聚胺頁(yè)巖黏土水化膨脹抑制劑NH-1作用機(jī)理研究

袁俊秀

(南化集團(tuán) 研究院，江蘇 南京 210048)

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聚胺頁(yè)巖黏土水化膨脹抑制劑NH-1作用機(jī)理研究

袁俊秀

(南化集團(tuán) 研究院，江蘇 南京 210048)

摘要：從黏土礦物水化類(lèi)型和作用力出發(fā)，結(jié)合NH-1的分子結(jié)構(gòu)，研究了聚胺頁(yè)巖黏土水化膨脹抑制劑NH-1的作用機(jī)理。研究結(jié)果表明，聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1對(duì)頁(yè)巖黏土水化膨脹的抑制作用包含4個(gè)方面：一是強(qiáng)吸附作用，抑制黏土的表面水化；二是離子交換作用，抑制黏土離子水化和滲透水化；三是插層作用，NH-1插入到蒙脫石001晶面中，抑制黏土水化膨脹；四是減弱地層的毛細(xì)管力，抑制黏土水化膨脹。并分別通過(guò)紅外光譜、X射線衍射、表面張力及接觸角測(cè)量驗(yàn)證了NH-1的抑制機(jī)理。用巖心滲透率實(shí)驗(yàn)測(cè)定了聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1對(duì)低滲透地層的傷害，結(jié)果表明NH-1的加入對(duì)低滲透地層無(wú)傷害。

關(guān)鍵詞：鉆井液添加劑；聚胺；頁(yè)巖水化膨脹抑制劑；抑制機(jī)理

袁俊秀.聚胺頁(yè)巖黏土水化膨脹抑制劑NH-1作用機(jī)理研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,31(1):103-109.

YUAN Junxiu.Study on effect mechanism of polyamine clay hydration-swelling inhibitor NH-1[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(1):103-109.

引言

含胺優(yōu)質(zhì)水基鉆井液是近年來(lái)提出的符合現(xiàn)代鉆井要求的高性能水基鉆井液[1-4]。其顯著的特點(diǎn)是該體系含有一種聚胺頁(yè)巖抑制劑，該頁(yè)巖抑制劑具有強(qiáng)的抑制黏土礦物水化膨脹能力和防泥包能力。近幾年國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種型號(hào)的聚胺類(lèi)頁(yè)巖抑制劑，例如ULTRAHIB、NH-1、SDPA、SIAT、UHIB等[5-18]。但縱觀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可以看出，對(duì)于這種新型胺類(lèi)頁(yè)巖抑制劑，應(yīng)用研究較多，抑制機(jī)理研究匱乏，因而不能有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工程師在鉆井過(guò)程中合理應(yīng)用，例如合適的添加量、添加順序以及配套的處理劑，導(dǎo)致使用過(guò)程中出現(xiàn)泥餅、濾失量過(guò)大、泥漿過(guò)度絮凝等問(wèn)題，阻礙了這種高性能鉆井液處理劑在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的推廣應(yīng)用。本文選取南化集團(tuán)研究院開(kāi)發(fā)的聚胺頁(yè)巖抑制劑(簡(jiǎn)稱(chēng)NH-1)，詳細(xì)研究了其抑制黏土水化膨脹機(jī)理，以期為聚胺高性能水基鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供理論支撐。

1黏土礦物的水化膨脹類(lèi)型及作用力

鉆井過(guò)程發(fā)生井壁失穩(wěn)主要有2種情況：一是硬脆性地層因?yàn)閼?yīng)力垮塌而引起的失穩(wěn)；二是泥頁(yè)巖層中黏土礦物水化膨脹引起的垮塌縮徑。聚胺頁(yè)巖抑制劑的抑制作用，主要針對(duì)第二種情況。

要研究聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1的抑制機(jī)理，首先要了解黏土礦物的構(gòu)造和水化分散機(jī)理。

1.1黏土礦物中水分存在狀態(tài)

