黃 云，雷慶虹

（中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，廣東 湛江 524057）

隨著非常規(guī)油氣資源鉆探開發(fā)技術(shù)的研究與發(fā)展，頁(yè)巖氣鉆采效率不斷提高，頁(yè)巖氣開發(fā)的鉆井方式以大位移井和水平井為主[1,2]。由于頁(yè)巖氣水平井的水平段過(guò)長(zhǎng)，增大了鉆具與井壁、套管的接觸面積，使鉆進(jìn)過(guò)程中的摩阻扭矩顯著增大，造成起下鉆遇阻、卡鉆以及井壁失穩(wěn)等復(fù)雜事故[3]。鉆井液的潤(rùn)滑性能嚴(yán)重制約了水平井水平段的延伸長(zhǎng)度，因此，研究鉆井液用高效潤(rùn)滑劑成為了石油工作研究者的一項(xiàng)重要工作[4,5]。另外，井壁巖石黏土含量較高，主要以蒙脫石、伊蒙混層為主，屬于水敏性地層，易水化膨脹，改變了近井地帶原應(yīng)力分布，造成井壁失穩(wěn)；由于頁(yè)巖氣水平井的水平段過(guò)長(zhǎng)，鉆屑未能及時(shí)返出井眼，鉆屑在水基鉆井液的浸泡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成鉆屑水化分散，導(dǎo)致鉆井液的黏度、切力上漲過(guò)快，起下鉆或快鉆時(shí)造成激動(dòng)壓力增大，使井壁的穩(wěn)定性進(jìn)一步惡化[6]。為了滿足鉆井安全、環(huán)保要求，在頁(yè)巖氣水平井開發(fā)過(guò)程中，尋找一種高性能水基鉆井液代替油基鉆井液成為重要的研究方向之一。趙素麗，陳斌，D.G.Pomerleau，張敬輝等[7-10]均研究了一種多功能基液應(yīng)用于水基鉆井液，均表現(xiàn)出優(yōu)異的潤(rùn)滑、抑制黏土分散性能?；诖耍P者以超支化聚乙烯亞胺、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和氯乙酸鉀為原料制備具有環(huán)保型多功能基液，并在水基鉆井液評(píng)價(jià)其性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

NP-03型高溫高壓頁(yè)巖膨脹儀（江蘇聯(lián)友科研儀器有限公司）；Fann212型極壓潤(rùn)滑儀（美國(guó)Fann公司）；MRS-1J型四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南舜茂試驗(yàn)儀器有限公司）；D8 Advance型X射線衍射儀（德國(guó)Bruker公司）；KMY201-1A型抗磨試驗(yàn)機(jī)（武漢神州機(jī)電有限公司）；SL-200B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)；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上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；NaOH、KCl、Na2CO3、氯乙酸鉀、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；LV-CMC（增黏降濾失劑）、STARFLO（改性淀粉降濾失劑）、XC(改性黃原膠)、FT-1(改性瀝青封堵劑)，均為工業(yè)級(jí)，中海油服化學(xué)公司。

1.2 多功能基液AS的制備

在裝有球形冷凝管、攪拌器的三口圓底燒瓶中依次加入300mL無(wú)水乙醇（作為溶劑）、50g超支化聚乙烯亞胺、30g甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，攪拌使其混合均勻后，持續(xù)通N230min以上，加熱至80℃，在攪拌條件下發(fā)生邁克爾加成反應(yīng)，持續(xù)反應(yīng)10h后，最后加入氯乙酸鉀，在攪拌條件下發(fā)生季銨化反應(yīng)，持續(xù)反應(yīng)5h后，反應(yīng)完成。通過(guò)減壓蒸餾除去溶劑，得到多功能基液AS。

1.3 潤(rùn)滑抗磨性能測(cè)試

按照標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6094-1994《鉆井液用潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)程序》中潤(rùn)滑系數(shù)的評(píng)價(jià)方法，采用極壓潤(rùn)滑儀測(cè)定蒸餾水的摩阻系數(shù)D水和潤(rùn)滑劑的摩阻系數(shù)D潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑系數(shù)K計(jì)算方法見式（1）。

式中K：潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑系數(shù)，無(wú)量綱；D水：蒸餾水的摩阻系數(shù)，無(wú)量綱；D潤(rùn)滑劑：潤(rùn)滑劑的摩阻系數(shù)，無(wú)量綱。

使用抗磨試驗(yàn)機(jī)，采用不斷增加砝碼（質(zhì)量為800g）來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑對(duì)鋼珠和摩輪之間的互相摩擦運(yùn)動(dòng)的影響，通過(guò)摩擦鋼珠和磨輪抱死的最多砝碼數(shù)量為依據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的抗磨性能。

