田的開發(fā)效果[1-3]。由于油基鉆井液在成本和環(huán)保問(wèn)題方面的壓力較大，因此，強(qiáng)抑制性水基鉆井液體系成為了研究的重點(diǎn)，而高性能頁(yè)巖抑制劑的開發(fā)又成為了此類水基鉆井液體系研究成功的關(guān)鍵。

頁(yè)巖抑制劑主要通過(guò)降低水活度、提高濾餅質(zhì)量、增大液相黏度、改變潤(rùn)濕性、封堵裂縫以及降低水化能等方式來(lái)抑制黏土礦物的水化膨脹、分散，起到井壁穩(wěn)定的作用[4-7]。目前，中外常用的頁(yè)巖抑制劑主要包括無(wú)機(jī)鹽類、有機(jī)鹽類、聚胺類、聚多糖類以及聚合醇類等，其中聚胺類抑制劑在強(qiáng)抑制性水基鉆井液體系中的應(yīng)用較為普遍，其能夠有效的抑制泥頁(yè)巖水化分散、防止鉆頭泥包等現(xiàn)象的發(fā)生[8-9]。王維恒等[10]將聚醚胺進(jìn)行端羥基改性研究出一種新型聚胺抑制劑DEG，并在室內(nèi)對(duì)其綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，與常規(guī)的氯化鉀和甲酸鈉等無(wú)機(jī)鹽類抑制劑相比，新型聚胺抑制劑DEG具有更強(qiáng)的抑制性能、抗溫性能和抗鹽性能，是一種性能優(yōu)異的頁(yè)巖抑制劑。馮杰等[11]通過(guò)分子模擬方法以及分子動(dòng)力學(xué)方法研究了碳鏈長(zhǎng)度對(duì)有機(jī)胺頁(yè)巖抑制劑抑制性能的影響，結(jié)果表明，隨著有機(jī)胺頁(yè)巖抑制劑中碳鏈長(zhǎng)度的增大，其抑制性能呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)其分子中含有6個(gè)碳原子時(shí)抑制效果最佳。而由于聚胺類抑制劑通常屬于陽(yáng)離子型聚合物，往往存在自身穩(wěn)定性差以及與其他鉆井液處理劑之間配伍性差等問(wèn)題[12]。因此，需要研究綜合性能更加優(yōu)良的新型頁(yè)巖抑制劑，研究發(fā)現(xiàn)，兩性離子聚合物由于同時(shí)含有陰、陽(yáng)離子基團(tuán)，在抑制頁(yè)巖水化膨脹、耐溫性能、抗鹽性能以及與水基鉆井液配伍性方面存在較大的優(yōu)勢(shì)[13-20]。

在調(diào)研分析前人對(duì)各種頁(yè)巖抑制劑研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過(guò)甲基丙烯醇(MP)、小分子有機(jī)胺(HLA-3)、2-丙烯酰胺-2-2甲基丙磺酸(AMPS)和二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)為單體合成一種新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1，其含有較多的陰、陽(yáng)離子基團(tuán)，同時(shí)含有胺基和磺酸基結(jié)構(gòu)，與常規(guī)頁(yè)巖抑制劑相比，其具有更好的耐溫抗鹽性能和抑制性能，能夠適應(yīng)于高溫高鹽儲(chǔ)層的鉆井施工過(guò)程中。在室內(nèi)評(píng)價(jià)其抑制性能、熱穩(wěn)定性、抗鹽性能、對(duì)泥頁(yè)巖壓入硬度的影響以及與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的配伍性，并對(duì)其抑制機(jī)理進(jìn)行分析，最后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，為泥頁(yè)巖地層鉆井施工提供技術(shù)支持和保障。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

小分子有機(jī)胺(HLA-3)、甲基丙烯醇(MP)、2-丙烯酰胺-2-2甲基丙磺酸(AMPS)、二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)、NaOH、NaHSO3、K2S2O8、無(wú)水乙醇，以上試劑均為分析純；膨潤(rùn)土，市售；現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層段泥頁(yè)巖鉆屑。

