環境友好型無鉻高溫高壓水基鉆井液的應用研究

20世紀七、八十年代，鉻木質素磺酸鹽由于具有良好的熱穩定性、能夠平衡控制鉆井液高溫高壓濾失量和流變性并有效防止高溫膠凝而成為高溫水基鉆井液的常用處理劑[1，2]。然而，隨著環保要求的日益嚴格，含鉻鉆井液處理費用增加，人們開始尋求與鉻木質素磺酸鹽性質相似、環境友好的無鉻處理劑。一種方法是使木質素磺酸鹽與非鉻金屬離子絡合；另一種方法是用新型無鉻合成聚合物作為鉻木質素磺酸鹽的替代品[3]。盡管無鉻處理劑的研究已取得一定進展，但面臨的最大挑戰仍是如何合成聚合物，使之實現平衡控制鉆井液高溫高壓濾失量和流變性能且對環境友好。

作者在此對添加不同新型無鉻合成聚合物的6種高溫高壓水基鉆井液體系進行了性能對比，并介紹了基于新型無鉻合成聚合物的高溫高壓水基鉆井液體系的現場應用。

1 實驗

1.1 材料與儀器

鉆井液用膨潤土，重晶石，有機胺，甲酸酯，除氧劑，鉆井液用濾紙(φ90 mm、φ63.5 mm)。

Fann-35型粘度計，Hamilton型混頻攪拌器，71型高溫高壓失水儀，API失水儀，XGRL-2型數顯式磙子加熱爐，電子天平。

1.2 新型無鉻合成聚合物(表1)

表1 新型無鉻合成聚合物

1.3 高溫高壓水基鉆井液的配制

準確量取6份590 mL自來水(80℃)，倒入編號1#～6#的1 L鉆井液杯中，然后按表2準確稱取處理劑并逐次加入鉆井液杯中，每加一種處理劑后勻速攪拌30 min；鉆井液配制完畢后靜置24 h，備用。其中1#、2#、6#添加有機胺作穩定劑；2#～6#添加甲酸酯作分散劑。

1.4 高溫高壓水基鉆井液性能測試

將鉆井液于230℃滾動老化16 h后，按GB/T 16783-1997水基鉆井液現場測試程序測定鉆井液老化后流變性及高溫高壓濾失量；按API標準測試鉆井液老化后的靜態剪切強度[4]。

2 結果與討論

鉆井液經230℃滾動老化16 h后的性能見表3。

表2 新型無鉻合成聚合物高溫高壓水基鉆井液配方/g

表3 6種鉆井液經230℃滾動老化16 h后的性能

由表3可知，1#鉆井液的塑性粘度滿足要求，動切力 、高溫高壓濾失量大，表明高濃度聚合物(A+B)使鉆井液結構增強，但并未降低鉆井液高溫高壓濾失量；2#鉆井液的高溫高壓濾失量滿足要求，但塑性粘度、動切力過大，鉆井液流變性不好；3#鉆井液的各項性能均滿足要求，表明添加聚合物D的高溫高壓水基鉆井液性能優良；4#鉆井液的動切力滿足要求，但塑性粘度過大；5#鉆井液的塑性粘度高達70 cP·s，同時高溫高壓濾失量偏大；6#鉆井液的塑性粘度高于上限值，但動切力、靜態剪切強度和高溫高壓濾失量滿足要求，表明聚合物H也能較好地控制鉆井液高溫高壓濾失量和流變性；1#鉆井液老化后靜切力明顯高于2#～6#鉆井液，表明甲酸酯作分散劑，可防止鉆井液高溫膠凝。

對比分析可知：(1)添加聚合物D的3#鉆井液具有最佳的塑性粘度、動切力、靜態剪切強度和高溫高壓濾失量。添加聚合物H的6#鉆井液性能僅次于3#鉆井液。(2)鉆井液老化后的靜態剪切強度反映鉆井液高溫膠凝程度，其值越大，則高溫膠凝程度越嚴重，鉆井液3#、6#的靜態剪切強度最低，表明丙烯酰胺、磺化單體、乙烯噻吩三元共聚物D能很好地控制高溫高壓水基鉆井液的流變性能和濾失量，并有效防止鉆井液高溫膠凝，是高溫高壓水基鉆井液的首選處理劑。

