適用于頁巖氣水平井新型水基鉆井液室內研究*

黃 云，雷慶虹

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

隨著非常規(guī)油氣資源鉆探開發(fā)技術的研究與發(fā)展，頁巖氣鉆采效率不斷提高，頁巖氣開發(fā)的鉆井方式以大位移井和水平井為主[1,2]。由于頁巖氣水平井的水平段過長，增大了鉆具與井壁、套管的接觸面積，使鉆進過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)等復雜事故[3]。鉆井液的潤滑性能嚴重制約了水平井水平段的延伸長度，因此，研究鉆井液用高效潤滑劑成為了石油工作研究者的一項重要工作[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力分布，造成井壁失穩(wěn)；由于頁巖氣水平井的水平段過長，鉆屑未能及時返出井眼，鉆屑在水基鉆井液的浸泡時間過長，造成鉆屑水化分散，導致鉆井液的黏度、切力上漲過快，起下鉆或快鉆時造成激動壓力增大，使井壁的穩(wěn)定性進一步惡化[6]。為了滿足鉆井安全、環(huán)保要求，在頁巖氣水平井開發(fā)過程中，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用于水基鉆井液，均表現(xiàn)出優(yōu)異的潤滑、抑制黏土分散性能?；诖?，筆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，并在水基鉆井液評價其性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

NP-03型高溫高壓頁巖膨脹儀（江蘇聯(lián)友科研儀器有限公司）；Fann212型極壓潤滑儀（美國Fann公司）；MRS-1J型四球摩擦磨損試驗機（濟南舜茂試驗儀器有限公司）；D8 Advance型X射線衍射儀（德國Bruker公司）；KMY201-1A型抗磨試驗機（武漢神州機電有限公司）；SL-200B型接觸角測定儀(上海中晨數字技術設備有限公司)；ZNN-D6型六速旋轉黏度計、SD3型中壓濾失儀，青島創(chuàng)夢儀器有限公司。

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，國藥集團化學試劑有限公司；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，中海油服化學公司。

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，持續(xù)反應10h后，最后加入氯乙酸鉀，在攪拌條件下發(fā)生季銨化反應，持續(xù)反應5h后，反應完成。通過減壓蒸餾除去溶劑，得到多功能基液AS。

1.3 潤滑抗磨性能測試

按照標準SY/T 6094-1994《鉆井液用潤滑劑評價程序》中潤滑系數的評價方法，采用極壓潤滑儀測定蒸餾水的摩阻系數D水和潤滑劑的摩阻系數D潤滑劑，潤滑劑的潤滑系數K計算方法見式（1）。

式中K：潤滑劑的潤滑系數，無量綱；D水：蒸餾水的摩阻系數，無量綱；D潤滑劑：潤滑劑的摩阻系數，無量綱。

使用抗磨試驗機，采用不斷增加砝碼（質量為800g）來評價潤滑劑對鋼珠和摩輪之間的互相摩擦運動的影響，通過摩擦鋼珠和磨輪抱死的最多砝碼數量為依據來評價潤滑劑的抗磨性能。

使用四球摩擦磨損試驗機，上球轉速為1450r·min-1、施加負荷力為1.491kN，與底座固定的3個鋼球摩擦30min，以鋼球的磨斑直徑來評價潤滑劑的抗磨損性能。

1.4 抑制性能測試

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

2 結果與討論

2.1 多功能基液AS的潤滑抗磨性能評價

2.1.1 潤滑性能評價 采用極壓潤滑劑評價室溫下潤滑劑的潤滑系數，實驗結果見表1。

表1 潤滑劑的潤滑及抗磨性能評價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，潤滑系數逐漸降低，對比相同加量下的聚合醇而言，多功能基液AS潤滑系數更低，當多功能基液AS加量為20%時，其潤滑系數低至0.032，與全白油性能接近，表明多功能基液AS具有優(yōu)異的潤滑性能，這是由于AS含有多個酯基、胺基，多個帶孤對電子的N、O原子易與金屬表面形成配位鍵[11]，非極性長鏈包裹在金屬表面，形成穩(wěn)定、致密的疏水性吸附磨膜，起到潤滑作用。

2.1.2 抗磨損性能評價 采用抗磨試驗機評價潤滑劑的抗磨性能，實驗結果見表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。

為了進一步評價潤滑劑的長時抗磨損性，在四球摩擦磨損試驗機施加負荷為1.491kN、摩擦時間為30min時，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，則含有潤滑劑的鉆井液抗磨損能越好，對比聚合醇、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的抑制性能評價

2.2.1 線性膨脹率評價 采用高溫高壓頁巖膨脹儀在室溫下評價含有不同濃度多功能基液AS的溶液對鈉基膨潤土壓片的膨脹抑制效果，并以10%KCl作為對比，實驗結果見圖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，對鈉基膨潤土壓片的膨脹抑制效果更好，當多功能基液AS的含量為20%時，鈉基膨潤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含有多個胺基、季銨基團，季銨鹽帶正電荷通過靜電作用吸附在黏土顆粒表面，并對黏土晶格起固定作用，達到穩(wěn)定頁巖井壁穩(wěn)定的作用[12]。

2.2.2 黏土層間距測試 將2.0%鈉基膨潤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獲得膨潤土沉淀物，并通過X射線衍射儀對其黏土層間距進行測試，實驗數據見圖3。

圖3 多功能基液AS對鈉基膨潤土的層間距的影響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，鈉基膨潤土的黏土層間距隨之增大，處于海水中的鈉基膨潤土的層間距擴大的趨勢更為明顯。不同溫度下，對比海水中的鈉基膨潤土，多功能基液AS對鈉基膨潤土的層間距的增大有明顯的抑制作用，鈉基膨潤土在多功能基液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，該基團通過靜電作用嵌入硅氧四面體中，對黏土起到晶格固定作用，抑制黏土水化膨脹，另外，疏水性長鏈可包裹黏土，進而阻止水分子進入黏土晶層中，降低因黏土水化膨脹引起井壁應力分布的改變，起到穩(wěn)定井壁的作用[13]。

2.3 多功能基液AS的環(huán)保性能評價

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：檢驗方法來評價多功能基液AS的生物毒性，以及按照《SY/T6788-2020水溶性油田化學劑環(huán)境保護技術評價方法》評價多功能基液AS的降解性，實驗結果見表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的溶液半數致死濃度均遠大于30000mg·L-1，基本無毒性；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℃下測試其流變性能，評價多功能基液AS加量對鉆井液性能的影響，實驗結果見表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。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滑性能、抑制性能，使該鉆井液適用于頁巖氣水平井，可提高井壁的穩(wěn)定性以及鉆井的安全性。

3 結論

（1）基于邁克爾加成反應和季銨化反應，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，使該基液具有優(yōu)異的潤滑性能和抑制性能，且具有良好的環(huán)境友好性能，應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中含有帶孤對電子的N、O原子易與金屬表面形成配位鍵，非極性長鏈包裹在金屬表面，形成穩(wěn)定、致密的疏水性吸附磨膜，起到潤滑作用。AS中的季銨鹽帶正電荷，可通過靜電作用吸附在黏土顆粒表面，并對黏土晶格起固定作用。另外，疏水性長鏈可包裹黏土，進而阻止水分子進入黏土晶層中，達到穩(wěn)定頁巖井壁穩(wěn)定的作用。

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