ESJ-205電子分析天平；圓底燒瓶；磁力攪拌裝置；HG23-B型變頻高速攪拌器；ZNN-D6B型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；VERTEX-70型傅里葉變換紅外光譜儀；TGA-1000C型熱重分析儀；LBTD-4型巖石壓入硬度計(jì)。

1.2 新型頁(yè)巖抑制劑LM-1的合成

按比例稱取一定質(zhì)量的AMPS和MP于圓底燒瓶中，加入去離子水?dāng)嚢枞芙?，使用NaOH將溶液pH調(diào)節(jié)至7左右，然后再加入一定比例的HLA-3和DMDAAC，邊攪拌邊加熱至溫度為50 ℃左右，然后在通入氮?dú)獾那闆r下加入引發(fā)劑NaHSO3和K2S2O8，繼續(xù)升高溫度至70 ℃左右，反應(yīng)3 h，即得到白色黏稠液體粗產(chǎn)物，繼續(xù)使用無(wú)水乙醇洗滌3～5次，烘干、剪切粉碎后即得新型頁(yè)巖抑制劑LM-1。

1.3 性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 合成產(chǎn)物紅外光譜測(cè)定

使用VERTEX—70型傅里葉變換紅外光譜儀，室內(nèi)采用壓片法測(cè)定新型泥頁(yè)巖抑制劑LM-1的紅外光譜圖，波數(shù)范圍選擇為500～4 000 cm-1。

1.3.2 抑制性能評(píng)價(jià)

(1)泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率。將現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層段泥頁(yè)巖洗油、烘干、粉碎后過(guò)6～10目篩，然后稱量50 g分別加入含不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的LM-1水溶液匯總，使用老化罐在120 ℃條件下滾動(dòng)老化16 h，然后將老化后的鉆屑過(guò)40目篩，清洗烘干后測(cè)定滾動(dòng)回收率。

(2)抑制膨潤(rùn)土造漿。使用清水配制不同類型的抑制劑溶液(清水、2%LM-1、2%聚胺、2%小陽(yáng)離子抑制劑和2%KCl)，然后在高速攪拌條件下加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的膨潤(rùn)土，攪拌20 min后使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定土漿的黏度，并計(jì)算動(dòng)切力以評(píng)價(jià)不同抑制劑對(duì)膨潤(rùn)土造漿的抑制效果。

1.3.3 熱重分析評(píng)價(jià)

將抑制劑LM-1在105 ℃下干燥24 h，研磨成粉末，然后使用TGA-1000C型熱重分析儀進(jìn)行熱重分析測(cè)試，溫度范圍為25～600 ℃。

1.3.4 抗鹽性能評(píng)價(jià)

使用清水配制2%的LM-1溶液，然后分別加入不同質(zhì)量濃度的氯化鈉、氯化鈣，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螅瑴y(cè)定其流變性。

1.3.5 對(duì)泥頁(yè)巖壓入硬度的影響

室內(nèi)將現(xiàn)場(chǎng)泥頁(yè)巖儲(chǔ)層段巖樣制成巖心，將巖心分別放入清水和不同濃度新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1溶液中，在80 ℃條件下浸泡24 h后使用LBTD-4型巖石壓入硬度計(jì)測(cè)定不同實(shí)驗(yàn)條件下巖心的壓入硬度。

1.3.6 與鉆井液的配伍性評(píng)價(jià)

以涪陵地區(qū)某頁(yè)巖氣區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)鉆井液作為基礎(chǔ)配方，考察了LM-1不同加量對(duì)鉆井液流變性能、濾失量以及抑制能力的影響。老化條件為120 ℃×16 h。鉆井液配方為：3.0%膨潤(rùn)土+0.2%NaOH+0.15%Na2CO3+0.5%LV-PAC(聚陽(yáng)離子纖維素)+1.0%HVIS(增黏劑)+3.0%JT(強(qiáng)抑制劑)-328+5%KCl+5%防塌封堵劑+2.5%JLX-C+重晶石加重至密度為1.20 g/cm3。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成產(chǎn)物紅外光譜圖

