國內有機硅抑制劑的研究與進展

張松林，周書勝，吳嬌，可點

國內有機硅抑制劑的研究與進展

張松林1，周書勝2，吳嬌2，可點2

（1. 中國海洋石油集團有限公司，北京 100010； 2. 荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

在超深井、大位移井、復雜易垮井的鉆探工作中，對于黏土礦物含量高的地層，對水基鉆井液抗高溫性、抑制性提出巨大挑戰，水分子的自擴散運動使黏土水化分散，影響井壁的力學性能以及鉆井液性能。有機硅抑制劑含有硅羥基，使其與黏土顆粒發生化學吸附，穩定性強，有效隔離水分子侵入黏土晶層，達到穩定井壁的目的。對近年來有機硅抑制劑的抑制機理、研究進展以及鉆井液用有機硅抑制劑現場應用效果進行綜述，為有機硅抑制劑的發展提供思路。

胺基硅醇；硅烷偶聯劑；抑制性能；黏土礦物

隨著工業水平提高，促使能源消耗量逐年上漲，淺部地層油氣資源（油氣資源埋藏深度小于 3 500 m）早已無法滿足國內能源需求[1]。目前，鉆探工作逐步向深部地層油氣資源投入。超深井、大位移井、復雜易垮井的鉆探工作給鉆井液技術帶來挑戰，要求鉆井液對易水化分散黏土礦物抑制性能強、濾失量小、潤滑系數低、護壁性能強。對比水基鉆井液，油基鉆井液易滿足上述要求[2]，但環境保護法律規范日益嚴格以及鉆采成本的考慮，限制了油基鉆井液的使用。水基鉆井液微生物分解程度高、生物毒性小，并具有低成本的優勢，使其在環保要求高的海域鉆井平臺使用。水基鉆井液主要成分為水，水分子易進入蒙脫石、伊利石晶層間，由于離子交換引起的雙電斥力使蒙脫石、伊利石間層擴大，改變井眼應力分布，易造成井壁失穩[3]，因此對水基鉆井液抑制劑性能要求高。有機硅抑制劑具有抑制性能強且環保無毒等優點[4]，備受學者們關注。筆者對有機硅抑制劑的研究進展、抑制機理以及現場應用進行綜述，為后期有機硅抑制劑發展提供參考。

1 有機硅抑制劑制備及作用機理

1.1 有機硅抑制劑制備

有機硅抑制劑通過硅烷偶聯劑改性胺類抑制劑制備而得，硅烷偶聯劑含有的 C=C 鍵易與乙烯基胺類單體發生共聚反應[5]，提高胺類抑制劑的高溫吸附性能，胺類抑制劑具有較強吸附的胺基，在水溶液中解釋放出有機陽離子，該陽離子（NH4+）與硅氧四面體片中的六方網格結構內切圓直徑接近，可鑲嵌于硅氧六元環中，使黏土晶層連接緊密[6]，上述結合力屬于靜電吸引力以及分子間作用力，受高溫影響較大。通過硅烷偶聯劑改性后，硅羥基與黏土晶層表面的羥基進行縮合反應，形成 Si—O—Si鍵，該化學鍵斷裂能壘高，在高溫條件下不易斷裂[7]。有機硅抑制劑常用的硅烷偶聯劑有乙烯基三甲氧基硅烷（A-171）、乙烯基三乙氧基硅烷（A-151）、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷（A-172）、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷（KH570）、氯丙基三乙氧基硅烷（KH-230）、 γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH-550）、乙烯基羥基硅油。胺基抑制劑常含有超支化聚乙烯亞胺、線性聚醚胺、多烯多胺，或含有胺基、季銨鹽離子的聚合物，以二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）、N-烯丙基鄰苯二甲酰亞胺（ANP）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）為單體。除此之外，甲基硅酸鉀、甲基硅酸鈉可單獨作為抑制劑，甲基硅酸根能吸附在黏土表面，對蒙脫石晶層水化過程起到明顯抑制[8]。

