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复杂地层钻井过程中常遇到井壁失稳、摩阻大、 井漏等问题[1],需要向钻井液中添加一定数量的处理剂,以使钻井液具有良好的抑制性、封堵性及润滑性等综合性能[2-7]。 现有的高效处理剂[8-15] 往往性能单一,需要同时向钻井液中添加页岩抑制剂、封堵剂和润滑剂等多种处理剂,才能满足安全高效钻井对钻井液的性能要求。 笔者利用自由基聚合法,采用苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为单体合成一种具有抑制、封堵、润滑等多功能的阳离子聚合物乳液,对其综合性能进行评价,并研究其作用机制。
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1 实验
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1.1 主要材料及仪器
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材料:苯乙烯( ST,纯度大于99.0%(本文中涉及含量的“%“均为质量分数))、丙烯酰胺(AM,纯度大于99.0%)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC,75%水溶液)、甲基丙烯酸甲酯(MMA,纯度大于99.0%)、过硫酸钾(K2 S2O8,纯度大于99%)、 氯化钾(KCl,纯度大于99.5%)、氨水(75%水溶液)、碳酸钠(Na2CO3,纯度大于99.8%),上海麦克林生化科技有限公司;膨润土,潍坊华潍膨润土集团股份有限公司;聚醚胺D-230(工业级),美国亨斯迈公司;岩样(岩屑和岩心片),取自四川地区露头泥页岩。
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实验仪器:电子分析天平,FA1104,上海恒平; 六速旋转黏度计,ZNN-6 型,青岛海通达;滚子加热炉,BGRL-45,青岛同春石油仪器有限公司;双通道泥页岩膨胀仪,CPZ-域,青岛恒泰达机电设备有限公司;激光粒度分析仪,Mastersizer3000,英国马尔文公司;纳米粒度电位仪,Zetasizer Nano Z90,英国马尔文公司;光学接触角测定仪,OCA-25,德国Data-physics;冷场发射扫描电镜,Regulus8200,日本日立公司;极压润滑仪,EP-2,青岛同春石油仪器有限公司;高温高压岩心动态损害评价系统,JHMD-II,荆州现代石油科技。
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1.2 实验方法
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1.2.1 阳离子聚合物乳液的合成
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以疏水单体为主体,引入亲水单体增强亲水性、 引入阳离子单体增强吸附性能,合成一种阳离子聚合物乳液。 单体的质量占总质量的30%。 将一定量的AM、DMC、乳化剂加入到蒸馏水中,搅拌使其完全溶解,使用质量分数为30%的NaOH水溶液调节pH至7。 把一定量的ST和MMA加入上述溶液中,高速搅拌使分散均匀,形成稳定的乳状液。 将装有搅拌器、温度计的三口烧瓶(250 mL)置于恒温水浴槽中,加入上述乳状液,反应前通10 min的N2,在80℃恒温下将引发剂过硫酸钾逐滴加入,反应4 h, 室温冷却,得到了黏稠的乳液,即为多功能阳离子聚合物乳液处理剂ZD-1。
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1.2.2 线性膨胀实验
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使用分析天平精确称取在(105±2)℃条件下烘干4 h的膨润土10.0 g,装入页岩膨胀仪测筒中,并使用液压式压力机在10 MPa条件下压制5 min,制得试验岩心。 然后将带有试验岩心的测量筒安装在线性膨胀仪上,加入所要测试的溶液。 测试膨润土膨胀高度随时间的变化,测试时间为16 h,测试温度为25℃。
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1.2.3 热滚回收实验
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使用分析天平精确称取25.0 g干燥的泥页岩岩屑(粒径为2.00~3.35 mm)装于老化罐中,并向其中分别加入纯水、5%KCl、2%聚醚胺以及不同质量分数的ZD-1 溶液各300 mL,使用滚子炉在150℃下热滚16 h。 结束后取出冷却将液体倒出,并过0.425 mm筛网,筛余的岩屑在(105±2)℃烘干至恒重,质量记为m。 滚动回收率计算公式为
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式中, 为页岩滚动回收率;m为回收的页岩质量,g。
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1.2.4 基浆的配制
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向高搅杯中加入400 g自来水,在5000 r/min转速下依次加入16 g膨润土、1.2 g碳酸钠。 总共搅拌40 min,期间停止3 次,以刮去粘附在高脚杯壁上的膨润土,搅拌完毕后用密封膜封口在室温下老化24 h,配制成4%的膨润土基浆。
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1.2.5 粒度分布