黏土礦物主要有高嶺石、蒙脫石、伊利石3種，黏土的水化膨脹主要是蒙脫石的水化膨脹，黏土礦物的水分按其存在的狀態(tài)可以分為結(jié)晶水、吸附水、自由水3種類(lèi)型。結(jié)晶水是黏土礦物晶體構(gòu)造的一部分，只有溫度高于300 ℃，結(jié)晶受到破壞時(shí)，這部分水才能釋放出來(lái)；吸附水是由于分子間引力和靜電引力，具有極性的水分子被吸附到帶電的黏土顆粒表面上，在黏土顆粒周?chē)纬梢粚铀?，這部分水隨著黏土顆粒一起運(yùn)動(dòng)，所以也稱(chēng)為束縛水；自由水存在于黏土孔穴或孔道中，不受黏土的束縛，可以自由地運(yùn)動(dòng)[19]。

1.2黏土礦物水化形式

黏土的水化作用是指黏土顆粒吸附水分子形成水化膜，使晶格層面間的距離增大發(fā)生膨脹的作用。黏土的水化作用是影響鉆井液性能和井壁穩(wěn)定的重要因素。黏土水化一般存在表面水化、離子水化和滲透水化3種形式，黏土的水化膨脹受到3種力制約：表面水化力、滲透水化力和毛細(xì)管作用[19]。

(1)表面水化

(2)離子水化

離子水化是指黏土礦物所含硅酸鹽晶片上的補(bǔ)償性陽(yáng)離子周?chē)纬伤瘹?。離子水化一方面給黏土帶來(lái)水化膜，同時(shí)水化離子與水分子爭(zhēng)奪黏土晶面的連接位置。

(3)滲透水化

因此，當(dāng)泥頁(yè)巖與鉆井液濾液接觸時(shí)，首先產(chǎn)生表面水化，在表面水化的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生離子水化，當(dāng)表面水化和離子水化完成后，才發(fā)生滲透水化。

2聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1的分子結(jié)構(gòu)特征

NH-1分子結(jié)構(gòu)中含有胺基，胺基氮原子具有未共用電子對(duì)，能與質(zhì)子結(jié)合，因此當(dāng)NH-1溶解于水時(shí)，其會(huì)從水中奪取質(zhì)子，產(chǎn)生OH-，同時(shí)，聚胺自身解離為帶正電荷的銨正離子，其水解方程式如下：

NH-1的弱堿性及弱離解性可使其作用濃度一直處于平衡狀態(tài)，溶液中處于活躍狀態(tài)的銨離子濃度并不大，但由于化學(xué)平衡的作用，它能長(zhǎng)效保持穩(wěn)定的濃度。

為了進(jìn)一步證明NH-1的弱堿性及弱離解性，實(shí)驗(yàn)考察了NH-1對(duì)鉆井液用鈉基膨潤(rùn)土漿pH值的影響。具體方法：在0.1%實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)用鈉土漿中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NH-1，攪拌均勻，(25±1)℃老化16 h，在(25±1)℃下測(cè)定其pH值。結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著NH- 1的加入，土漿的pH值開(kāi)始迅速增加，但當(dāng)NH-1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.2%后，土漿pH值上升趨勢(shì)變緩，基本在9.0左右，說(shuō)明此時(shí)溶液中NH-1水解達(dá)到了平衡。

圖1NH-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)用鈉土土漿pH值的影響Fig.1　Effect of NH-1 mass fraction on the pH value of sodium soil slurry for experimental evaluation

3聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1抑制黏土水化膨脹機(jī)理

黏土水化膨脹主要有3種形式，探究NH-1的抑制機(jī)理，就是研究分析NH-1如何抑制黏土的表面水化、離子水化和滲透水化。

3.1強(qiáng)吸附作用——抑制黏土表面水化

NH-1和黏土礦物之間的吸附，既有物理吸附，又包含化學(xué)吸附。

物理吸附：NH-1分子(吸附質(zhì))和黏土(吸附劑)通過(guò)分子間作用力產(chǎn)生吸附，同時(shí)NH-1分子中的醚鍵、胺基與黏土礦物表面的羥基相互作用，產(chǎn)生氫鍵，NH-1抑制劑通過(guò)分子間作用和氫鍵這兩種作用力吸附在黏土表面。

