NASIRI Alireza，NIK Mohammad Amin Sharif，HEIDARI Hamidreza，VALIZADEH Majid

（1. Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran; 2. School of Mining Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran; 3. Department of Chemical and Petroleum Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran）

0 引言

要確保鉆井作業(yè)成功就要選擇適當?shù)你@井液，作業(yè)中使用的鉆井液的組成根據(jù)具體情況和需求確定[1]。聚合物是鉆井液的添加劑之一，特殊的特性使它們成為鉆井液不可或缺的組分。由于在水中的溶解度較高，淀粉是廣泛應用于鉆井工業(yè)中的天然聚合物。淀粉的主要作用是減少失水。此外，淀粉在水中會發(fā)生膨脹，能夠提高流體的黏度。淀粉的主要缺點之一是在高溫高壓條件下會失效。相關學者已經(jīng)就改善淀粉熱穩(wěn)定性進行了許多研究[2]。ZHANG C G[3-4]首次使用預膠化淀粉作為添加劑來改善鉆井液流變性能。WURZBURG O B[5]研究利用醚化淀粉來提高鉆井液中淀粉的溶解度和鉆井液黏度。LIU X等[6-8]研究了通過增加支鏈淀粉的含量來提高淀粉熱穩(wěn)定性[6-8]。由于越來越多鉆進深度較深、壓力和溫度較高的油藏得到開采[9]，需要進一步提高鉆井液中淀粉的熱穩(wěn)定性。因此，本文嘗試通過添加新型添加劑單乙醇胺（MEA）來提高水基鉆井液體系中淀粉的熱穩(wěn)定性，并進行室內(nèi)實驗研究。

1 實驗介紹

1.1 單乙醇胺制備

圖1 利用甲烷和空氣制備單乙醇胺的過程[10]

單乙醇胺是液氨與環(huán)氧乙烷反應產(chǎn)生的物質（見圖 1）。反應過程中需要 5～7 MPa的系統(tǒng)壓力來保持氨以液體形式存在。氨分別與1個、2個或3個環(huán)氧乙烷分子反應，生成單乙醇胺、二乙醇胺（DEA）和三乙醇胺（TEA）。氨與環(huán)氧乙烷的比例對反應產(chǎn)物起決定性作用，增加氨的占比會產(chǎn)生更多的MEA。反應結束后，從系統(tǒng)中除去過量的氨并蒸餾出水分。之后，如圖2所示，3種乙醇胺通過3個單獨的蒸餾步驟彼此分離[10-12]。單乙醇胺樣品如圖3所示。

圖2 MEA蒸餾提純步驟[10]

圖3 單乙醇胺樣品

1.2 鉆井液濾失速率測量

使用API壓濾裝置[13]確定鉆井液的濾失速率，即在室溫、0.69 MPa壓力下測量30 min內(nèi)鉆井液液相從標準濾紙通過的速度以及濾紙上泥餅的厚度。

1.3 淀粉結構

淀粉主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉這兩種聚合物組成。占比約為 25%的直鏈淀粉具有線性網(wǎng)絡，如果在水中溶解會使流體凝膠化。占比約為 75%的支鏈淀粉具有分支形式網(wǎng)絡，不容易使流體凝膠化。通常，淀粉不能在低于94 ℃的溫度下改善鉆井液流變性，因為這是溶解淀粉顆粒和分離聚合物所需的最低溫度。實驗表明，淀粉可以在121 ℃下保持其結構完整性。在更高溫度下，直鏈淀粉和支鏈淀粉單體間的鍵斷裂并轉化成吡喃葡萄糖（C6H10O5）單體[2,14]，淀粉失效。

1.4 鉆井液樣品組成

在制備不同鉆井液樣品時均使用 350 mL濃度為4%的NaCl鹽水，均添加697.6 g重晶石用于提高鉆井液密度（密度均為2.16 g/cm3），均添加14 g淀粉用于改進鉆井液的流變參數(shù)和降低鉆井液的濾失速率，溶解時間為20 min。不同鉆井液樣品中MEA濃度分別為0、0.5%、1.0%、2.0%和4.0%。

