一種新型聚胺頁巖抑制劑rzpa的應(yīng)用性能評價(jià)

一種新型聚胺頁巖抑制劑rzpa的應(yīng)用性能評價(jià)

粘土層中的水敏性粘土含量很高，容易被水、膨脹和分散，這導(dǎo)致了鉆探過程中復(fù)雜的場景，如井壁失穩(wěn)、井徑擴(kuò)大、卡鉆頭、扭轉(zhuǎn)和阻力增加。使用水基鉆井液鉆探泥頁巖地層時(shí),通?？商砑訜o機(jī)鹽到鉆井液中抑制泥頁巖水化。然而,使用大量無機(jī)鹽不僅會使黏土絮凝,導(dǎo)致鉆井液濾失量增大,觸變性喪失,而且還會降低其他處理劑功效,同時(shí)污染環(huán)境。聚胺作為頁巖抑制劑能兼顧傳統(tǒng)水基鉆井液的抑制性和分散造壁性,緩解地層井壁穩(wěn)定和鉆井液性能穩(wěn)定的矛盾。其作用機(jī)理為:聚胺不僅作用于黏土表面,而且穿透黏土夾層,通過陽離子交換方式解吸附黏土上帶水化膜的陽離子,中和黏土顆粒上部分負(fù)電荷,降低黏土親水能力。利用靜電、氫鍵多點(diǎn)鏈接將相鄰黏土片層束縛在一起,降低黏土層間距,最終抑制黏土晶格膨脹。同時(shí),聚胺弱堿性以及結(jié)構(gòu)中所含非離子弱親水基團(tuán)決定了它不會過多干擾鉆井液的分散造壁性。筆者對自主研發(fā)聚胺RZPA的性能進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用評價(jià)。結(jié)果表明:RZPA的抑制能力明顯優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。1實(shí)驗(yàn)部分1.1智油田技術(shù)服務(wù)頁巖抑制劑RZPA(理化性能見表1)和其他鉆井液用處理劑,工業(yè)級,四川仁智油田技術(shù)服務(wù)股份有限公司。SD中壓濾失儀、ZNN-D6B旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、BGRL-9變頻滾子加熱爐,青島同春石油儀器有限公司;L-550離心機(jī),長沙湘儀離心機(jī)儀器有限公司;X’PertPROMPD衍射儀,荷蘭PANalytical公司。1.2借鑒樣品、熱滾壓爐參考SY/T6335—1997標(biāo)準(zhǔn)。將烘干的頁巖礦敲碎制成6~10目(2~3.5mm)的顆粒。精確稱量50g頁巖顆粒,浸泡在350mL工作液中。整個體系放入滾子加熱爐,在一定溫度下熱滾16h。取出過40目(0.63mm)篩。保留下來的頁巖屑用清水沖洗,于(100±5)℃鼓風(fēng)干燥至恒重G?；厥章蔙=(G/50)×100%。R越高說明抑制性越好。1.3賓漢流變參數(shù)將鉆井液置于滾子加熱爐中,在常溫?zé)釢L16h。然后,體系冷卻至室溫,參考GB/T16783.1—2006標(biāo)準(zhǔn),用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測量并計(jì)算鉆井液各種賓漢流變參數(shù)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是在鉆井過程中,富含水敏性黏土礦的鉆屑混入鉆井液。鉆屑吸水后膨脹、分散必然會引起鉆井液增稠。各種流變參數(shù)值越低說明抑制性越好。1.4i失水量flapo將鉆井液置于滾子加熱爐中,在常溫?zé)釢L16h。API失水量(FLAPI)參考GB/T16783.1—2006標(biāo)準(zhǔn),使用濾失儀在室溫和0.69MPa壓差條件下獲得。FLAPI值越低說明濾失性能越好。1.5x射線衍射CuK放射源,電壓和電流分別設(shè)為45kV和40mA。2結(jié)果與討論2.1堿土金屬氯化鹽對頁巖熱滾回收的影響RZPA聚胺為多乙烯多胺、低平均相對分子質(zhì)量聚醚胺和丙烯酸/二烯丙基二甲基氯化銨二元低聚物的水溶液混合物。將RZPA溶于水配成工作液,頁巖礦取自戶外露頭巖屑。露頭巖屑XRD衍射見圖1,其主要物相為蒙脫石,另含石英和白云母)。150℃熱滾后,頁巖熱滾回收率隨RZPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線如圖2所示。由圖2可見:隨著RZPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,回收率大幅提高。但由于聚胺插入、吸附在黏土片層間的空間有限,最終導(dǎo)致回收率隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨于平緩。固定工作液中w(RZPA)=0.8%,用乙酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值。150℃熱滾,pH值對頁巖熱滾回收率的影響如圖3所示。