圖2 合成產(chǎn)物的紅外光譜圖

2.2 抑制性能評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2.1 泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參照1.3.2節(jié)(1)中的實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了不同質(zhì)量濃度LM-1對(duì)泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)LM-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.0%時(shí)，抑制劑在泥頁(yè)巖表面的吸附還未達(dá)到飽和，隨著LM-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，滾動(dòng)回收率逐漸升高；而當(dāng)LM-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.0%時(shí)，抑制劑在泥頁(yè)巖表現(xiàn)的吸附達(dá)到飽和，滾動(dòng)回收率能夠達(dá)到90%以上，再增加LM-1的加量，滾動(dòng)回收率變化不大。說(shuō)明新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1具有良好的抑制泥頁(yè)巖水化分散的能力。

圖3 泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 抑制膨潤(rùn)土造漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參照1.3.2節(jié)(2)中的實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)比評(píng)價(jià)了不同類型抑制劑對(duì)膨潤(rùn)土造漿能力的抑制效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯谇逅屑尤肱驖?rùn)土后，動(dòng)切力迅速上升，這是由于膨潤(rùn)土在清水中極易水化膨脹形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使體系黏度和切力明顯增大，說(shuō)明膨潤(rùn)土在清水中具有很強(qiáng)的水化造漿能力。而在抑制劑溶液中加入膨潤(rùn)土后，切力的上升速度明顯下降，其中新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1對(duì)膨潤(rùn)土造漿的抑制效果最好，當(dāng)2%LM-1溶液中膨潤(rùn)土加量為25%時(shí)，動(dòng)切力仍小于30 Pa，說(shuō)明LM-1能夠有效抑制膨潤(rùn)土的水化分散和造漿。

圖4 抑制膨潤(rùn)土造漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 熱重分析評(píng)價(jià)結(jié)果

聚合物分子在高溫條件下容易發(fā)生熱降解，從而影響抑制劑的使用效果。因此，室內(nèi)參照1.3.3節(jié)中的實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定了新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1的熱失重曲線，以評(píng)價(jià)抑制劑的耐溫性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5?？梢钥闯?，當(dāng)溫度低于350 ℃時(shí)，新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1的質(zhì)量并未出現(xiàn)明顯的下降，即試樣在此溫度之前未發(fā)生明顯的熱降解，表明LM-1具有良好的熱穩(wěn)定性，能夠滿足井底高溫條件下的施工要求。

圖5 LM-1的熱失重曲線

2.4 抗鹽性能評(píng)價(jià)結(jié)果

參照1.3.4節(jié)中的實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1的抗鹽性能，結(jié)果見表1。

表1 鹽加量對(duì)LM-1溶液流變性的影響

由表1可知，2%LM-1溶液中加入5%NaCl后，溶液黏度沒(méi)有變化，繼續(xù)增大NaCl加量，黏度有所下降，但變化幅度較小；而加入2%CaCl2后溶液黏度稍微下降，基本能夠保持穩(wěn)定。這說(shuō)明新型兩性離子頁(yè)巖抑制劑LM-1具有良好的抗鹽性能，能夠滿足高鹽地層的鉆井需求。

2.5 對(duì)泥頁(yè)巖壓入硬度的影響結(jié)果

參照1.3.5節(jié)中的實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1對(duì)泥頁(yè)巖壓入硬度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 LM-1對(duì)泥頁(yè)巖壓入硬度的影響

由表2可以看出，目標(biāo)區(qū)塊現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層段泥頁(yè)巖在清水中浸泡后，壓入硬度明顯下降，保留率為22.71%，LM-1的加入能夠明顯提高泥頁(yè)巖的壓入硬度，當(dāng)LM-1的加量為2.0%時(shí)，泥頁(yè)巖壓入硬度保留率能夠達(dá)到77.88%，這說(shuō)明新型兩性離子頁(yè)巖抑制劑LM-1能夠有效阻止泥頁(yè)巖中的黏土礦物發(fā)生水化膨脹的現(xiàn)象，從而防止井壁失穩(wěn)、垮塌等井下復(fù)雜情況的發(fā)生。