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ZD-1 粒度分布:配制质量分数为1.0%的ZD1 水溶液, 使用纳米粒度电位仪( Zetasizer Nano Z90)测定粒度分布。
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膨润土基浆粒度:取4 份400 mL基浆在5000 r/min的高速搅拌下分别向其中加入2、4、6、8 g的ZD-1,充分搅拌40 min,在室温下密封老化16 h后高速搅拌5 min, 使用激光粒度分析仪(Mastersizer3000)测定膨润土的粒度分布。
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1.2.6 Zeta电位测试
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取多份50 mL 4%膨润土基浆,分别加入不同质量分数的ZD-1,在500 r/min条件下磁力搅拌2 h, 在室温下利用纳米粒度电位仪( Zetasizer Nano ZS90)分别测定基浆Zeta电位的变化。
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1.2.7 接触角实验
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将岩心片在不同质量分数的ZD-1 溶液中浸泡24 h,取出后在(105±2)℃条件下烘干,使用光学接触角测定仪,利用微量进样器将约2 L的去离子水滴在岩心片上,静置5 min后,测定去离子水在改性岩心片上的接触角。 实验温度为室温。
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1.2.8 封堵实验
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配制4%的膨润土基浆,评价不同加量ZD-1 条件下,基浆对低渗岩心气测渗透率的影响。 选取气测渗透率相近的岩心(渗透率为0.5×10 -3m 2 ,25 mm×50 mm),利用岩心动态损害评价系统,使用不同质量分数ZD-1 的基浆对岩心进行封堵,封堵条件为120℃和3.5 MPa,封堵时间为2.5 h。 封堵完毕后,自然晾干岩心,再次测定岩心的气测渗透率。 计算岩心的封堵效率:
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式中,为封堵率; 为岩心原始气测渗透率,10-3 m 2; 为封堵处理后岩心的气测渗透率,10-3 m 2 。
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1.2.9 摩阻系数测定
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利用极压润滑系数测定仪测定不同加量条件下ZD-1 对钻井液基浆摩阻系数的影响,并与油酸酯类润滑剂和固体润滑剂石墨进行性能对比。 润滑剂的摩阻系数降低率计算公式为
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式中, 为摩阻系数降低率; 为基浆的摩阻系数; 为样品的摩阻系数。
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1.2.10 扫描电镜实验
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用分析天平在室温下精确称取2 份2.00~3.35 mm的泥页岩各10 g,分别加入到50 mL去离子水和50 mL 1%ZD-1 溶液中,在室温下静置5 h。 随后过0.425 mm筛网,将筛余的岩屑在(105 ±2)℃烘干至恒重,利用扫描电镜观察岩屑的微观形貌。
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2 结果分析
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2.1 抑制性能评价
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(1)线性膨胀实验。 测定了5%KCl、2%聚醚胺以及质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%的ZD-1 溶液对膨润土岩心试样膨胀率的影响,实验结果如图1 所示。 与其他抑制剂相比,膨润土岩心试样在蒸馏水中的16 h膨胀率最大,为47%,说明蒸馏水无法抑制膨润土水化。 不同质量分数的ZD-1 溶液膨胀率较小,且随着ZD-1 质量分数的增大,16 h膨胀率逐渐降低,对于0.5%、1%、1.5%、2%的ZD-1 溶液,16 h膨胀率依次为33%、27%、29%和26%。 1%ZD-1 溶液16 h线性膨胀率相比于蒸馏水降低约43%。 此外,0.5%ZD-1 溶液的16 h线性膨胀率明显低于5%KCl和2%聚醚胺,说明ZD-1 具有优异的抑制膨润土水化膨胀的能力。 由于岩心试样压制不均匀等原因,实验中存在实验误差,导致1.5%ZD-1 下的膨胀率大于1%ZD-1 下的膨胀率。
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图1 膨润土岩心试样在不同抑制溶液中的线性膨胀变化
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Fig.1 Linear expansion of bentonite core samples in different inhibitory solutions