RZPA中主要成分胺化合物所含氮原子的p電子云容易接受質(zhì)子而帶正電荷,甚至奪取水中的質(zhì)子使溶液呈堿性,如式(1)所示:根據(jù)Henderson-Hasselbach方程,得式(2):理論上,只有當(dāng)鉆井液pH值比pKa低或相近時(shí),胺化合物才能質(zhì)子化從而起到抑制作用。這就是為什么當(dāng)pH≥9時(shí),頁巖熱滾回收率隨pH值增加而降低的原因。而當(dāng)pH<9時(shí),頁巖熱滾回收率反而也輕微下降。這可能是因?yàn)檩^低的pH值導(dǎo)致RZPA中丙烯酸/二烯丙基二甲基氯化銨二元共聚物分子鏈發(fā)生卷曲的緣故。高溫作用會導(dǎo)致有機(jī)處理劑分子化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,包括主鏈的斷裂、功能基團(tuán)與主鏈連接鍵的斷裂、以及功能基團(tuán)的一些化學(xué)變化。另外,高溫還會降低處理劑與黏土的吸附,從而惡化處理劑性能。在室溫~210℃的熱滾溫度范圍內(nèi),RZPA均具有很好的頁巖熱滾回收性能(見圖4),說明其抗溫能力很強(qiáng),能充分滿足現(xiàn)有大部分高溫深井的要求。鉆井液施工中,K+、Na+、Mg2+、Ca2+是最常遇見的4種金屬離子。圖5為在常溫?zé)釢L下,這些堿(土)金屬氯化鹽對RZPA頁巖熱滾回收率的影響。與預(yù)期一樣,KCl的抑制性的確遠(yuǎn)不如RZPA。即便w(KCl)=18%,其回收率還不及w(RZPA)=0.8%的1/3。此外,在w(RZPA)=0.8%基礎(chǔ)上,再加入KCl,發(fā)現(xiàn)抑制性不增反降。這可能是因?yàn)镵+比RZPA中任一組分的分子尺寸都小,搶先進(jìn)入并吸附在黏土層間,導(dǎo)致RZPA吸附量降低引起的。Na+、Mg2+和Ca2+3種離子均是通過增大濾液黏度,降低濾液活度,產(chǎn)生類似于油基鉆井液膜效益的高滲透壓,阻止濾液侵入頁巖發(fā)揮作用。這與KCl以及RZPA的作用機(jī)理完全不一樣。因此,它們剛好可以和RZPA互補(bǔ),協(xié)同作用,全方位抑制頁巖水化膨脹。為對比RZPA和國內(nèi)部分聚胺商品的頁巖熱滾回收、抑制黏土造漿以及濾失性能,分別將不同種類聚胺按w=0.8%加入到w=10%和4%的鈉膨潤土懸浮液中,制得鉆井液,進(jìn)行抑制黏土造漿和濾失實(shí)驗(yàn),結(jié)果見圖6。由圖6可以看出:RZPA的頁巖熱滾回收率最高,表觀黏度AV和動切力YP以及API失水量最低。這說明了RZPA不僅具有優(yōu)異的抑制能力,而且對鉆井液失水造壁性的負(fù)面影響也最弱。2.2地層密度和地層質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鉆井液性能的影響江沙102HF和102-1HF是西南油氣分公司部署在四川盆地川西坳陷中江鼻狀構(gòu)造上相鄰的一口評價(jià)/水平氣井和一口開發(fā)/水平氣井,大部分井段含泥頁巖,易水化分散,造漿性強(qiáng),對鉆井液抑制性要求高。江沙102HF井的二開鉆井液組分為CLAY+KHPAN+NH4HPAN+FA367+XY-27+DR-8+KCl+CaO+SMC+SMP-2+FT342+RH220+BaSO4,在此基礎(chǔ)上加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的RZ-PA,按GB/T16783.1—2006標(biāo)準(zhǔn)測密度ρ、pH值和各種流變數(shù)據(jù),室內(nèi)驗(yàn)證RZPA對鉆井液性能的影響,結(jié)果見表2。測試溫度:鉆井液出口溫度55℃和井底溫度100℃;離心機(jī)分離出鉆井液液相作為頁巖熱滾工作液,頁巖礦取自蓬萊鎮(zhèn)組鉆屑(下同)。由表2可見:加入RZPA并沒有對鉆井液體系密度、流變和失水等性能產(chǎn)生負(fù)面影響,并且提高頁巖熱滾回收率50%以上,說明RZPA在該氣田區(qū)塊可以使用。在江沙102-1HF井鉆探中使用RZPA。一開鉆井液組分為CLAY+KHPAN+NH4HPAN+FA367+XY-27+DR-8+BaSO4+RZPA。鉆進(jìn)1371m后,在一開基礎(chǔ)上將鉆井液轉(zhuǎn)化成二開,組分為CLAY+KHPAN+NH4HPAN+FA367+XY-27+DR-8+KCl+CaO+SMC+SMP-2+FT342+RH220+BaSO4+RZPA。整個鉆井過程順利,鉆井液性能穩(wěn)定,符合設(shè)計(jì)要求,RZPA質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在0.4%~0.5%,頁巖熱滾回收率見圖7,江沙102HF和102-1HF部分完井?dāng)?shù)據(jù)見表3。由圖7和表3可以看出:使用RZPA后,不僅大幅降低其他抑制劑用量,而且井下復(fù)雜情況減少,從而提高轉(zhuǎn)速