2 實驗結果及討論

2.1 MEA對鉆井液流變性能和濾失速率的影響

賓漢塑性流變模型中的動切力和塑性黏度是衡量流體壓力損失的有效參數(shù)，也是研究環(huán)空流體流動特性的合適指標，如果其值較低會降低鉆井液的攜屑能力和環(huán)空中鉆井液的性能。由圖4可知，在溫度為121、149和160 ℃時，隨著MEA濃度的增加塑性黏度先增加后降低，而在 177 ℃時則相反。這表明 MEA能夠將淀粉的耐溫提高到160 ℃，顯著改善淀粉的熱穩(wěn)定性，且MEA最佳濃度為2%。由圖5可知，不含MEA的鉆井液只能在 121 ℃以下保持其性能，溫度升至149 ℃時鉆井液動切力降為零。這說明不添加MEA時淀粉只能在低于121 ℃的溫度下發(fā)揮其功效。而添加MEA后鉆井液的動切力提高。

圖4 不同MEA濃度和溫度條件下的塑性黏度

由圖6可知，總體上表觀黏度隨著MEA濃度的增加而增加，且MEA最佳濃度為2%。

靜切力用于表征鉆井液形成凝膠的能力，反映了其懸浮能力。由圖7和圖8可知，添加MEA后鉆井液的初切和終切均增加。

圖5 不同MEA濃度和溫度條件下的動切力

圖6 不同MEA濃度和溫度條件下的表觀黏度

圖7 不同MEA濃度和溫度條件下的初切

圖8 不同MEA濃度和溫度條件下的終切

考慮到鉆井液 pH值較低會導致管道和鉆井設備的腐蝕并增加鉆井液黏度，為保證鉆井作業(yè)成功，有必要監(jiān)測鉆井液pH值。由于MEA被認為是胺基的弱堿，所以會將鉆井液pH值提高到9～10。圖9顯示，增加 MEA濃度會使鉆井液 pH值增加，溫度高于160 ℃后MEA的功效減弱。

圖9 不同MEA濃度和溫度條件下的pH值

鉆井液的濾失速率是鉆井液性能的另一個關鍵參數(shù)。濾失速率大會增加泥餅的厚度，可能會影響鉆井作業(yè)，甚至會導致卡鉆。如圖 10所示，不添加 MEA時，淀粉只能在不超過121 ℃的條件下控制濾失速率，在較高溫度下則失效。而添加 MEA后，在 160 ℃時鉆井液濾失量也顯著降低，且MEA濃度為2%時效果最好。由圖11可知，與不添加MEA時相比，添加2%的MEA后泥餅厚度顯著減小。

圖10 不同MEA濃度和溫度條件下的濾失量

圖11 160 ℃下不含和含MEA鉆井液的濾失量及泥餅厚度

2.2 高溫對含MEA鉆井液黏度的影響

為了研究高溫對含MEA鉆井液黏度的影響，使用了一種高溫高壓裝置——Fann 50黏度計測定黏度。實驗中壓力為1 MPa，恒定轉速150 r/min，溫度在1 h內(nèi)從24 ℃升至160 ℃。如圖12所示，在溫度升高到54 ℃的過程中，含不同濃度MEA的鉆井液黏度都有所降低。隨著溫度繼續(xù)升高，淀粉完全溶解在水中，因此鉆井液黏度顯著增加。與不含 MEA的鉆井液相比，MEA的存在不僅增加了鉆井液黏度，還增加了水中淀粉反應的速度。隨著溫度進一步升高，將破壞淀粉與MEA之間的單體鍵，導致鉆井液黏度下降，但與不含MEA時相比，含MEA鉆井液黏度下降更緩慢。在160 ℃條件下，含 MEA鉆井液的黏度最低降低到 49 mPa·s，而不含MEA鉆井液的黏度降至20 mPa·s。因此，MEA可以提高淀粉在較高溫度下的熱穩(wěn)定性。這可能是由于MEA屬于胺，羥基官能團產(chǎn)生氫鍵并與聚合物鏈交聯(lián)，能夠在高溫下強化聚合物并避免其被破壞。此外，MEA濃度為1%～2%時，鉆井液具有較高的最大黏度，在溫度較高時黏度值仍較高，且下降緩慢。