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(2)热滚回收实验。 测定蒸馏水、5%KCl、2%聚醚胺以及不同质量分数的ZD-1 对页岩滚动回收率的影响,实验结果如图2 所示。 由图2 可知,泥页岩在蒸馏水中的滚动回收率仅为12.9%, 而在0.5%ZD-1 滚动回收率达到44.5%,表明ZD-1 抑制岩屑水化分散效果显著。 随着ZD-1 质量分数提高到2%,滚动回收率增至80.2%,继续增加ZD-1 到3%,滚动回收率基本保持不变。 此外,2%ZD-1的泥页岩滚动回收率高于2%聚醚胺和5%KCL的泥页岩滚动回收率,表明ZD-1 相比于聚醚胺和KCl具有更好的抑制岩屑水化分散的能力。
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图2 泥页岩在不同抑制溶液中的滚动回收率
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Fig.2 Rolling recoveries of mud shale in different inhibitor solutions
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(3)粒度分布测试。 ZD-1 粒度分布曲线如图3 所示,在4%膨润土基浆中加入不同质量分数ZD-1 后,膨润土粒径变化曲线如图4 所示。
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图3 ZD-1 的粒度分布曲线
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Fig.3 Particle size distribution curve of ZD-1
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图4 加入不同质量分数ZD-1 后基浆粒度中值柱状图
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Fig.4 Histogram of median grain-size of base slurry after adding ZD-1 at different mass fraction
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由图3 可知,ZD-1 颗粒本身为纳米级别,粒径在20~500 nm内,平均粒径为124 nm。 由图4 可知,不加抑制剂时膨润土颗粒分散较好,粒度中值为3.2 m,加入ZD-1 抑制剂后粒径明显变大。 说明随着ZD-1 质量分数逐渐增加,膨润土颗粒发生聚结,粒径明显变大,表明ZD-1 可有效抑制膨润土水化分散。
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2.2 抑制机制
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(1)电荷中和作用。 使用纳米粒度电位仪测定加入不同质量分数ZD-1 后基浆试样的Zeta电位值,实验结果如图5 所示。
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图5 黏土Zeta电位随ZD-1 质量分数的变化
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Fig.5 Changes of clay Zeta potential with ZD-1 mass fraction
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由图5 可以看出,基浆的Zeta电位为-35.5 mV,随着ZD-1 质量分数的增加, Zeta电位(绝对值)变化较小,当ZD-1 质量分数为2%时,Zeta电位降为-19.4 mV。 Zeta电位变化的原因包括以下3 点:①由于ZD-1 分子上的阳离子中和黏土表面的负电荷,导致膨润土颗粒的Zeta电位降低;②随着ZD-1 在膨润土颗粒表面的吸附,黏土颗粒聚结在一起,颗粒电泳淌度降低,Zeta电位发生变化[16];③ 阳离子的加入具有压缩双电层的作用,也会降低ze-ta电位。
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(2)润湿反转作用。 接触角是表征物体表面亲水强弱的一种方法[17]。 使用光学接触角测定仪测定了利用不同质量分数ZD-1 处理后岩心片的水相接触角,结果见图6。 可以看出,未处理的岩心片,蒸馏水在其表面的接触角是18.9°,表现出较强的亲水性。 经ZD-1 处理后,水的接触角发生显著变化。 0.5%ZD-1 处理过的岩心片接触角增加到30.2°。 接触角随着ZD-1 质量分数的增加而增大,当ZD-1 质量分数为2%时,接触角增大到84.8°,亲水性明显减弱。 据分析,接触角变化原因是由于ZD-1 本身是疏水型的聚合物微球,由于其表面阳离子基团的存在,会吸附在膨润土颗粒表面,形成疏水层[17]。
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图6 不同质量分数ZD-1 处理后岩心片的水相接触角
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Fig.6 Aqueous contact angles of core slices modified with different ZD-1 mass fraction