1.2 有機硅抑制劑作用機理

有機硅抑制劑含有Si—O—R鍵，在水溶液中水解成硅羥基，該基團可與黏土礦物表面的硅羥基發生縮聚反應，形成Si—O—Si鍵，該鍵能為 460 kJ·mol-1，使有機硅抑制劑分子可牢固地吸附在黏土表面，其吸附量遠高于其他抑制劑，并在高溫條件下形成疏水性膜，有效隔離水分子侵入黏土晶層[9]；分子中的胺基在水溶液中發生質子化作用，由于靜電吸引作用，在黏土表面形成雙電層，降低黏土Zeta電位，壓縮黏土層間距，抑制黏土層間鈉離子與水分子的自擴散運動，提高井壁的力學性能，避免改變井眼應力分布[10]。有機硅抑制劑分子包被黏土礦物，分子長鏈橋接黏土顆粒，使其團聚在一起，避免黏土在鉆井液中分散造成鉆井液性能惡化。

2 有機硅抑制劑研究進展與應用

2.1 有機硅抑制劑研究進展

有機硅抑制劑具有較強的穩定性，在高溫下有機硅官能團不易異化，在高鹽鈣環境下表現出優異的抑制性能，能穩定地吸附黏土表面，不易脫附，且加入鉆井液中對其流變性能、濾失量影響小，克服了聚胺抑制劑絮凝能力強而造成鉆井液濾失量大的問題[11]。近年來，有機硅抑制劑取得一定進展，羅霄[12]以DMDAAC、DMAA、KH570為原料制備抗高溫有機硅-胺類抑制劑PKDAS，該分子結構在高溫作用不易發生熱降解，在220 ℃高溫老化下，可有效抑制黏土晶層擴大，表現出抗高溫抑制性能。羅春芝[13]以乙烯基羥基硅油、二乙烯三胺為原料制備有機硅抑制劑，并通過氧乙烯基、氧丙烯基單體改性制備了聚有機硅胺強抑制劑LGA-1，該抑制劑不僅在高溫條件下對膨潤土的造漿抑制率高，還可有效保證鉆屑的完整性，對現場鉆井液性能的影響小。引入氧乙烯基、氧丙烯基單體使LGA-1具有非離子表面活性劑性能，使LGA-1抗鹽鈣性能增強。聚合物分子中含有氧丙烯基，使LGA-1具有消泡作用，很好地克服了常規抑制劑引起的起泡嚴重問題。楊浩瓏[14]采用AM、DMDAAC、A-151為原料合成抗高溫有機硅聚合物抑制劑PDDAS，該分子在高溫條件下可穩定吸附在膨潤土表面，并改變其疏水性能。該抑制劑在線性膨脹與熱滾回收實驗表現出的抑制性能均優于胺類抑制劑。褚奇[15]采用硅烷偶聯劑與硅烷線性聚醚胺或多烯多胺反應制備有機硅抑制劑，抑制劑分子中含有胺基、硅羥基在高溫下可通過化學、物理吸附作用抑制黏土水化分散。溫杰文[16]采用KH570、DMAA、ANP、DMDAAC為原料制備高聚物有機硅抑制劑，該分子鏈剛性強，在高溫下不易發生蜷曲，可有效吸附在黏土表面達到抑制黏土造漿的目的，并堵塞黏土滲流通道，抑制其體積膨脹。李東平[17]采用KH570、AM、DMDAAC、NVP為原料制備有機硅抑制劑，該分子不僅在高溫下表現出優異的抑制性能，且對泥頁巖表面發生化學、物理吸附，改變其疏水性，抑制泥頁巖水化分散，可阻緩鉆井液對井壁的壓力傳遞，起到穩定井壁作用。在鉆井液中該抑制劑與其他處理劑配伍性好。