2.6 與鉆井液的配伍性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參照1.3.6節(jié)中的實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)了新型泥頁(yè)巖抑制劑LM-1與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的配伍性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3?？梢钥闯?，隨著新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1加量的增大，鉆井液體系的黏度、切力和濾失量均沒(méi)有太大的變化，說(shuō)明LM-1不會(huì)對(duì)鉆井液體系的流變性能造成不良影響。而LM-1的加量越大時(shí)，鉆屑的滾動(dòng)回收率越大，當(dāng)LM-1的加量為2%時(shí)，鉆井液體系的滾動(dòng)回收率能夠達(dá)到95%以上。這表明新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的配伍性較好，在不影響體系性能的基礎(chǔ)上，能夠起到良好的抑制泥頁(yè)巖水化分散的作用。

表3 LM-1對(duì)鉆井液性能的影響結(jié)果

2.7 兩性離子聚合物抑制機(jī)理分析

黏土顆粒表面通常帶有大量負(fù)電荷，而新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1含有大量的陽(yáng)離子基團(tuán)，其能夠通過(guò)靜電引力作用吸附在黏土顆粒的表面，從而中和黏土顆粒表面的負(fù)電荷，并一定程度的降低了黏土顆粒的Zeta電位，能夠起到壓縮黏土雙電層的作用，有效抑制黏土晶層的水化膨脹；另外，LM-1中的—NH2能夠與黏土顆粒表面的羥基形成氫鍵，增強(qiáng)了LM-1分子在黏土表面的吸附作用，進(jìn)一步強(qiáng)化了黏土晶層之間的靜電引力作用，使其不易水化分散；最后，LM-1分子鏈上C—C骨架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為疏水性，其吸附在黏土顆粒表面使其親水性減弱，從而有效阻止自由水分子進(jìn)入到黏土晶層中，起到抑制黏土水化膨脹的效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

將室內(nèi)研制的新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1在涪陵地區(qū)某頁(yè)巖氣區(qū)塊的A-2井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)。由于該區(qū)塊內(nèi)鄰井A-1井在二開鉆進(jìn)時(shí)鉆遇大段泥頁(yè)巖地層，出現(xiàn)了嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)、起下鉆遇阻以及鉆井液黏度難以控制等問(wèn)題。因此，在A-2井二開鉆井過(guò)程中加入了LM-1，現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中保持LM-1的有效含量為2.0%～2.5%，A-2井二開井段鉆井過(guò)程順利，未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、剝離、垮塌等井下復(fù)雜情況，起下鉆作業(yè)過(guò)程順利，返出的鉆屑棱角分明，鉆井液性能穩(wěn)定，同井段鉆井周期較A-1井縮短5.6 d，解決了A-1井二開鉆井過(guò)程中出現(xiàn)的復(fù)雜問(wèn)題。鉆井液性能見表4。

表4 A-2井鉆井液性能

4 結(jié)論

(1)室內(nèi)以小分子有機(jī)胺、甲基丙烯醇、2-丙烯酰胺-2-2甲基丙磺酸和二甲基二烯丙基氯化銨為主要原料合成了一種新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1，通過(guò)紅外光譜分析對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，并對(duì)其綜合性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

(2)新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1具有良好的抑制性能，當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)層段泥頁(yè)巖滾動(dòng)回收率可以達(dá)到90%以上；在2.0%LM-1水溶液中加入25%的膨潤(rùn)土后，動(dòng)切力仍小于30 Pa，能夠較好地抑制膨潤(rùn)土造漿；另外，LM-1具有良好的熱穩(wěn)定性、抗鹽性能，LM-1的加入能夠有效提高泥頁(yè)巖的壓入硬度，并且與現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的配伍性較好。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，在加入新型兩性離子聚合物頁(yè)巖抑制劑LM-1后，A-2井二開施工順利，有效的解決了泥頁(yè)巖地層鉆井過(guò)程中出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)、垮塌等井下復(fù)雜情況，能夠滿足頁(yè)巖氣儲(chǔ)層鉆井對(duì)抑制性能的要求。