化學(xué)吸附：NH-1抑制劑在水中部分解離形成銨正離子，銨正離子與帶負(fù)電的黏土礦物表面通過(guò)離子鍵的形成被吸附在黏土礦物表面。

化學(xué)吸附能一般在40～800 kJ/mol，物理吸附能在8～20 kJ/mol ，因此化學(xué)吸附作用力比物理吸附作用力更強(qiáng)且不易解吸，NH-1分子在物理吸附和化學(xué)吸附的共同作用下，緊緊吸附在黏土表面，NH-1分子結(jié)構(gòu)中的疏水基團(tuán)(環(huán)氧基、烷基等)覆蓋在黏土表面，隔斷了水分子和黏土礦物的接觸，從而抑制黏土的表面水化。

通過(guò)紅外光譜實(shí)驗(yàn)表征了NH-1在黏土顆粒上強(qiáng)吸附作用。

采用美國(guó)尼高力公司NEXUS670型紅外光譜儀(掃描范圍為4 000～400 cm-1)測(cè)定實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)用鈉土在吸附NH-1前后的紅外光譜圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2　實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)用鈉土紅外光譜圖Fig.2　Infrared spectrum of the sodium soil for experimental evaluation

圖3　實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)用鈉土吸附NH-1后的紅外光譜圖Fig.3　Infrared spectrum of sodium soil for experimental evaluation after adsorbing NH-1

由圖2和圖3可以看出，在特征區(qū)，實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)用鈉土和經(jīng)NH-1改性土所得圖譜基本相同，在紅外光譜中波數(shù)為1 100～1 000 cm-1處，(SiO4)4四面體的S-O鍵伸縮振動(dòng)和Al-O振動(dòng)的吸收峰，是膨潤(rùn)土最主要的特征峰，在470 cm-1附近的吸收，是Si-O的變角振動(dòng)。由此表明，經(jīng)NH-1改性后，膨潤(rùn)土的骨架沒(méi)有改變。但NH-1改性土的紅外譜圖中出現(xiàn)了新的吸收峰，其中2 928.16 cm-1、2 918.38 cm-1、2 924.61 cm-1、2 930.02 cm-1為亞甲基C-H的伸縮振動(dòng)峰，N-H鍵彎曲振動(dòng)峰一般在1 600 cm-1左右，C-N的特征峰在1 100 cm-1左右，和實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)用鈉土的峰形有重合，因此在紅外光譜上沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái)，但新出現(xiàn)的C-H的伸縮振動(dòng)峰證明NH-1已經(jīng)吸附到黏土上。

3.2離子交換吸附作用——抑制黏土離子水化

蒙脫石由于存在晶格取代，所以所帶的負(fù)電荷較多，周?chē)降年?yáng)離子數(shù)目較多(主要為Na+、Ca2+)，可交換的陽(yáng)離子也較多，水化陽(yáng)離子給黏土帶來(lái)厚的水化膜，使蒙脫石水化膨脹。

在不考慮離子濃度的情況下，離子半徑越大，電荷越多，則離子交換能力越強(qiáng)。聚胺頁(yè)巖抑制劑分子在水中部分解離形成2個(gè)或者2個(gè)以上的銨正離子，解離產(chǎn)生的銨離子離子半徑比Na+、Ca2+大，又是多原子離子，離子交換能力更強(qiáng)，因此銨離子可以和黏土表面吸附的同性鈉離子進(jìn)行離子交換吸附，置換出黏土顆粒中的鈉離子等。

