随着世界能源需求的增加和钻探技术的发展,钻井深度不断增加,钻遇地层越来越复杂,泥页岩失稳所导致的井壁稳定问题尤为突出,往往给安全、优质、快速、高效钻井带来很大困难,同时也对钻井液技术提出了更高的要求。近几年,美国页岩油的商业化开采,极大地促进了泥页岩地层钻井技术的发展。其中,开发出的高性能聚胺水基钻井液体系不但解决了泥页岩地层的安全钻进问题,也成功地用水基钻井液取代了造价高昂、污染严重的油基钻井液。对于高性能聚胺水基钻井液体系的开发其关键因素是页岩水化抑制剂的研究。开发出抑制性能优异的聚胺抑制剂并建立系统的分析聚胺抑制剂作用机理的方法对我国聚胺高性能水基钻井液的发展具有重要意义。本文以自制聚胺泥页岩抑制剂HGI为基础,探索优化室内合成路线,最终得出最佳单体主剂A、主剂B和助剂C的配比为:2~2.5:1:0.05,聚合温度为150-160℃,聚合时间为4.5-5.5h。将产物命名为聚胺-3抑制剂,并对其进行综合性能评价,揭示其抑制泥页岩水化作用机理。分子结构表征及抑制性实验表明,新研制的聚胺-3抑制性优于传统页岩水化抑制剂,低浓度下即能发挥长效抑制作用,为构建高性能水基钻井液体系奠定了重要的物质基础。借助新建立的机理分析体系:黏土晶层间距测试、恒温去离子水吸附、热失重分析,并结合红外光谱分析及Zeta电位测试等实验方法,在微观上揭示了聚胺-3抑制剂的作用机理:非离子型小分子聚胺-3抑制剂遇水产生部分质子化反应后带正电,依靠静电和氢键作用吸附于黏土负电表面,易交换出黏土层间水化阳离子,在去水化的同时减弱黏土表面间的静电斥力和表面水化膜斥力;聚胺分子中的质子化胺基同时多点单层吸附于黏土表面,有效束缚相邻黏土晶层形成紧密结构,阻止水进入黏土晶层中。因此聚胺-3通过抑制黏土表面水化,防止渗透水化的方式抑制黏土的水化分散;聚胺分子在黏土表面吸附牢固,抑制泥页岩水化效用可长期保持稳定。新研制的聚胺-3抑制剂作为主要处理剂,其抑制泥页岩水化效果与油基钻井液相当,通过热滚分散实验、线性膨胀测试、粒度分布实验及抑制膨润土造浆率实验等方法,证实聚胺-3是一种环境友好且抑制性能优良的聚胺抑制剂,并通过新建立的岩心抗压实验及膨润土薄片微观扫描实验从微观和宏观角度探索聚胺-3抑制剂对泥页岩力学性质的影响。成功进行了聚胺-3抑制剂的中试生产试验,中试结果表明,新研制的聚胺抑制剂抑制性能良好,生产工艺简单,产品稳定,为页岩气水平井的安全高效钻进提供了有力的技术保障。