鉆井液用降粘劑研究進展

劉 音，李風光，蔡景超，常 青，于富美，袁 青

（中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院，天津 300457）

伴隨油氣資源的不斷開發，鉆井遇地層條件日益復雜，對鉆井液工藝技術提出了更高的要求，尤其針對深井用高固相含量的鉆井液，綜合解決鉆井液的流變性、抗溫、抗鹽等之間的矛盾非常困難[1]。因此，研究新型的抗高溫鉆井液體系已成為當今鉆井液技術的關鍵。鉆井液的流變性調整主要是調整鉆井液的表觀粘度、靜切力、動切力等，而鉆井過程中，鉆井液的粘度、切力過大或過小都是保證鉆井液優良性能的關鍵因素。當鉆井液粘度和切力過大時，會使鉆井液流動阻力過大，能耗過高，此時可能會引起鉆頭泥包、卡鉆、鉆屑在地面不易除去，甚至會嚴重影響轉速；而當鉆井液粘度和切力過小時，會影響鉆井液攜巖和井壁的穩定性[2]。

在鉆井液體系中通過調整固相含量來調整鉆井液的粘度和切力，在調整固含量的基礎上，還可用流變性調節劑來調整鉆井液的粘度和切力。降粘劑是鉆井過程中不可缺少的鉆井液處理劑，它可以起到降粘、調節鉆井液流變性等作用，對維護鉆井液的性能穩定、保護油氣層起著重要的作用，是鉆井過程中不可缺少的核心處理劑[3]。本文綜述了三類鉆井液用降粘劑的基本組成和性能，并討論了鉆井液用降粘劑的未來發展趨勢。

1 鉆井液用降粘劑產品

目前，針對國內在進行鉆井施工時所添加的降粘劑產品，有研究用改性單寧、改性木質素磺酸鹽、烯類單體聚合物等產品來調整鉆井液的表觀粘度和切力，不但能夠起到降粘作用，還能有效調節鉆井液的流變特性。

1.1 改性單寧

改性單寧是通過其結構中的羥基與粘土表面的羥基形成氫鍵而吸附在粘土顆粒表面，其極性基團-SO3Na、-COONa 在水中電離，形成的擴散雙電層能提高粘土顆粒表面的電負性，并增加水化層厚度，起降低粘度和切力的作用。改性單寧中的一種栲膠堿液適合做鉆井液中的降粘劑。

卿鵬程[4]將栲膠與磺酸鹽木質素在甲醛作用下聚合，再與鐵離子絡合得到降粘劑，研究表明，該降粘劑具有良好的降粘特性，同時具有良好的耐溫性，150 ℃下，降粘劑能有效地控制鉆井液的稠化。范洪富[5]以栲膠和腐殖酸為原料，通過磺甲基化和絡合反應，得到降粘劑HKSF，其降粘能力優于鐵鉻木質素磺酸鹽，另外，該產品具有良好的抗鹽、耐溫能力。王傳富等[6]將改性單寧化學改性后，加入磷化合物和乙烯基單體，引發制備黑色降粘劑SY-1，將其與鐵鉻木質素磺酸鹽比較得知，當加量僅為鐵鉻木質素磺酸鹽量1/3 時，在淡水泥漿中的降粘效果達91 %，現已在勝利油田成功施工井次20 余口，且該產品耐溫可達160 ℃。

1.2 改性木質素磺酸鹽

木質素磺酸鹽是亞硫酸鹽造紙法中產生的副產物，它能與鐵、鉻等三價金屬離子配位，生成改性木質素磺酸鹽，并通過氫鍵吸附在粘土顆粒表面，可提高粘土顆粒表面的負電性，將粘土顆粒形成的結構拆散，從而起到了降低鉆井液體系粘度和切力的作用。

近年來，科研人員考慮到鐵鉻木質素磺酸鹽中的鉻離子對環境存在污染問題，研制出一系列的不含鉻木質素磺酸鹽[7-8]。張黎明等[9]利用木質素磺酸鹽與栲膠接枝共聚后，引入Fe2+絡合得到LGV 降粘劑。研究中發現，引入的Fe2+有助于增強LGV 在粘土上的吸附能力，而通過增大栲膠的加入量，粘土上的吸附量不斷提高，說明栲膠的引入有助于加強LGV 在粘土上的吸附能力，二者的水化耐鹽性能和抑制熱降解功能共同協調起到體系降粘作用。

木質素磺酸鹽分子中含有甲氧基、雙鍵、醚鍵、羥基等多個官能團，在一定條件下，可以與乙烯類單體、陰、陽離子、金屬離子等發生改性反應。尉小明等[10]將木質素磺酸鹽接枝丙烯類單體丙烯酰胺、馬來酸酐，得到的共聚物熱穩定性良好，且降粘、降濾失效果良好，在加量0.5%時，表觀粘度下降50%，濾失量下降51%，動、靜切力大幅度下降，是一種良好的鉆井液用降粘劑。楊碧如等[11]在木質素磺酸鹽結構中引入陰離子、陽離子基團，用其提高降粘性和抑制性，由于陰離子基團能增加產品的水化能力，因此調節鉆井液流型起到顯著效果；而陽離子能增強產品的抑制性能。該產品適用于聚合物、聚磺和分散性鉆井液體系。