2.2 鉆井液用有機硅抑制劑現場應用

有機硅鉆井液具有熱穩定性高、護壁性能強、毒性小、易生物降解等優點，尤其適用于深部地層油氣資源鉆探開發，成功應用于多個油田[18]。張店油田南150井地層膠結差，黏土礦物以蒙脫石、伊利石為主，分散造漿性能強，采用含胺基硅醇抑制劑的鉆井液，該體系抑制性能強。鉆井過程中，胺基硅醇抑制劑與其處理劑配伍性強，使井壁穩 定[19]。樁64-平1井水平段以泥頁巖為主，易發生坍塌掉塊，鉆進過程中采用胺基硅醇強抑制封堵防塌鉆井液體系，該體系膨潤土容量限高，可有效抑制泥頁巖水化膨脹，現場施工中未出現復雜情 況[20]。位于準噶爾盆地中部的董12井儲層埋藏深，儲層上部以泥巖為主，蒙脫石含量高，水敏性強。該地區前期多口井采用聚磺鉆井液體系，鉆進過程中導致井壁失穩等復雜情況，影響鉆井周期以及帶來重大的經濟損失。董12井二開和三開井段采用胺基硅醇強抑制鉆井液，鉆進過程中，對比鄰井鉆速明顯提高，施工過程中，井壁穩定，未發生明顯掉塊現象?？焖巽@井時，鉆井液性能穩定，有害固相可有效清除[21]。河南中牟區塊頁巖氣開發過程中，常出現縮徑、坍塌掉塊卡鉆現象，Z2 井為該區部署的一口探井，該井二疊系伊蒙混層、伊利石含量高，采用有機硅HAS抑制劑的鉆井液鉆進過程中，泥頁巖井段未出現井眼縮徑、鉆頭泥包現象，同時避免了井壁失穩現象的發生。與該地區鄰井相比，大大縮短了鉆井周期，有效地降低了井下復雜事故的發生，同時降低了鉆井成本，也符合環境保護要求[22]。董701井位于準噶爾盆地的一口評價井，該井油氣資源埋藏深，儲層溫度超過150 ℃，且井底發育高壓鹽水，對鉆井液抗鹽鈣侵污性能提出挑戰，同時八道灣組以泥巖為主，微裂縫發育，要求鉆井液的抑制性能以及封堵性能強。胺基硅醇防塌鉆井液應用于董701井三開井，鉆進過程中，有機硅抑制劑與該體系其他處理劑配伍性強，使濾失量變小，有效防止泥頁巖水化膨脹。三開時，鉆井液受鹽水侵污，但對鉆井液性能影響小，使鉆井液維護工作量降低，足以證明該體系性能穩定。施工過程中，未出現復雜事故，對比鄰井，機械鉆速提高，鉆井周期縮短，達到優質高效鉆井的目的，且該體系對儲層污染小[23]。

3 結束語

黏土礦物含量高的地層在高溫條件下，水分子與黏土晶層間陽離子的自擴散運動使黏土水化分散，影響井壁的力學性能以及鉆井液性能。有機硅抑制劑可通過化學吸附使抑制劑分子穩定地包被黏土表面，改變黏土表面疏水性能，達到抑制黏土水化分散。 有機硅抑制劑在高溫下有機硅官能團不易異化，在高鹽鈣環境下表現出優異的抑制性能，克服了聚胺抑制劑絮凝能力強而造成鉆井液濾失量大的問題。目前，有機硅抑制劑以及有機硅降濾失劑研究眾多，但有機硅聚合物同時具備抑制、降濾失的研究報道甚少，可從兩性離子聚合物降濾失劑上引入硅羥基，使有機硅聚合物同時具備抑制、降濾失功能。

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Research and Development of Organic Silicon Inhibitors in China

1,2,2,2

（1. China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China; 2. Jingzhou Jiahua Technology Co., Ltd., Jingzhou Hubei 434000, China）

In the drilling work of ultra-deep wells, extended-reach wells and complex easily caved wells, the high temperature resistance and inhibitions of water-based drilling fluid were challenged greatly for the strata with high clay mineral content. The self-diffusion movement of water molecules made clay hydrate and disperse, which affected the mechanical properties of borehole walls and the properties of drilling fluid. Silicone inhibitor contained silica hydroxyl group, which made it chemically adsorb with clay particles and have strong stability. It can effectively isolate water molecules from clay crystal layer and achieve the purpose of stabilizing well walls. In this paper, the inhibition mechanism, research progress and field application effect of organosilicon inhibitors for drilling fluid in recent years were reviewed, providing ideas for the development of organic silicon inhibitors.

Amine silanol; Silane coupling agent; Inhibition performance; Clay minerals

TE254

A

1004-0935（2022）02-0255-03

2021-08-08

張松林(1981-)，男，北京市人，中級經濟師，2005年畢業于長江大學地球科學學院地理信息系統專業，研究方向：石油天然氣行業管理和基礎研究。