運(yùn)用ICP測(cè)定加入NH-1前后土漿溶液中陽(yáng)離子濃度的變化。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：取10 g NH-1溶于200 mL二次水中，在5 000 r/min下攪拌5 min后，緩慢加入5 g實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)用鈉土，在5 000 r/min下攪拌20 min，將樣品在(30±1)℃下靜置24 h后，過(guò)濾樣品，收集濾液，通過(guò)ICP測(cè)定濾液中的陽(yáng)離子質(zhì)量濃度。同時(shí)測(cè)定5 g實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)鈉土加入到200 mL二次水中靜止后濾液的陽(yáng)離子質(zhì)量濃度和10 g NH-1加入到200 mL二次水中溶液的陽(yáng)離子質(zhì)量濃度，做對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1交換陽(yáng)離子的量

由表1可知， NH-1加入后， 溶液中Na+含量明顯增加，說(shuō)明NH-1中的-NH4+通過(guò)陽(yáng)離子交換將黏土中Na+交換出來(lái)。

通常，離子半徑越小，吸附水分子的能力越強(qiáng)，水化膜越厚。由于NH-1離解形成的銨離子半徑比Na+大，故吸附水分子的能力較弱，形成的水化層較薄。因此，鉆井液中加入聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1，NH-1解離產(chǎn)生的銨離子與黏土顆粒中鈉離子進(jìn)行交換，交換后的黏土吸附水分子的能力減弱，黏土表面形成水化膜厚度也相應(yīng)減小，抑制了黏土顆粒的離子水化膨脹。

3.3離子交換——抑制黏土滲透水化

黏土層間吸附很多陽(yáng)離子，晶層的陽(yáng)離子濃度遠(yuǎn)大于溶液內(nèi)部的濃度，由于濃度差的存在，發(fā)生水的濃差擴(kuò)散，水進(jìn)入黏土層間。從表1數(shù)據(jù)可以看出，聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1加入黏土漿中，可以置換出黏土層中的鈉離子等，減少了這些陽(yáng)離子在黏土層間和水溶液內(nèi)部的濃度差，同時(shí)由于NH-1的弱電解質(zhì)性質(zhì)，溶液中的銨根離子濃度保持恒定。由于濃度差的減少，水向黏土層間的滲透力減弱，抑制了黏土膨脹。

3.4插層作用——抑制黏土水化膨脹

聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1可以插層到蒙脫土晶層，NH-1分子兩端的胺基，分別吸附在相鄰的黏土片層上并將黏土片層束縛在一起，減弱黏土水化。用X射線衍射儀(XRD)實(shí)驗(yàn)測(cè)定了在NH-1溶液中浸泡前后膨潤(rùn)土晶層間距的變化，用線性膨脹率實(shí)驗(yàn)測(cè)試了經(jīng)NH-1改性后的膨潤(rùn)土的線性膨脹率。

3.4.1XRD實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件：用D8 ADVANCE型X射線衍射(XRD)儀測(cè)定膨潤(rùn)土的層間距d(001)，掃描范圍為3°～20°，掃描速度為1.25 s/step，步寬為0.05°，Cu靶。

具體操作如下：配制3.0%NH-1溶液30 mL，加入8 g二級(jí)膨潤(rùn)土，靜止過(guò)夜，取部分用電吹風(fēng)吹干，作XRD圖譜，同時(shí)作清水對(duì)比分析。膨潤(rùn)土使用前在烘箱中105 ℃烘干2 h。膨潤(rùn)土原樣、清水浸泡樣和NH-1溶液浸泡后烘干樣的XRD圖譜見(jiàn)圖4。

圖4　3種樣品的XRD圖譜Fig.4　XRD spectra of three bentonite samples

3.4.2聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1改性后膨潤(rùn)土線性膨脹率實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步說(shuō)明聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1抑制黏土水化膨脹機(jī)理，用NH-1改性后的線性膨脹率實(shí)驗(yàn)來(lái)表征NH-1的抑制性能。