圖12 不同MEA濃度和溫度條件下的鉆井液黏度

2.3 討論

實驗研究表明，MEA對提高淀粉的熱穩(wěn)定性具有重要作用。在含淀粉的鉆井液中，淀粉結構中的 OH基團與周圍的水分子形成氫鍵，防止聚合物單體的斷裂并增加了淀粉的熱穩(wěn)定性。在高于121 ℃的溫度下，因為聚合物單體在較高溫度下失去強度，鉆井液將失去其穩(wěn)定性且流變性能變差。而MEA具有兩種類型的氫鍵：N—H和O—H。與高負電荷的氧、氮原子共價鍵合的氫原子可獲得強正電荷，從而產(chǎn)生高強度氫鍵。添加MEA后，構建了淀粉聚合物現(xiàn)有OH基團與水分子之間的氫鍵，從而加強了淀粉聚合物附近的氫鍵，提高其熱穩(wěn)定性。MEA具有三維氫鍵結構，因此添加MEA后可以形成淀粉聚合物三維網(wǎng)絡，從而增加鉆井液黏度。如圖4—圖10所示，在MEA濃度為4%時，鉆井液的流變性能變差、濾失速率增大?？赡苁且驗镸EA的主要作用機理是改善和加強淀粉聚合物周圍的氫鍵網(wǎng)絡，但是其濃度增加至一定值后不僅不會改善氫鍵結構，反而會分解氫鍵并降低淀粉熱穩(wěn)定性。

3 結論

單乙醇胺可用作水基鉆井液的新型添加劑以提高淀粉的熱穩(wěn)定性。由于與淀粉形成氫鍵，單乙醇胺可以提高淀粉的熱穩(wěn)定性，并防止其在較高溫度下被破壞。實驗結果表明，添加單乙醇胺可以改善鉆井液的流變參數(shù)（包括表觀黏度、塑性黏度、動切力、靜切力等），顯著減小鉆井液的濾失速率和泥餅厚度，還能將淀粉的耐溫提高至160 ℃。對于本文所使用的鉆井液樣品，單乙醇胺的最佳濃度為1%～2%。

[1]AL-MALKI N, POURAFSHARY P, AL-HADRAMI H, 等. 采用海泡石納米顆粒控制膨潤土基鉆井液性能[J]. 石油勘探與開發(fā),2016, 43(4): 656-661.AL-MALKI N, POURAFSHARY P, AL-HADRAMI H, et al. Controlling bentonite-based drilling mud properties using sepiolite nanoparticles[J].Petroleum Exploration and Development, 2016, 43(4): 656-661.

[2]THOMAS D C. Thermal stability of starch and carboxymethyl cellulose-based polymers used in drilling fluids[J]. SPE Journal,1982, 22(2): 171-180.

[3]ZHANG C G. Preparation of pregelatinized starch for oilfield drilling[J]. Petroleum Drilling Techniques, 1986, 14(2): 25-29.

[4]ZHANG C G. Properties of pregelatinized starch for oilfield drilling[J]. Petroleum Drilling Techniques, 1986, 14(3): 44-47.

[5]WURZBURG O B. Modified starches: Properties and uses[M]. Boca Raton: CRC Press, 1986.

[6]LIU X, WANG Y, YU L, et al. Thermal degradation and stability of starch under different processing conditions[J]. Starch-St?rke, 2013,65(1/2): 48-60.

[7]WARD I, CHAPMAN J W, WILLIAMSON R. New viscosifier for water based muds based on a genetically modified starch[R]. SPE 50723-MS, 1999.

[8]ISMAIL I, IDRIS A K. The prospect of utilising local starches as fluid loss control agents in the petroleum industry[C]//Proceedings of Regional Symposium on Chemical Engineering. Johor, Malaysia: UTM, 1997.

[9]OGUGBUE C E, RATHAN M P, SHAH S N. Experimental investigation of biopolymer and surfactant based fluid blends as reservoir drill-in fluids[R]. SPE 128839-MS, 2010.

[10]LUIS P. Use of monoethanolamine (MEA) for CO2capture in a global scenario: Consequences and alternatives[J]. Desalination, 2016, 380: 93-99.

[11]PREVENTION I P. Control reference document on best available techniques for the manufacture of organic fine chemicals: Ammonia,acids and fertilisers[R]. Seville: European IPPC Bureau, 2007.

[12]BARA J E. What chemicals will we need to capture CO2?[J].Greenhouse Gases Science & Technology, 2012, 2(3): 162-171.

[13]JAIN R, MAHTO V. Evaluation of polyacrylamide/clay composite as a potential drilling fluid additive in inhibitive water based drilling fluid system[J]. Journal of Petroleum Science & Engineering, 2015, 133: 612-621.

[14]HYLKE S, GERHARD S, ALI G. Role of starch in designing nondamaging completion and drilling fluids[R]. SPE 73768-MS, 2002.