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(3)吸附成膜作用。 利用扫描电镜观察1%ZD-1 溶液浸泡前后岩屑表面的微观形貌,实验结果如图7 所示。 由图7(a)可见,处理前的原始岩屑中可以明显观察到片状的黏土矿物成分。 使用ZD-1 处理后,岩屑表面吸附了一层ZD-1 纳米颗粒(图7(b)),且岩石基质状态变化较小。 这是由于ZD-1 表面的阳离子可以较好地吸附在膨润土颗粒的表面,从而通过降低亲水性、形成疏水层而抑制泥页岩水化。 此外,由于ZD-1 是一种纳米型高分子乳胶, 具有一定的封堵微裂缝/孔隙的能力,从而降低水的侵入,也有利于抑制水化。
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根据上述的分析结果,可以归纳出ZD-1 抑制黏土水化分散和膨胀的机制。 首先,ZD-1 纳米颗粒表面的阳离子能够通过静电作用吸附在黏土表面,中和黏土颗粒表面的负电荷,从而降低了黏土颗粒表面的静电斥力,降低了Zeta电位;其次,由于ZD-1 合成过程中疏水单体占最大比例,ZD-1 颗粒本身疏水性较强,吸附在泥页岩表面之后,在泥页岩表面会形成疏水层。 此外,ZD-1 是一种粒径处纳米尺度的聚合物微球,具有一定的封堵微裂缝/孔隙的能力,可以一定程度上阻止水分子侵入泥页岩地层。
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图7 ZD-1 处理前后黏土表面的微观形态
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Fig.7 Surface morphology of clay before and after treatment with ZD-1 inhibitor
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2.3 封堵性能及机制
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使用ZD-1 对低渗人造岩心进行封堵处理,并与磺化沥青进行对比实验,封堵后人造岩心渗透率变化如表1 所示。 可见,ZD-1 对低渗岩心的封堵率明显高于磺化沥青,随着ZD-1 质量分数的增加, 封堵率逐渐增高,且2%ZD-1 条件下的封堵率高达90%,说明ZD-1 能有效封堵低渗岩心,从而可降低由于压力传递引起的井壁坍塌。 磺化沥青的粒径大于ZD-1,粒度在微米级的范围内,难以适应尺寸较小的岩心孔隙,在封堵过程中容易推积在低渗岩心表面,难以达到理想的封堵效果。 ZD-1 是一种柔性的纳米颗粒,粒径为124 nm,能够进入纳米级的孔隙内并可以通过变形增强与岩石的作用力,从而可获得较好的封堵效果。
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2.4 润滑性能及机制
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利用极压润滑仪测试了ZD-1 对4%膨润土基浆摩阻系数的影响,并与常用固体润滑剂石墨进行性能对比,实验结果如图8 所示。 可见,在同等加量下,ZD-1 的摩阻系数降低率略高于石墨,在2%加量下,摩阻系数降低率达到54.5%,证明ZD-1 具有优异的润滑性能。 ZD-1 是一种高分子聚合物乳胶,是一种球形纳米级颗粒,可以在钻具与岩石界面充当固体润滑剂的作用,起一种类似“微轴承”的作用[18],将滑动摩擦变为滚动摩擦。 另一方面,纳米颗粒可以填充在钻具和岩石表面的微瑕疵处,有利于提高界面的光滑度[19],从而达到提高润滑性的作用。
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图8 ZD-1 对膨润土基浆摩阻系数的影响
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Fig.8 Influence of ZD-1 on friction coefficient of bentonite suspension
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3 结论
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(1)ZD-1 通过中和黏土表面的负电荷、在泥页岩表面吸附成膜、改变泥页岩表面润湿性以及封堵泥页岩微孔隙来抑制泥页岩水化,相比于聚醚胺和KCl,其抑制页岩水化膨胀和分散的能力更强。
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(2)ZD-1 可有效封堵低渗岩心,大幅度降低低渗岩心的气测渗透率,2%加量下封堵率大于90%, 性能优于磺化沥青。
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(3)ZD-1 具备类似固体润滑剂的作用机制,可通过“微轴承”作用和改善界面光滑度提高钻井液的润滑性, 在2%加量下, 摩阻系数降低率达到54.5%,性能优于固体石墨。
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参考文献
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[1] 马京缘,潘谊党,于培志,等.近十年国内外页岩抑制剂研究进展[J].油田化学,2019,36(1):181-187.MA Jingyuan,PAN Yidang,YU Peizhi,et al.Research progress of shale inhibitor in recent ten years [J].Oil-field Chemistry,2019,36(1):181-187.