取10 g NH-1樣品溶于200 mL二次水中，在5 000 r/min下攪拌5 min后，緩慢加入5 g二級(jí)膨潤(rùn)土(OCMA土)，在5 000 r/min下攪拌20 min。樣品在(30±1)℃下靜置24 h后將樣品過(guò)濾，濾餅在(105±3)℃下烘4 h，將烘干后的濾餅研碎，用蒸餾水洗滌至溶液呈中性，將洗滌后的濾餅在(105±3)℃下烘4 h，備用。

按照SY/T 6335-1997《鉆井液用頁(yè)巖抑制劑評(píng)價(jià)方法》測(cè)定NH-1的線性膨脹率，具體操作如下：準(zhǔn)確稱(chēng)取上述備用的粒度在0.150～0.044 mm之間的改性后的膨潤(rùn)土8.0 g，在壓力機(jī)上加10 MPa壓力并保持5 min，制得實(shí)驗(yàn)巖心，測(cè)定8 h和16 h改性土在清水中的線性膨脹率，同時(shí)用未改性的膨潤(rùn)土和經(jīng)氯化鉀改性后的土作對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　NH-1改性土在清水中的線性膨脹率Fig.5　Linear expansion ratio comparison of bentonite modified by different modifiers in water

由圖5可知，與經(jīng)過(guò)KCl改性后的土和沒(méi)有改性的膨潤(rùn)土相比，經(jīng)NH-1改性后的土在清水中的線性膨脹率降低很多，16 h的線性膨脹率還不到15%。NH-1改性土在處理過(guò)程中已經(jīng)用蒸餾水將表面洗滌成中性，因此可以認(rèn)為，膨潤(rùn)土表面上吸附的NH-1已經(jīng)被洗滌除去，線性膨脹率低，可以認(rèn)為是插入到黏土層間的NH-1起到了抑制黏土水化膨脹的作用。

3.5減小水的表面張力——減弱毛細(xì)管力

3.5.1不同濃度聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1溶液的表面張力先用表面張力儀測(cè)水和0.4% NH-1水溶液的表面張力，測(cè)試溫度30 ℃，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　水和NH-1溶液表面張力

由表2可以看出，NH-1的加入能顯著降低水的表面張力，降幅超過(guò)50%。

用表面張力儀測(cè)試不同NH-1加入量水溶液的表面張力，測(cè)試溫度30 ℃，結(jié)果見(jiàn)表3和圖6。

表3　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NH-1溶液表面張力

圖6　不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NH-1水溶液的表面張力Fig.6　Relationship between surface tension and mass fraction of NH-1solution

由圖6可以看出，NH-1的加入引起水溶液表面張力急劇下降，但是隨著NH-1加量的進(jìn)一步增加，溶液表面張力下降幅度趨緩。

3.5.2聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1對(duì)巖心潤(rùn)濕性的影響用Contact Angle System OCA 接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定NH-1溶液對(duì)巖心潤(rùn)濕性能的影響。

巖心預(yù)處理：將巖心片放置到配置好的NH-1溶液中，浸泡48 h，然后將巖心翻面繼續(xù)浸泡48 h，取出自然晾干，即得測(cè)試樣品。同時(shí)以去離子水浸泡巖心做空白對(duì)比實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4數(shù)據(jù)可知，經(jīng)0.2% NH-1溶液浸泡后的巖心片，相比于清水浸泡巖心片接觸角略微變大，說(shuō)明其表面親水性變?nèi)?，親油性增強(qiáng)。這是由于聚胺吸附在巖心表面，憎水基團(tuán)覆蓋在巖心表層，從而導(dǎo)致巖心表面親油性增強(qiáng)。但從表4中數(shù)據(jù)可以看出，聚胺溶液對(duì)地層的潤(rùn)濕性影響較小，不會(huì)徹底改變地層的潤(rùn)濕性能。

表4　接觸角測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.5.3毛細(xì)管力毛細(xì)管力是能潤(rùn)濕毛細(xì)管壁的液體自然上升的作用力。毛細(xì)管力大小與該液體的表面張力成正比，與毛管半徑成反比。毛細(xì)管力計(jì)算公式

(2)