使用四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，上球轉(zhuǎn)速為1450r·min-1、施加負(fù)荷力為1.491kN，與底座固定的3個(gè)鋼球摩擦30min，以鋼球的磨斑直徑來(lái)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的抗磨損性能。

1.4 抑制性能測(cè)試

取一定量的鈉基膨潤(rùn)土在41.38MPa下壓實(shí)30min，制備出鈉基膨潤(rùn)土壓片，將其置于含有不同濃度下多功能基液AS溶液中，并采用高溫高壓頁(yè)巖膨脹儀在室溫下評(píng)價(jià)含有不同濃度多功能基液AS的溶液對(duì)黏土的抑制效果。采用X射線衍射儀測(cè)試黏土礦物的層間距的大小來(lái)評(píng)價(jià)多功能基液AS的抑制性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 多功能基液AS的潤(rùn)滑抗磨性能評(píng)價(jià)

2.1.1 潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià) 采用極壓潤(rùn)滑劑評(píng)價(jià)室溫下潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑及抗磨性能評(píng)價(jià)Tab.1 Evaluation of lubrication and wear resistance of lubricants

由表1可知，隨著多功能基液AS、聚合醇的含量增加，潤(rùn)滑系數(shù)逐漸降低，對(duì)比相同加量下的聚合醇而言，多功能基液AS潤(rùn)滑系數(shù)更低，當(dāng)多功能基液AS加量為20%時(shí)，其潤(rùn)滑系數(shù)低至0.032，與全白油性能接近，表明多功能基液AS具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能，這是由于AS含有多個(gè)酯基、胺基，多個(gè)帶孤對(duì)電子的N、O原子易與金屬表面形成配位鍵[11]，非極性長(zhǎng)鏈包裹在金屬表面，形成穩(wěn)定、致密的疏水性吸附磨膜，起到潤(rùn)滑作用。

2.1.2 抗磨損性能評(píng)價(jià) 采用抗磨試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的抗磨性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，隨著多功能基液AS含量增加，其在鋼珠和金屬摩輪表面形成的油膜越致密，抗磨性能顯著提高，20%多功能基液AS加量可使砝碼加至12塊，其抗磨損性能均優(yōu)于聚合醇和白油。

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)潤(rùn)滑劑的長(zhǎng)時(shí)抗磨損性，在四球摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)施加負(fù)荷為1.491kN、摩擦?xí)r間為30min時(shí)，鋼球磨斑見圖1。

圖1 鋼球磨損形貌圖Fig.1 Wear morphology of steel ball

由圖1可知，在1.491kN的負(fù)荷下摩擦30min，海水、20%聚合醇、20%AS的鋼球磨斑直徑分別為1.072、0.839和0.662mm。鋼球的磨斑直徑越小，則含有潤(rùn)滑劑的鉆井液抗磨損能越好，對(duì)比聚合醇、海水而言，20%多功能基液AS使鋼球的磨斑直徑更小，表明多功能基液AS具有良好的耐磨性能，且優(yōu)于聚合醇。

2.2 多功能基液AS的抑制性能評(píng)價(jià)

2.2.1 線性膨脹率評(píng)價(jià) 采用高溫高壓頁(yè)巖膨脹儀在室溫下評(píng)價(jià)含有不同濃度多功能基液AS的溶液對(duì)鈉基膨潤(rùn)土壓片的膨脹抑制效果，并以10%KCl作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 多功能基液AS的抑制性能Fig.2 Inhibitory performance of multifunctional base fluid AS

由圖2可知，鈉基膨潤(rùn)土壓片在海水中浸泡24h后，其線性膨脹率大于100%，浸泡在10%KCl溶液中的鈉基膨潤(rùn)土壓片線性膨脹率約為30%，KCl溶液表現(xiàn)出一定的抑制效果。另外，隨著多功能基液AS的含量增加，對(duì)鈉基膨潤(rùn)土壓片的膨脹抑制效果更好，當(dāng)多功能基液AS的含量為20%時(shí)，鈉基膨潤(rùn)土壓片線性膨脹率小于10%，表現(xiàn)出優(yōu)異的抑制黏土膨脹性能，這是由于AS含有多個(gè)胺基、季銨基團(tuán)，季銨鹽帶正電荷通過(guò)靜電作用吸附在黏土顆粒表面，并對(duì)黏土晶格起固定作用，達(dá)到穩(wěn)定頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的作用[12]。

