油基鉆井液用抗高溫樹脂類封堵劑的研制

＊程榮超 王建華 閆麗麗 張繼國 蘭笛 李穎穎

（1.中國石油集團工程技術研究院有限公司 北京 102206 2.中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井液公司 北京 100108）

引言

近年中國非常規油氣的開采力度不斷加大，隨之而來的是鉆井難度的不斷增大。針對此問題，由于油基鉆井液[1-2]具有相較于水基鉆井液更好的抑制和潤滑能力，導致其使用頻率逐漸增加。但是油基鉆井液通過微裂縫進入地層，液相壓力通過微裂縫傳遞會導致其井壁失穩。因此，提高油基鉆井液的封堵性能是解決油基鉆井液井壁失穩問題的關鍵途徑[3-4]。目前油基鉆井液封堵材料[5-6]主要有無機封堵劑如二氧化硅及其改性物[7]、超細碳酸鈣、氧化鐵類和鐵基/鈣基改性材料，和有機封堵劑[8-9]如交聯聚合物、鋁絡合物類[10]、瀝青類材料[11]居多。但無機封堵劑懸浮性差，剛性較強不易變形導致封堵性能較差；有機封堵劑在高溫條件下易分解導致封堵失效。而高分子樹脂類材料[12-13]作為油基鉆井液封堵劑還有待進一步研究，本文基于此研制出一種油基鉆井液用丙烯酸樹脂類封堵劑，能顯著提高油基鉆井液的封堵性，有望改善油基鉆井液的井壁失穩問題。

1.實驗部分

(1)實驗藥品與儀器

實驗藥品：苯乙烯（ST，純度大于99.0%）、甲基丙烯酸甲酯（MMA，純度99.0%）、丙烯酸十八酯（純度大于98.0%）、過硫酸鉀（K2S2O8，純度大于99.0%）、乳化劑OS（MS-1，純度40.0%）、三烯丙基異氰脲酸酯（TAIC，純度98.0%），所有鉆井液處理劑由長城鉆探鉆井液公司提供。

實驗儀器：傅立葉紅外光譜儀：IRTRacer-100，日本島津；六速旋轉黏度計：ZNN-6型，青島海通達；泥漿失水量測定儀：SD-3型，青島同春石油儀器有限公司；高溫高壓失水量測定儀：GGS71-B型，青島同春石油儀器有限公司；滾子加熱爐：BGRL-45型，青島同春石油儀器有限公司；破乳電壓測試儀：Fann23D，美國FANN；中壓砂床濾失儀：FA型，青島膠南分析儀器廠；高溫高壓動靜態封堵儀：HKY型，海安石油科研儀器有限公司。

(2)實驗方法

①封堵劑的制備

取100mL去離子水加入到燒杯中，向其中加入乳化劑OS 1g，在500r/min的攪拌速度下，將MMA 14g、丙烯酸十八酯3g、ST 30g、TAIC 0.08g加入到燒杯中，持續攪拌30min，形成穩定的水包油預乳液；將預乳液加入到四口燒瓶中，在80℃下油浴加熱，通入氮氣，升溫后滴加過硫酸鉀引發劑（單體總質量3%，溶于2.5mL去離子水中）在200r/min攪拌速度下反應4h；反應完成后，置于烘箱中在105℃下干燥24h，粉碎即得封堵劑產品。

圖1 封堵劑分子結構示意圖

②封堵劑的表征

將封堵劑樣品在105℃真空環境下烘干后研磨成粉末，使用IRTracer-100型紅外光譜儀，利用KBr壓片法在室溫下測量其FT-IR光譜，頻率范圍為500cm-1到4000cm-1，分辨率為4cm-1。

③油基鉆井液基漿的配制

首先配置質量分數為20%的CaCl2水溶液80mL，將320mL的5#白油置于高腳杯中，以6000r/min的轉速不斷攪拌的條件下，緩慢加入80mL之前配置好的CaCl2水溶液，隨后緩慢加入1.5%的主乳化劑和2%的輔乳化劑。10min后，按順序加入質量分數為3%的有機土和3%的CaO。隨后將攪拌轉速提高至9000r/min，持續攪拌30min，得到油水比為4:1的一份油基鉆井液基漿。

④封堵劑性能評價

中壓砂床實驗：按照實驗測試的相關要求，向配制好的油基鉆井液基漿中添加一定濃度的封堵劑，5000r/min轉速下攪拌20min制備成相應測試基漿，將需要測試的基漿加入至滾子加熱爐中在180℃/16h的老化條件下進行老化，得到老化后的相應測試基漿。取一定實驗要求目數范圍內的干燥石英砂，倒入至中壓砂床封堵儀的鋼化玻璃圓柱筒中至350mL刻度，多次敲打壓實后將測試基漿緩慢倒入至250mL刻度，加壓至0.7MPa后開始計時，30min時對測試基漿在砂床中的侵入深度和濾失量進行記錄。

高溫高壓靜態砂床封堵實驗：針對井下的復雜條件和油基鉆井液的施工要求，選用高溫高壓動靜態封堵儀模擬井下的漏失情況，選用一定目數范圍的干燥石英砂填入至仿真模型中，將安裝好的仿真模型接在測試釜體的下端，然后向釜體中加入老化后的含有不同濃度封堵劑的油基鉆井液基漿，按照操作說明書安裝和封死所有的實驗要求管線和閥門后，按下開始開關，同時點擊電腦上的實驗開始，按照實驗流程依次加壓并保持1MPa/10min的加壓速率，最后得到實驗結果。

