宋曉偉

（中海油服務(wù)股份有限公司 油田化學(xué)事業(yè)部，天津 300452）

鉆井過(guò)程中，井壁失穩(wěn)問(wèn)題制約了鉆井效率，嚴(yán)重時(shí)易造成安全事故[1,2]，尤其泥頁(yè)巖鉆進(jìn)時(shí)，其黏土（蒙脫石、伊利石）含量較高，易吸水膨脹、分散，改變井眼應(yīng)力分布，使井筒內(nèi)鉆井液液柱壓力無(wú)法有效平衡地層的地應(yīng)力[3]。盡管使用油基鉆井液鉆進(jìn)頁(yè)巖地層可緩解井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，但經(jīng)濟(jì)成本以及日益嚴(yán)格的環(huán)保要求限制其使用[4,5]。胺基鉆井液是近年來(lái)發(fā)展較快的高性能水基鉆井液體系[6]，其核心處理劑為胺類抑制劑，如超支化聚乙烯亞胺、聚醚胺、胺基聚乙烯醇等[7,8]。其抑制機(jī)理為聚胺抑制劑在堿性下質(zhì)子化形成銨正離子，其半徑與K+直徑、硅氧四面體片中的六方網(wǎng)格結(jié)構(gòu)內(nèi)切圓直徑接近，嵌入晶層后便難以脫出，并通過(guò)分子間作用力以及靜電引力吸附在帶負(fù)電的黏土顆粒表面，將相鄰黏土片層束縛在一起，從而阻礙水分子的侵入，達(dá)到抑制頁(yè)巖水化的目的[9]。通常與價(jià)格低廉的KCl復(fù)配，其抑制效果更佳，同時(shí)KCl的加入可調(diào)整鉆井液的穩(wěn)定性以及活度[10]，但KCl加量較大時(shí)會(huì)使鉆井液中的Cl-含量高，由于Cl-具有半徑小、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)[11]，使鉆具生產(chǎn)小蝕坑，在長(zhǎng)期經(jīng)拉、扭、彎曲等交變應(yīng)力的作用下，易造成鉆具腐蝕疲勞，加快了鉆具的損害。基于此，筆者通過(guò)4-羥基苯丙醛對(duì)超支化聚乙烯亞胺進(jìn)行改性，制備出具有緩蝕性能的頁(yè)巖抑制劑HPEI-A，并在鹽水鉆井液中評(píng)價(jià)其性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Nicolet710型傅里葉變換紅外光譜儀（美國(guó)Nicolet公司）；JC2000C型接觸角測(cè)定儀（上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司）；NP-03型高溫高壓頁(yè)巖膨脹儀（海安石油科研儀器有限公司）；GW300型高溫滾子加熱爐（青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司）；GJSS-B12K型變頻高速攪拌機(jī)（青島同春石油儀器有限公司）；ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、SD3型中壓濾失儀（青島創(chuàng)夢(mèng)儀器有限公司）。

超支化聚乙烯亞胺（AR上海安耐吉化學(xué)有限公司）；NaCl、KCl、NaOH、Na2CO3、HAc、丙酮、4-羥基苯丙醛，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；流型調(diào)節(jié)劑PF-XC、降濾失劑FLOTROL、穩(wěn)定劑PAC-LV，均為工業(yè)級(jí)，中海油服化學(xué)公司；聚丙烯酰胺鉀鹽K-PAM、聚胺抑制劑Ultrahib均為工業(yè)級(jí)，麥克巴泥漿公司。

1.2 鹽水鉆井液體系

模擬現(xiàn)場(chǎng)鹽水鉆井液 400mL海水+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+0.3%PF-XC（流型調(diào)節(jié)劑）+5%NaCl＋5%KCl＋3%FLOTROL（降濾失劑）＋0.4%PAC-LV（穩(wěn)定劑）+重晶石加重至密度1.2g·cm-3（以下加量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

