無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液用降濾失劑的研究

田惠， 王野， 趙雷， 劉德慶， 李義強(qiáng)， 楊冀平

（1.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，河北任丘062552；2.渤海鉆探工程有限公司科技開(kāi)發(fā)處，天津300452；3.渤海鉆探庫(kù)爾勒分公司，新疆庫(kù)爾勒841000）

隨著勘探開(kāi)發(fā)向深部地層發(fā)展，鉆遇的復(fù)雜地層越來(lái)越多，中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司目前所服務(wù)的塔里木油田以及伊朗、伊拉克南部油田，深部地層中均存在巨厚石膏層、鹽膏層和高壓鹽水層。在該地層鉆進(jìn)時(shí)，易造成溶、塌、縮、卡、噴、漏等井下復(fù)雜情況。高密度飽和鹽水鉆井液由于具有較強(qiáng)的抗石膏和抗鹽污染能力、良好的流變性和高溫穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于該層位的鉆進(jìn)[1]。但現(xiàn)用高密度飽和鹽水鉆井液存在以下問(wèn)題。①膨潤(rùn)土作為黏度和濾失控制的基本功能材料，其亞微米顆粒對(duì)于常規(guī)鉆井液來(lái)說(shuō)能夠起到很好的作用，而對(duì)于高密度飽和鹽水鉆井液來(lái)說(shuō)，飽和鹽水的存在大大降低了膨潤(rùn)土的作用，使其失去了本來(lái)應(yīng)有的作用，而且土相的亞微米顆粒也會(huì)導(dǎo)致黏度的失控，堵塞、污染油氣儲(chǔ)層，起到負(fù)面作用[2]，因此無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液是解決該問(wèn)題的較好選擇。②目前國(guó)內(nèi)高密度飽和鹽水鉆井液體系普遍使用聚磺體系和磺化體系[3]，但實(shí)踐中存在的技術(shù)問(wèn)題主要有：許多處理劑需要在土相存在的情況下才能發(fā)揮較好作用；流變性未實(shí)現(xiàn)優(yōu)控，體系動(dòng)切力和靜切力偏高，普遍呈現(xiàn)強(qiáng)凝膠狀態(tài)；未能很好地解決井壁穩(wěn)定問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，迫切需要研制一種無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液體系，而兼顧高溫穩(wěn)定性強(qiáng)、濾失造壁性好、對(duì)固相懸浮效果好和可優(yōu)控流變性的降濾失劑又是該體系的重中之重。研制出一種無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液用降濾失劑BH-HSF，并對(duì)其性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要藥劑及儀器

淀粉、丙烯酰胺（AM）、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸（AMPS）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、衣康酸（IA）、有機(jī)硅單體均為工業(yè)級(jí)；氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氯化鎂、氫氧化鈉、四氫呋喃、無(wú)水乙醇均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水；重晶石（ρ=4.2 g/cm3，D=0.076 mm）；鐵礦粉（ρ=4.8 g/cm3，D=0.053 mm）；抗高溫降濾失劑Driscal D、頁(yè)巖抑制劑Soltex；低黏聚陰離子纖維素PAC-LV。

主要儀器：ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、SD-6型中壓濾失儀，青島海通達(dá)專(zhuān)用儀器有限公司；5軸高溫滾子加熱爐，美國(guó)OFI公司；高溫高壓濾失儀，美國(guó)Baroid公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 降濾失劑BH-HSF的制備

1）預(yù)膠化淀粉的制備。將一定量的水、淀粉、氫氧化鈉加入到反應(yīng)釜中，攪拌并升溫至一定溫度后，保溫1 h，制備預(yù)膠化淀粉。

2）改性淀粉的制備。繼續(xù)向含有預(yù)膠化淀粉混合溶液的反應(yīng)釜中加入AMPS和IA，通氮攪拌下升至一定溫度，加入引發(fā)劑，繼續(xù)保溫2～4 h，得到含有合成改性淀粉的混合溶液。

3）合成聚合物的制備。將一定量的水、四氫呋喃、AM和NVP加入另一反應(yīng)釜中，經(jīng)攪拌溶解后加入有機(jī)硅單體，通氮攪拌下升至一定溫度，加入引發(fā)劑，繼續(xù)保溫6～8 h，得到含有合成聚合物的混合溶液。

4）BH-HSF的制備。將含有合成改性淀粉和合成聚合物的兩種混合溶液以一定的質(zhì)量比混合并攪拌1 h，再用無(wú)水乙醇沉淀、洗滌、干燥、粉碎，即得降濾失劑BH-HSF。

1.2.2 無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液的配制

將降濾失劑加入350 mL飽和鹽水中，高速攪拌20 min，其間至少停兩次，以刮下容器壁上的黏附物；再加入903 g重晶石和70 g鐵礦粉，高速攪拌20 min，其間至少停2次，以刮下容器壁上的黏附物，在室溫下密閉養(yǎng)護(hù)24 h，即得無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液。

1.2.3 流變性及濾失性測(cè)試

參照中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5241—91《水基鉆井液降濾失劑評(píng)價(jià)程序》，用ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和SD-6型鉆井液中壓濾失儀分別測(cè)定實(shí)驗(yàn)漿老化前后的流變性能和濾失性能。