3 現場應用

3.1 現場技術要求

將基于新型無鉻聚合物開發的環境友好型高溫高壓水基鉆井液分別用于南美、東非及東歐地區的3口井。現場應用中對鉆井液有如下要求：(1)深部高溫地層需具有良好的熱穩定性、流變性和低的濾失量。(2)東非近岸淺水域嚴禁使用重晶石等黑色粉末，鉆井液需保證低固相含量。(3)為維持鉆井液性能穩定，需有效防止鉆井液二氧化碳和硫化氫中毒。

3.2 現場技術措施

現場采取了以下3項技術措施，使高溫高壓水基鉆井液保持了良好的性能(表4)。(1)南美、東非地區基于3#鉆井液，通過添加聚合物D維持較低的高溫高壓濾失量，防止濾液進入地層，對地層傷害輕。通過添加分散劑使動切力維持在10 Pa以內，防止了高溫膠凝。尤其東非地區通過聚合物D與流變性調節劑協同作用實現了平衡控制高溫流變性和高溫高壓濾失量， 使經 230℃老化48 h后鉆井液高溫高壓濾失量仍

表4 高溫高壓水基鉆井液經200℃/230℃老化16 h后的性能

滿足要求(低于35 mL)。(2)東歐地區通過添加聚合物C、I與流變性調節劑協同作用，使塑性粘度始終控制在40 cP·s以內，維持了良好的鉆井液流變性，同時通過添加酚醛樹脂分散劑將動切力控制在9 Pa以內，防止了高溫膠凝。鉆至200℃高溫層時，通過調節重晶石加量使鉆井液密度由2.0 g·cm-3成功增至2.3 g·cm-3，而對流變性無影響。(3)以4～6 g·L-1的加量加入生石灰和H2S吸收劑，有效防止鉆井液CO2和H2S中毒。

3.3 現場應用效果

(1)基于新型無鉻合成聚合物開發的環境友好型高溫高壓水基鉆井液在南美、東非及東歐地區的應用是成功的。合成聚合物與分散劑協同作用，有效控制鉆井液粘度和高溫高壓濾失量；酚醛樹脂用于防止鉆井液高溫膠凝和調節鉆井液高溫高壓濾失量；濾餅填充劑用于降低濾餅滲透率和厚度。

(2)該鉆井液配方具有很好的靈活性，通過調節聚合物、分散劑、酚醛樹脂、流變性調節劑及濾餅填充劑5大處理劑的加量，可使鉆井液滿足不同技術要求。因此可用于開發適用于不同要求的高溫高壓水基鉆井液體系。

(3)該鉆井液完鉆的井，環境污染輕，滿足環境友好型要求。

4 結論

(1)丙烯酰胺、磺化單體、乙烯噻吩三元共聚物D能很好地控制鉆井液的流變性和高溫高壓濾失量，并有效防止鉆井液高溫膠凝，是高溫高壓水基鉆井液的首選處理劑。

(2)現場應用結果表明，基于新型無鉻合成聚合物的高溫高壓水基鉆井液配方具有良好的靈活性，可用于開發適用于不同要求的環境友好型高溫高壓水基鉆井液體系。

參考文獻：

[1] 鄢捷年.鉆井液工藝學[M].東營:石油大學出版社,2001：224-228.

[2] 黃漢仁.泥漿工藝原理[M].北京：石油工業出版社,1998：195-197，200-202.

[3] Marin J,Shah F,Serrano M,et al.First deepwater well successfully drilled in Colombia with a high-performance water-based fluid[C].SPE 120 768,SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference,Cartagen,Colombia,2009.

[4] 李公讓,趙懷珍，薛玉志，等.超高密度高溫鉆井液流變性影響因素研究[J].鉆井液與完井液,2009,26(1):12-14.