2.2.2 黏土層間距測(cè)試 將2.0%鈉基膨潤(rùn)土分別加入海水和含20%AS的溶液中，不同溫度下熱滾16h，水浴冷卻后，高速離心1h獲得膨潤(rùn)土沉淀物，并通過(guò)X射線衍射儀對(duì)其黏土層間距進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 多功能基液AS對(duì)鈉基膨潤(rùn)土的層間距的影響Fig.3 Effect of multifunctional base fluid AS on layer spacing of sodium bentonite

由圖3可知，隨著熱滾溫度逐漸升高，鈉基膨潤(rùn)土的黏土層間距隨之增大，處于海水中的鈉基膨潤(rùn)土的層間距擴(kuò)大的趨勢(shì)更為明顯。不同溫度下，對(duì)比海水中的鈉基膨潤(rùn)土，多功能基液AS對(duì)鈉基膨潤(rùn)土的層間距的增大有明顯的抑制作用，鈉基膨潤(rùn)土在多功能基液AS中的層間距始終保持較低，具有良好的抑制黏土水化性能，由于AS分子含有季銨基團(tuán)，該基團(tuán)通過(guò)靜電作用嵌入硅氧四面體中，對(duì)黏土起到晶格固定作用，抑制黏土水化膨脹，另外，疏水性長(zhǎng)鏈可包裹黏土，進(jìn)而阻止水分子進(jìn)入黏土晶層中，降低因黏土水化膨脹引起井壁應(yīng)力分布的改變，起到穩(wěn)定井壁的作用[13]。

2.3 多功能基液AS的環(huán)保性能評(píng)價(jià)

按照GBT18420.2-2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性》第2部分：檢驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)多功能基液AS的生物毒性，以及按照《SY/T6788-2020水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)評(píng)價(jià)方法》評(píng)價(jià)多功能基液AS的降解性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 多功能基液AS環(huán)保性能Tab.2 Environmental performance of multifunctional base fluid AS

由表2可知，不同濃度多功能基液AS的溶液半數(shù)致死濃度均遠(yuǎn)大于30000mg·L-1，基本無(wú)毒性；不同濃度多功能基液AS的BOD5/CODCr值均大于20%，屬于易降解處理劑，表明多功能基液AS具有良好的環(huán)境友好性。

2.4 水平井新型水基鉆井液體系

水平井新型水基鉆井液體系配方：海水+多功能基液AS+0.2%NaOH+0.2%Na2CO3+1.0%LV-CMC（增黏降濾失劑）+0.3%XC（改性黃原膠）+3%改性淀粉降濾失劑STARFLO+2%FT-1（改性瀝青封堵劑）+重晶石加重至密度1.2g·cm-3。

將上述鉆井液在100℃熱滾16h，50℃下測(cè)試其流變性能，評(píng)價(jià)多功能基液AS加量對(duì)鉆井液性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知，由多功能基液AS配制的水基鉆井液體系具有性能穩(wěn)定、濾失量低的特點(diǎn)。隨著多功能基液AS在水基鉆井液的加量增大，鉆井液的濾失量逐漸降低，這顯著提高了鉆井液的潤(rùn)滑性能、抑制性能，使該鉆井液適用于頁(yè)巖氣水平井，可提高井壁的穩(wěn)定性以及鉆井的安全性。

3 結(jié)論

（1）基于邁克爾加成反應(yīng)和季銨化反應(yīng)，以超支化聚乙烯亞胺、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、氯乙酸鉀為原料制備了環(huán)保型多功能基液AS，AS中含有大量的酯基、胺基、季銨基團(tuán)，使該基液具有優(yōu)異的潤(rùn)滑性能和抑制性能，且具有良好的環(huán)境友好性能，應(yīng)用于水平井水基鉆井液體系中，顯著改善了水基鉆井液性能；

（2）AS中含有帶孤對(duì)電子的N、O原子易與金屬表面形成配位鍵，非極性長(zhǎng)鏈包裹在金屬表面，形成穩(wěn)定、致密的疏水性吸附磨膜，起到潤(rùn)滑作用。AS中的季銨鹽帶正電荷，可通過(guò)靜電作用吸附在黏土顆粒表面，并對(duì)黏土晶格起固定作用。另外，疏水性長(zhǎng)鏈可包裹黏土，進(jìn)而阻止水分子進(jìn)入黏土晶層中，達(dá)到穩(wěn)定頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的作用。

表3 多功能基液AS對(duì)鉆井液性能的影響Tab.3 Effect of multifunctional base fluid ASon drilling fluid properties