1.2.4 抗溫性評(píng)價(jià)

將實(shí)驗(yàn)漿轉(zhuǎn)入老化罐并置于滾子爐中，分別在120 ℃、150 ℃和180 ℃下滾動(dòng)16 h，冷卻后高速攪拌5 min，測(cè)定流變性能和濾失性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 降濾失劑BH-HSF的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

改性淀粉能降低飽和鹽水鉆井液的濾失量，且分子間的連接力很強(qiáng)，可吸附多個(gè)顆粒形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[4]。控制聚合物分子大小在膠體顆粒的范圍內(nèi)，并引入合適比例的礦化基團(tuán)和水化基團(tuán)，可使聚合物在鉆井液中形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并可在泥餅表面形成較好的水化膜，降低濾失量[5]。結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)，將兩者在液體狀態(tài)下攪拌混合，即可形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)[6-7]（見(jiàn)圖1）。該互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)是兩種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在液體狀態(tài)下相互纏結(jié)而形成的一個(gè)整體，不易解脫，這是固態(tài)物質(zhì)混合后所不能達(dá)到的效果。該結(jié)構(gòu)不僅能懸浮大量加重材料，而且其上的官能團(tuán)比例合適，使產(chǎn)品耐溫耐鹽能力強(qiáng)，符合無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液的應(yīng)用要求。

圖1 改性淀粉與聚合物形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)

基于以上原理，BH-HSF的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則有如下幾點(diǎn)：①淀粉分子中含有大量的醇羥基，通過(guò)改性引入強(qiáng)吸水性的親水基團(tuán)后，可使它成為良好的降濾失劑；②由有機(jī)硅單體合成的聚合物，側(cè)鏈含有的Si— OH鍵易與加重材料上的Si— OH鍵縮聚成Si— O— Si鍵，形成牢固的化學(xué)吸附層，形成布滿(mǎn)整個(gè)體系的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[8]；③側(cè)鏈上引入、— COO-水化基團(tuán)，通過(guò)水化作用使加重材料表面的水化膜變厚，從而阻止加重材料顆粒之間因碰撞而聚結(jié)成大顆粒，提高了重晶石顆粒的聚結(jié)穩(wěn)定性，保證了鉆井液中含有足夠的細(xì)顆粒，以形成致密的濾餅，減小濾失量。

2.2 改性淀粉與聚合物配比對(duì)BH-HSF性能的影響

將改性淀粉與聚合物按不同質(zhì)量比制成的降濾失劑BH-HSF分別以4%的加量配制成無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液，測(cè)定150 ℃老化16 h前后的流變性能及濾失性能，并靜置16 h后觀察硬沉情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1知，加入BH-HSF后，無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液在150 ℃老化16 h前后的API濾失量均小于3.0 mL，說(shuō)明BH-HSF的降濾失效果明顯；老化前后，體系的黏度、切力及API濾失量變化量均較小，靜置后也未出現(xiàn)硬沉現(xiàn)象，說(shuō)明BH-HSF在150 ℃的熱穩(wěn)定性強(qiáng)，且對(duì)加重材料的懸浮能力強(qiáng)，這也從側(cè)面證明了BH-HSF在鉆井液中可形成“互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)”猜想的正確性；加入BH-HSF后，鉆井液體系的黏度、切力隨著改性淀粉和聚合物質(zhì)量比的變化而變化，隨著改性淀粉質(zhì)量比的增加，鉆井液體系的動(dòng)切力和靜切力逐漸減小，體系由強(qiáng)凝膠狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為弱凝膠狀態(tài)。特別是當(dāng)改性淀粉與聚合物質(zhì)量比為7∶3時(shí)，鉆井液體系的黏度、動(dòng)切力、靜切力均達(dá)到較理想的范圍，呈弱凝膠狀態(tài)，流變性實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，可克服當(dāng)前所用體系呈強(qiáng)凝膠狀態(tài)、流變性?xún)?yōu)控不能解決的問(wèn)題。因此，選定改性淀粉與聚合物的質(zhì)量比為 7∶3。

表1 改性淀粉和聚合物質(zhì)量比對(duì)鉆井液性能的影響

2.3 BH-HSF加量對(duì)鉆井液的性能影響

改變BH-HSF的加量，考察其對(duì)鉆井液體系性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 BH-HSF加量對(duì)鉆井液性能的影響

由表2可知，隨著B(niǎo)H-HSF加量的增大，鉆井液體系的黏度、切力上升，API濾失量減小，當(dāng)BH-HSF加量為2%～3%時(shí)，鉆井液體系的API濾失量在3～4 mL，相對(duì)偏大；而當(dāng)BH-HSF加量為5%時(shí)，雖然API濾失量下降較多，但體系的黏度、切力增加幅度較大，特別是動(dòng)切力和靜切力較大，體系呈強(qiáng)凝膠狀態(tài)，不利于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。所以綜合分析，推薦BH-HSF的加量為4%。