1.3 HPEI-A的合成及結(jié)構(gòu)表征

在裝有溫度計(jì)、冷凝管、攪拌器的三口圓底燒瓶中，依次加入150mL無(wú)水甲醇、3g 4-羥基苯丙醛、25g超支化聚乙烯亞胺（HPEI，Mw：4500g·mol-1，伯胺、仲胺和叔胺基團(tuán)的比例約為1∶2∶1）、少許HAc，攪拌30min使其充分混合，加熱至75℃反應(yīng)6h，反應(yīng)完后，通過(guò)減壓蒸餾，丙酮洗滌3次，烘干，即得到最終反應(yīng)產(chǎn)物HPEI-A，將提純后的最終反應(yīng)產(chǎn)物HPEI-A用KBr晶片壓片制樣，采用Nicolet710傅里葉變換紅外光譜儀分析HPEI-A的結(jié)構(gòu)。

1.4 抑制性能評(píng)價(jià)

稱取一定量的納基膨潤(rùn)土在壓力為41.38MPa下壓實(shí)30min制得膨潤(rùn)土壓片，將其置于海水、含有1%抑制劑HPEI-A的海水溶液中，采用NP-03型高溫高壓頁(yè)巖膨脹儀評(píng)價(jià)壓片膨脹率，以抑制劑HPEI、K-PAM（聚丙烯酰胺鉀鹽）、Ultrahib（聚胺抑制劑）作為對(duì)比樣。

1.5 抑制劑的疏水特性研究

在海水中分別加入0%、1.0%Si-HPEI、1.0%HPEI-A，將現(xiàn)場(chǎng)頁(yè)巖浸泡其中16h，取出后80℃烘干，采用JC2000C接觸角測(cè)定儀測(cè)試蒸餾水與處理后的巖心的接觸角來(lái)評(píng)價(jià)抑制劑的疏水特性。

1.6 抑制劑的緩蝕性能評(píng)價(jià)

采用靜態(tài)掛片失重法測(cè)定N80鋼片在含有不同濃度抑制劑HPEI-A的上述鹽水鉆井液中的腐蝕速率，評(píng)價(jià)抑制劑HPEI-A對(duì)N80鋼的緩蝕效果。具體步驟為：將N80鋼浸泡在含有不同濃度抑制劑HPEI-A的水基鉆井液中，置于溫度為80℃的恒溫烘箱中，浸泡時(shí)間為168h，其緩蝕速率和緩蝕率計(jì)算參考國(guó)標(biāo)SY/T5273-2000。

2 結(jié)果與討論

2.1 HPEI-A分子結(jié)構(gòu)表征

HPEI-A的紅外光譜圖見圖1。

圖1 HPEI-A的紅外光譜圖Fig.1 FTIR spectrum of HPEI-A

由圖1可知，在3300.72、3371.60cm-1處出現(xiàn)-NH2的對(duì)稱、反對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰，2927.81、1312.59cm-1處分別為-CH2-伸縮振動(dòng)、彎曲振動(dòng)吸收峰，765.67cm-1處出現(xiàn)苯環(huán)中=C-H的彎曲振動(dòng)強(qiáng)吸收峰，1448cm-1處附近出現(xiàn)苯環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰，1201.65cm-1處為酚羥基的彎曲振動(dòng)峰，表明兩種原料已發(fā)生了席夫堿反應(yīng)，合成產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物。

2.2 抑制性能評(píng)價(jià)

抑制劑對(duì)鈉基膨潤(rùn)土壓片吸水膨脹的抑制性能見圖2。

圖2 抑制劑對(duì)壓片線性膨脹率的影響Fig.2 Effect of inhibitor on linear expansion rate of tablet

由圖2可知，壓片在海水中浸泡24h后，其線性膨脹率接近120%，而加入1%抑制劑后，壓片的線性膨脹率明顯降低，浸泡3h后，膨潤(rùn)土均未出現(xiàn)明顯的吸水膨脹，其中處于含1%抑制劑HPEI-A的水溶液的壓片線性膨脹率最小，僅為29.22%。對(duì)比超支化聚乙烯亞胺（HPEI），抑制劑HPEI-A的抑制性能更好，其原因?yàn)?，抑制劑HPEI-A含有多個(gè)胺基，通過(guò)其分子間作用力以及靜電引力吸附在帶負(fù)電的黏土顆粒表面，將相鄰黏土片層束縛在一起，另外，抑制劑HPEI-A分子中含有苯環(huán)，使其有效覆蓋在黏土顆粒表面，并提高黏土表面疏水性能，從而阻礙水分子的侵入，達(dá)到抑制黏土水化膨脹的作用。

2.3 抑制劑的疏水特性評(píng)價(jià)