-
[2] 胡鹏飞,黄丹超,邹建国,等.水基钻井液用黏土水化抑制剂研究概况[J].广州化工,2019,47(23):36-39.HU Pengfei,HUANG Danchao,ZOU Jianguo,et al.Re-search on clay hydration inhibitors for water-based drilling fluids [J].Guangzhou Chemical Industry,2019,47(23):36-39.
-
[3] 吕超.钻井液用页岩抑制剂研究进展[J].中国石油和化工标准与质量,2018,38(9):121-122.L譈 Chao.Research progress of shale inhibitor for drilling fluid [J].China Petroleum and Chemical Standard and Quality,2008,38(9):121-122.
-
[4] PATEL A D.Design and development of quaternary a-mine compounds:shale inhibition with improved environ-mental profile[R].SPE 121737-MS,2009.
-
[5] 廖奉武,李坤豫,胡靖,等.钻井液封堵剂高温高压封堵性能评价方法[J].科学技术与工程,2019,19(29):90-95.LIAO Fengwu,LI Kunyu,HU Jing,et al.Evaluation method for HTHP plugging property of drilling fluid plug-ging agent [J].Science Technology and Engineering,2019,19(29):90-95.
-
[6] AN Y,JIANG G,QI Y,et al.Synthesis of nano-plug-ging agent based on AM/AMPS/NVP terpolymer [J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2015,135:505-514.
-
[7] 邓小刚,李一平,胡正文,等.环保型水基钻井液润滑剂的研制与评价[J].油田化学,2017,34(2):201-205.DENG Xiaogang,LI Yiping,HU Zhengwen,et al.Prep-aration and evaluation of environment-friendly lubricant used for water-based drilling fluid [J].Oilfield Chemis-try,2017,34(2):201-205.
-
[8] ZHONG H Y,QIU Z S,HUANG W A,et al.Inhibition comparison between polyether diamine and quaternary am-monium salt as shale inhibitor in water-based drilling fluid [J].Energy Sources,Part A:Recovery,Utilization,and Environmental Effects,2013,35(3):218-225.
-
[9] ZHONG H Y,HUANG W A,QIU Z S,et al.Inhibition comparison between polyether diamine and formate salts as shale inhibitor in water-based drilling fluid[J].Ener-gy Sources,Part A:Recovery,Utilization,and Envir-onme-nt Effects,2015,37(18):1971-1978.
-
[10] 宣扬,蒋官澄,宋然然,等.超支化聚乙烯亚胺作为钻井液页岩抑制剂研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(6):178-186.XUAN Yang,JIANG Guancheng,SONG Ranran,et al.Study on hyper-branched poly(ethyleneimine)as shale inhibitor in water-based drilling fluid [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Sci-ence),2017,41(6):178-186.
-
[11] HUANG X,SUN J,L譈 K,et al.Application of core-shell structural acrylic resin/nano-SiO2 composite in wa-ter based drilling fluid to plug shale pores[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,55:418-425.
-
[12] QIU Z,XU J,YANG P,et al.Effect of amphiphilic polymer/nano-silica composite on shale stability for wa-ter-based muds[J].Applied Sciences,2018,8(10):1839.
-
[13] 崔新栋,董丽新.活性微球堵剂的研究与应用[J].海洋石油,2007,27(2):83-87.CUI Xindong,DONG Lixin.Research and application of active micro-sphere plugging agent [J].Offshore Oil,2007,27(2):83-87.
-
[14] S魻NMEZ A,K魻K M V,魻ZEL R.Performance analysis of drilling fluid liquid lubricants[J].Journal of Petrole-um Science and Engineering,2013,108:64-73.
-
[15] SAFFARI H R M,SOLTANI R,ALAEI M,et al.Tri-bological properties of water-based drilling fluids with borate nanoparticles as lubricant additives[J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2018,171:253-259.