2.4 BH-HSF抗溫性能

將加有4%BH-HSF的無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液分別在不同溫度老化16 h，冷卻后高速攪拌5 min，測(cè)定流變性能和濾失性能，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，加入BH-HSF的鉆井液，在120 ℃和150 ℃老化16 h后，體系的黏度、切力及API濾失量變化不大，說(shuō)明BH-HSF在該溫度下熱穩(wěn)定性強(qiáng)，但當(dāng)溫度升高至180℃后，體系的黏度、切力明顯下降，API濾失量增加，說(shuō)明在該溫度下有部分分子鏈斷裂，對(duì)鉆井液的作用效能被破壞甚至部分失效，所以BH-HSF的抗溫為150 ℃。

表3 降濾失劑BH-HSF的抗溫能力

2.5 與同類(lèi)產(chǎn)品性能對(duì)比

HT-Starch是伊朗N.I.S.O.C.公司現(xiàn)用無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液降濾失劑。由于性能要求比較苛刻，目前國(guó)內(nèi)外還未有替代產(chǎn)品。將BH-HSF和HT-Starch分別按照伊朗N.I.S.O.C.公司的測(cè)試程序進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，加入BH-HSF的鉆井液在150 ℃老化4 h、150 ℃老化4 h再靜置養(yǎng)護(hù)3 h及受地層水污染后，體系的黏度、切力及API濾失量均未發(fā)生較大變化，且無(wú)硬沉產(chǎn)生，說(shuō)明BH-HSF在150℃時(shí)熱穩(wěn)定性強(qiáng)，且抗鹽污染能力和對(duì)加重材料懸浮能力強(qiáng)；而加入HTStarch的鉆井液經(jīng)150 ℃老化后，體系的黏度、切力的變化幅度大于加入BH-HSF的鉆井液，特別是有硬沉產(chǎn)生，說(shuō)明HT-Starcn高溫穩(wěn)定性、抗鹽污染能力及對(duì)加重材料的懸浮能力不如BH-HSF；加入地層水后，鉆井液基液體積約402.5 mL，按上表數(shù)據(jù)計(jì)算，BH-HSF抗Ca、Mg達(dá)4000 mg/L，滿(mǎn)足石膏層、鹽膏層和高壓鹽水層的抗鹽要求。

表4 加入地層水前后不同降濾失劑在鉆井液中的性能

2.6 與其他鉆井液處理劑的配伍性

中國(guó)石油長(zhǎng)城鉆探工程有限公司在伊朗某油田采用無(wú)土相淀粉聚合物飽和鹽水鉆井液，改善了鉆井液的流變性，減緩了地層鈣離子對(duì)鉆井液性能的影響，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[9]。該體系的配方為：400 mL水+0.2%NaOH+25%NaCl+5%改性淀粉+0.5%泥頁(yè)巖抑制劑K-inhib+0.4%流型調(diào)節(jié)劑PAC-LV+1.5%抗高溫降濾失劑SPF-2+500 g重晶石+300 g 鐵礦粉。

該配方中，以改性淀粉和抗高溫降濾失劑SPF-2作為復(fù)合降濾失劑。參照該配方，以4%BH-HSF替代4%改性淀粉。由于室內(nèi)缺少抗高溫降濾失劑SPF-2和泥頁(yè)巖抑制劑K-inhib，分別用同類(lèi)產(chǎn)品Driscal D、Soltex替代。考慮到Driscal D的增黏效應(yīng)，將其用量由1.5%調(diào)整為0.5%。對(duì)所形成的無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并與原文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，以BH-HSF為主降濾失劑的無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液，在150 ℃老化16 h前后，體系的黏度、切力及API濾失量均未出現(xiàn)較大變化，且靜置后無(wú)硬沉產(chǎn)生，說(shuō)明BH-HSF與其他鉆井液處理的配伍性與協(xié)同作用良好；與長(zhǎng)城鉆探的配方相比，加入BH-HSF的鉆井液黏度、API濾失量略偏高，但動(dòng)切力和靜切力偏低，體系呈弱凝膠狀態(tài)，可克服強(qiáng)凝膠狀態(tài)流變性?xún)?yōu)控不能解決的缺點(diǎn)，更適用于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

表5 BH-HSF與其他鉆井液處理劑的配伍性

3 結(jié)論

1. 研制出無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液用降濾失劑BH-HSF，該降濾失劑抗溫可達(dá)150 ℃，抗Ca、Mg可達(dá)4000 mg/L，API濾失量低于4.0 mL，對(duì)加重材料的懸浮能力強(qiáng)，靜置無(wú)硬沉，并可優(yōu)化體系流變性，克服現(xiàn)用鉆井液流變性?xún)?yōu)控不能解決的缺點(diǎn)。

2. 與伊朗N.I.S.O.C.公司現(xiàn)用國(guó)際先進(jìn)的無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液降濾失劑HT-Starch相比，BH-HSF熱穩(wěn)定性、抗鹽污染能力和對(duì)加重材料懸浮能力均較強(qiáng)，符合伊朗N.I.S.O.C.公司使用要求，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。

3. BH-HSF在無(wú)土相高密度飽和鹽水鉆井液體系中與其他處理劑配伍性良好，協(xié)同作用良好。