⑤封堵劑對油基鉆井液基漿流變和濾失性能影響

取4份400mL油基基漿在7000r/min的轉速下，分別向其中加入0g、4g、8g、12g的封堵劑，充分攪拌40min。攪拌完成后，在常溫下使用六速旋轉粘度計和泥漿失水量測定儀測試鉆井液的流變和API濾失性能，記錄數據。

常溫流變和API濾失測試完成后，將剩余的鉆井液分別裝入老化罐中，在200℃/16h條件下滾動老化，結束后取出冷卻至常溫，在7000r/min的轉速下，攪拌40min，攪拌完成后使用六速旋轉粘度計、泥漿失水量測定儀和高溫高壓失水儀（200℃，壓差3.5MPa）測試老化后的流變、API濾失量和高溫高壓濾失量。

2.結果與討論

(1)封堵劑的結構表征

圖2為封堵劑的紅外光譜圖。694cm-1、758cm-1為單取代苯環C-H鍵的面外變形峰，1602cm-1為苯環C=C骨架的彎曲振動峰，表明苯乙烯參與反應；980cm-1為-COO-的面內變形峰，1197cm-1為-C-O-C-的伸縮振動峰，1373cm-1為-CH3的對稱變形振動峰，1450cm-1為-CH2-的彎曲振動峰，1728cm-1為C=O的伸縮振動峰，表明甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸十八酯參與反應；2931cm-1為主鏈-CH2-的不對稱伸縮振動伸縮振動峰，紅外譜圖顯示合成材料為目標產物。

圖2 封堵劑的紅外光譜圖

(2)性能評價

①中壓砂床封堵實驗

選用20-40目、40-60目和60-80目的石英砂，分別對加入質量分數為1%、2%和3%封堵劑的油基鉆井液劑將進行中壓砂床封堵實驗，實驗結果見圖3。由圖3分析可知，隨著砂床粒度的不斷降低，相同封堵劑加量下油基鉆井液對砂床的侵入深度不斷降低，說明封堵效果逐漸增強。合成的丙烯酸樹脂封堵劑對三種目數范圍砂床的侵入深度均較淺，說明封堵劑封堵效果良好且能夠適應一定范圍內的封堵尺度要求。同時，隨著封堵劑加量的上升，封堵效果逐漸增強，2%封堵劑加量的油基鉆井液與3%加量的情況時封堵效果相近，說明2%為封堵劑最優加量。

圖3 中壓砂床封堵實驗結果

②高溫高壓靜態砂床封堵實驗

高溫高壓動靜態封堵儀，選擇20-40目和40-60目的石英砂構建仿真模型且安裝好后，向測試釜體中加入180℃/16h老化后含有2%質量分數封堵劑的油基鉆井液基漿，按照實驗方案進行180℃高溫高壓靜態封堵實驗，得到相應的突破壓力和對應時間的漏失量如下表1。

表1 封堵劑承壓能力

由表1可知，兩種不同目數的砂床仿真模型中，2%加量的封堵劑的漏失量均在60g-70g左右，能夠有效地對不同目數范圍的砂床及進行封堵。同時發現，兩種仿真封堵模型突破壓力均為7MPa，說明承壓極限為6MPa。

(3)封堵劑對鉆井液性能的影響

不同濃度封堵劑對油基鉆井液基漿性能的影響如表2所示。由表2可見，200℃熱滾16h后，加入不同濃度封堵劑的油基鉆井液的粘度和動切力都有所增加，但是增量都比較小；破乳電壓基本沒發生變化，說明封堵劑可以有效的保持油基鉆井液的電穩定性。老化前油基鉆井液基漿的泥漿失水量（FLAPI）為6.4mL，當加入了1%封堵劑后，FLAPI減小到4.4mL，表明封堵劑具有優異的封堵性能；當封堵劑的加量為2%和3%時，FLAPI分別為2.4mL、2.2mL；加量為3%時，API濾失量與加量為2%時的濾失量相差較小，出于經濟性考慮，封堵劑的最優加量為2%；此外老化后，FLAPI都有所增大，但是變化量都很小，表明封堵劑具有優異的抗溫能力。

表2 封堵劑對鉆井液性能的影響

對老化后的基漿和含不同濃度封堵劑的油基鉆井液進行高溫高壓濾失量（200℃，壓差3.5MPa）測定，如圖4所示，可以很明顯的觀察到當封堵劑的加量為1%時，高溫高壓濾失量從14mL降到10.8mL，隨著封堵劑的濃度增加，濾失量進一步減小，表明封堵劑具有優異的抗溫、承壓和封堵性能。當加量大于2%時，高溫高壓濾失量變化量很小。

圖4 添加不同濃度封堵劑的油基鉆井液高溫高壓濾失量

3.結論

（1）采用乳液聚合法，以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸十八酯為單體，合成了一種丙烯酸樹脂類封堵劑。紅外光譜實驗表明單體之間進行了反應，合成材料為目標產物。

（2）中壓砂床封堵實驗和高溫高壓靜態砂床封堵實驗結果表明，合成的封堵劑對不同粒徑的砂床都具有優良的封堵效果，可有效降低濾失量，且承壓能力達6MPa。

（3）封堵劑對油基鉆井液的流變性能影響不大，在提高油基鉆井液電穩定性的同時，還顯著降低了濾失量。

（4）封堵劑具有優異的抗高溫能力，200℃老化后，仍具有較好的降濾失效果和封堵效果。