式中：h為液面高度；θ為潤(rùn)濕角；α為表面張力；ρ為液體密度；g為重力加速度；r為液面曲率半徑。

泥頁(yè)巖是親水性黏土礦物，其滲透率低，孔徑細(xì)小，遇水時(shí)很容易發(fā)生毛細(xì)管現(xiàn)象，在毛細(xì)管力作用下，水進(jìn)入泥頁(yè)巖地層，這將強(qiáng)化泥頁(yè)巖的水化作用。毛細(xì)管力越大，水越容易深入到地層中而導(dǎo)致水化。通過(guò)改變鉆井液體系的表面張力，對(duì)毛細(xì)管力產(chǎn)生影響。根據(jù)表3和表4中NH-1溶液的表面張力和潤(rùn)濕角數(shù)據(jù)可以算出，加入NH-1后，隨著表面張力α的減小，水進(jìn)入頁(yè)巖地層的深度也減小(以0.2%NH-1計(jì)算，水進(jìn)入地層深度h1約為清水進(jìn)入地層深度h的57%，具體計(jì)算見(jiàn)式(3))，說(shuō)明NH-1聚胺頁(yè)巖抑制劑的加入可以減小水的毛細(xì)管力，從而抑制黏土的水化膨脹。

(3)

3.6聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1對(duì)地層滲透性能的影響

采用非水敏性低滲透巖心評(píng)價(jià)了NH-1對(duì)地層的注入性能，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　NH-1溶液注入性能評(píng)價(jià)

表5測(cè)試結(jié)果表明NH-1具有較好的注入性能，也就是說(shuō)聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1對(duì)地層沒(méi)有傷害。

4結(jié)論

(1)聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1的抑制作用包含4個(gè)方面：一是強(qiáng)吸附作用，抑制黏土的表面水化，聚胺和黏土礦物之間的吸附既有物理吸附又包含化學(xué)吸附；二是離子交換吸附作用抑制黏土離子水化和滲透水化；三是插層作用，NH-1填充到蒙脫石001晶面中去，從而抑制黏土水化膨脹；四是減弱地層的毛細(xì)管力，NH-1可以顯著降低水的表面張力，減弱地層毛細(xì)管作用，抑制黏土水化膨脹。

(2)聚胺頁(yè)巖抑制劑NH-1對(duì)低滲透地層無(wú)傷害。

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責(zé)任編輯：董瑾

DOI：10.3969/j.issn.1673-064X.2016.01.017中圖分類(lèi)號(hào)：TE254+.4

文章編號(hào)：1673-064X(2016)01-0103-07

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2015-05-09

基金項(xiàng)目：中國(guó)石化集團(tuán)公司項(xiàng)目(編號(hào)：212074)

作者簡(jiǎn)介：袁俊秀(1973-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事油田化學(xué)品開(kāi)發(fā)研究。E-mail:yuanjx.nhgs@sinopecl.com

Study on Effect Mechanism of Polyamine Clay Hydration-swelling Inhibitor NH-1

YUAN Junxiu

(Research Institute,Nanjing Chemical Industrial Group,Nanjing 210048,Jiangsu,China)

Abstract:The effect mechanism of polyamine shale clay hydration-swelling inhibitor NH-1 is studied based on the hydration types and action forces of clay minerals and the molecular structure of NH-1.It is shown that the mechanism of NH-1 inhibiting the hydration swelling of shale clay includes four aspects: inhibiting the surface hydration of clay by strong absorption,inhibiting the hydration and the osmotic hydration of clay ion by ion exchange,inhibiting the hydration swelling of clay by NH-1 inserting into the 001 crystal plane of montmorillonite,and inhibiting the hydration swelling of clay by weakening the capillary force of formation.The mechanism is verified by infrared spectroscopy,X ray diffraction and surface tension and contact angle measurement.The damage of NH-1 to low-permeability formation was determined by core permeability test.The results show that the addition of NH-1 has no damage to the low permeability formation.

Key words:drilling fluid additive;polyamine;shale hydration-swelling inhibitor;inhibition mechanism