-
[16] 钟汉毅,黄维安,邱正松,等.新型两亲性低分子多胺页岩抑制剂的特性[J].东北石油大学学报,2012,36(5):51-55.ZHONG Hanyi,HUANG Weian,QIU Zhengsong,et al.Characteristics of novel amphiphilic low molecular polyamine shale inhibitors [J].Journal of Northeast Pe-troleum University,2012,36(5):51-55.
-
[17] 杜蕊.阳离子的疏水型页岩抑制剂的合成及评价 [D].成都:西南石油大学,2017.DU Rui.Synthesis and evaluation of cationic hydropho-bic shale inhibitors [D].Chengdu:Southwest Petrole-um University,2017.
-
[18] ALI M K A,XIANJUN H,MAI L,et al.Improving the tribological characteristics of piston ring assembly in au-tomotive engines using Al 2O3 and TiO2 nanomaterials as nano-lubricant additives [J].Tribology International,2016,103:540-554.
-
[19] MAHARAJA K,VIJAYAN S N,KARTHIK S.Tribo-logical effect of concentration and composition of nanop-article in lubricant oil:a review [J].Technology(ICLTSET’17),2017:667-675.
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摘要
以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为单体,合成一种阳离子聚合物乳液 ZD-1;通过页岩线性膨胀实验、泥页岩热滚回收实验和粒度分析评价 ZD-1 的抑制性能,分析其抑制机制;使用污染前后低渗人造岩心气测渗透率变化评价其封堵性能;利用极压润滑性能实验评价其润滑性能。 结果表明:与常用页岩抑制剂聚醚胺和氯化钾相比,ZD-1 具有较好的抑制页岩水化膨胀和分散的能力,膨润土岩心试样 16 h 的膨胀率相对于氯化钾有大幅度降低,当质量分数为 2. 0% 时,易水化泥页岩岩屑的热滚回收率超过 80% ;纳米级别的 ZD-1 颗粒表面具有阳离子基团,能够中和膨润土表面的负电荷、提高泥页岩表面的疏水性,并可通过吸附作用在泥页岩表面形成疏水层来降低水对泥页岩的侵入,从而达到抑制泥页岩水化膨胀和分散的作用;ZD-1 可有效封堵低渗岩心,2% 加量下封堵率大于 90% ,性能优于磺化沥青;ZD-1 作为球形纳米级颗粒,有利于提高钻井液的润滑性,摩阻系数降低率高于固体润滑剂石墨。
Abstract
A cationic polymer latex ZD-1 was synthesized by reaction of styrene, methyl methacrylate, acrylamide and methac- ryloxyethyltrimethylammonium chloride. The inhibition performance of ZD-1 was evaluated by shale linear swelling experi- ments, shale recovery experiments and particle size analysisthrough which the inhibition mechanism was then investigated. The gas permeability of the low-permeability artificial core before and after pollution was tested to evaluate its plugging performance. The extreme pressure lubrication experiment was used to evaluate the lubricating performance. The results indicate that ZD-1 has a better capability to inhibit the swelling and dispersion of shale in comparison with the commonly used shale inhibitors polyether-amine and potassium chloride. The swelling ratio of the bentonite core samples treated by ZD-1 for 16h is significantly lower than that treated by potassium chloride. When the dosage of ZD-1 is 2. 0% , the shale recovery ratio of the easily-hydrat- able muddy shale cuttings is more than 80% . The nano-scale ZD-1 particles having cationic groups on their surface inhibit the hydration swelling and dispersion of shale by neutralizing the electronegativity of the clay surfaces, improving the hydrophobicity of the shale surface and forming a hydrophobic film on the shale surface by adsorption to reduce the invasion of drilling fluid to shale. ZD-1 can effectively plug the low-permeability core. The plugging rate is greater than 90% with an addition of 2% , which is better than that of sulfonation asphalt. In addition, ZD-1, as spherical nano-sized particles, is conducive to improving the lubricity of drilling fluids, and the friction coefficient reduction rate is higher than that of solid lubricant graphite.
Keywords
cationic polymer latex ; multi-functional ; shale inhibition ; lubricating ; plugging ; drilling fluid.