1.3 烯類單體低聚物

烯類單體低聚物通過氫鍵吸附在粘土顆粒的羥基表面，其極性基團通過增加粘土顆粒表面的負電性和水化層厚度，拆散粘土顆粒聯結所產生的結構，起降粘度和切力的作用。另外，對于由高聚物配制的鉆井液，低聚物還可以通過競爭使吸附在粘土表面的聚合物解吸下來，破壞粘土與聚合物組成的結構，起降低粘度和切力的作用[12]。

徐燕莉[13-14]以丙烯酸、丙烯酰胺、二烯丙基二甲基氯化銨（DMDAAC）為原料，通過自由基聚合反應，得到降粘劑AMTA，它表現出良好的降粘效果，很容易吸附在粘土表面，飽和吸附量達50 mg/g，當添加量為0.1 %時，該降粘劑在粘土泥漿和聚合物泥漿中的降粘率分別為90 %和60 %，另外，AMTA 具有一定的抗高溫性能，150 ℃下熱滾老化16 h，流變性保持良好。Hale 等[15]將苯乙烯磺酸鈉和順丁烯二酸酐反應，得到共聚物SSMA，經測試其相對分子質量在5 000 左右，該烯類單體低聚物作為鉆井液用降粘劑，能起到改性單寧和木質素磺酸鹽所達不到的降低粘度和切力的作用。曹曉春等[16]用丙烯酸、丙烯酰胺和DMDAAC 共聚，制備陽離子聚合物降粘劑DSAA，經研究表明，加量0.1 %的DSAA 在淡水泥漿中的降粘率達到84 %，在4 %的鹽水泥漿中降粘率達到60 %，且抗鈣污染性能良好。王中華[17-18]通過優化實驗條件，制備AA/AMPS 共聚物，用其作為鉆井液降粘劑具有較高的降粘效果，且具有良好的抗溫、抗鹽、抗高價金屬離子污染的能力。

目前，聚合物鉆井液在現場應用過程中暴露出一些問題，如在強造漿泥頁巖地層時，鉆井液的粘度和切力上升快、抑制性不夠強、鉆井液的靜結構力強、形成的泥餅質量差等問題。針對該類需要，劉平德等[19]將聚合物分子結構進行修飾，將陽離子、非離子基團引入到聚合物中得到兩性離子聚合物，它不但表現出較好的流變性、較強的抑制性，且鉆井液濾失性也得到調節，當加量為0.2 %時，XY-27 降粘劑可有效降低水眼粘度，解決了體系聚合物濃度增加與降粘效果之間的矛盾。針對鐵鉻木質素磺酸鹽降粘劑中存在有害的鉻離子，且加入體系產生大量泡沫等問題，楊光勝等[20]研制了一種含陰離子、季銨鹽陽離子為吸附基團的低分子聚合物降粘劑，依靠多個陰離子基團來拆散鉆井液中的網狀結構，研究表明，復合離子型降粘劑PX 在聚合物鉆井液、高密度鉆井液和膨潤土漿中降粘效果良好，一般加量為0.1 %左右，表明了PX 是調整聚合物鉆井液流變性有效的降粘劑之一。尉小明等[21]將烯類單體與木質素磺酸鹽接枝共聚，得到烯類單體聚合物后，絡合金屬離子，合成降粘劑MGBM-1，它具有良好的降粘效果，當加量為0.5 %時，表觀粘度下降50 %，動切力、靜切力下降80 %以上，還具有一定的降濾失作用，將其與傳統的鐵鉻木質素磺酸鹽（FCLS）比較，抗鹽、耐溫能力均高于FCLS。

此外，對由聚合物配得的鉆井液，低聚物還可通過競爭吸附使吸附在粘土表面的聚合物解析下來，破壞粘土和聚合物組成的結構，起降低粘度和切力的作用。因此，烯類單體低聚物是特別適用的降粘劑，能起到改性單寧和改性木質素所起不到的降低粘度和切力的作用。

2 結論

伴隨國內油田的進一步開發，常規的降粘劑已不能滿足油田開發的需要，因此，研究高效實用、價格低廉的降粘劑產品，實現經濟與環境友好雙贏，已成為適應深部油氣層鉆探的必然趨勢。近年來國內研究了抗高溫、高壓的鉆井液用降粘劑-含硅、氟基團的降粘劑，它具有降粘效果好、抗溫、抗鹽性能好、用量少等優點。本院致力于設計新型的含硅、氟元素的抗高溫降粘劑，將其引入新的修飾基團，接枝共聚后能提高聚合物的抗高溫性能，現正努力使已完成的研究成果向生產力方面轉化。用該產品作為新型降粘劑添加到抗高溫、高壓的鉆井液體系中，其應用效果必然會越來越受到關注。

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