蒸餾水與處理后的巖心的接觸角見圖3。

圖3 抑制劑的疏水性能評(píng)價(jià)Fig.3 Evaluation of hydrophobic properties of inhibitors

由圖3可知，水滴在經(jīng)過(guò)海水、含1.0%HPEI水溶液、含1.0%HPEI-A水溶液分別浸泡過(guò)的巖石表面的接觸角為10.38°、37.12°、40.08°，這表明抑制劑分子可自發(fā)吸附在巖石表面，改變其潤(rùn)濕性能，使巖石表面表現(xiàn)出良好的疏水性能，該疏水吸附膜可有效隔離水分子進(jìn)入黏土晶層中，從而達(dá)到抑制黏土水化作用[12]，另外含1.0%HPEI-A水溶液分別浸泡過(guò)的巖石表面的接觸角更大，其原因?yàn)椋种苿〩PEI-A分子含有疏水性能的苯環(huán)（體積大），增強(qiáng)抑制劑分子對(duì)黏土表面的有效覆蓋。

2.4 抑制劑在鹽水鉆井液中的性能評(píng)價(jià)

采用一定量鈉基膨潤(rùn)土分別加入含有0%、1.0%抑制劑HPEI-A的上述鹽水鉆井液中，溫度為80℃下熱滾16h，參考GB/T 16783.1-2014《石油天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第1部分：水基鉆井液》，評(píng)價(jià)該鉆井液熱滾后的流變性、濾失性，結(jié)果見表1。

表1 抑制劑在鹽水鉆井液中性能評(píng)價(jià)Tab.1 Performance evaluation of inhibitor in salt water drilling fluid

由表1可知，抑制劑HPEI-A加入鹽水鉆井液中，對(duì)鉆井液流變性的影響較小，且使鉆井液濾失量降低。未加抑制劑的鹽水鉆井液受膨潤(rùn)土的影響較大，膨潤(rùn)土的加入使鉆井液流態(tài)變差、濾失量增大；而加入1%抑制劑HPEI-A的鉆井液受膨潤(rùn)土的影響較小，當(dāng)膨潤(rùn)土加量為20%時(shí)，鉆井液的流變性能良好，表明該鉆井液具有良好的抗侵污性能。

2.5 抑制劑的緩蝕性能評(píng)價(jià)

將N80鋼置于含有不同濃度抑制劑HPEI-A的鹽水鉆井液中，評(píng)價(jià)抑制劑HPEI-A的緩蝕性能，結(jié)果見表2。

表2 緩蝕性能評(píng)價(jià)Tab.2 Evaluation of corrosion inhibition performance

由表2可知，隨著抑制劑HPEI-A的含量增加，N80鋼的腐蝕速率逐漸降低，由于抑制劑HPEI-A屬于席夫堿緩蝕劑，分子中含有N、O原子以及苯環(huán)，與金屬表面形成配位鍵，形成化學(xué)吸附膜，有效地隔離腐蝕介質(zhì)對(duì)金屬的破環(huán)[13]；當(dāng)抑制劑HPEIA加量為1%時(shí)，其腐蝕速率僅為0.0148mm·a-1，對(duì)比空白，其緩蝕率可高達(dá)75%以上，表明抑制劑HPEI-A在鹽水鉆井液中表現(xiàn)出良好的緩蝕性能。

3 結(jié)論

（1）以4-羥基苯丙醛、超支化聚乙烯亞胺為原料制備了一種具有緩蝕性能的頁(yè)巖抑制劑，既具有頁(yè)巖抑制性能，又兼顧了緩蝕作用，在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，可替代傳統(tǒng)的頁(yè)巖抑制劑和緩蝕劑兩種材料的作用，降低綜合成本，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)施工。

（2）抑制劑HPEI-A分子可自發(fā)吸附在巖石表面，改變其潤(rùn)濕性能，使巖石表面表現(xiàn)出良好的疏水性能，該疏水吸附膜可有效隔離水分子進(jìn)入黏土晶層中，從而達(dá)到抑制黏土水化作用，另外應(yīng)用于鹽水鉆井液中，使N80鋼的腐蝕速率低于0.015mm·a-1，使鹽水鉆井液可抗20%侵污土，表明該抑制劑與鹽水鉆井液具有良好的配伍性，滿足現(xiàn)場(chǎng)工程要求。