鉆井液抗高溫降黏劑的研究進展

張恒，胡彩豐，熊金鳳

(1.中海油田服務股份有限公司新疆分公司，新疆 庫爾勒 841000；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

0 引言

進入21 世紀20 年代，盡管新能源發展迅猛，但石油天然氣資源仍然是人們生活中不可缺少的能源來源，扮演著至關重要的角色，同時還是國家戰略資源。為保障能源安全，國內油氣勘探開發進程日益加快，對深井復雜井的鉆探需求也逐年上升。而深井環境惡劣，如井底溫度高、井內壓力系統復雜、井下存在鹽膏層/ 高壓鹽水層等，井況極其復雜。鉆井液作為鉆井工程的“血液”起到平衡地層壓力、清潔井眼、冷卻潤滑鉆具、穩定井壁等作用，為應對深井高溫環境，必須具備耐高溫的能力。常用的鉆井液包括水基鉆井液和油基鉆井液，其中水基鉆井液大多含有膨潤土，受高溫分散影響，往往會造成黏度大幅上漲致使流變性惡化，從而影響高溫深井施工進度。而油基鉆井液通常具有比水基鉆井液更優秀的抗溫性，但隨著井底溫度壓力上升，在鉆井液密度和環境溫度逐漸升高的情況下，親水性的加重材料會極大影響油基鉆井液的流變穩定性；此外，在鉆遇高壓鹽水層時，鹽水的侵污也會造成油基鉆井液的黏度上漲。為解決高溫深井鉆井液存在的增稠問題，抗高溫降黏劑是關鍵。本文主要綜述了抗高溫降黏劑在水基鉆井液和油基鉆井液中的研究進展，以期為高溫復雜深井鉆井液的流變性調控提供技術參考。

1 抗高溫降黏劑在水基鉆井液中的研究進展

對于水基鉆井液，在深井鉆井過程中，高溫會導致膨潤土聚集或絮凝。而聚合物添加劑的功效之一就是通過吸附作用防止膨潤土出現聚集或絮凝趨勢，但在高溫下，聚合物鏈上吸附基團的水解或者鏈的斷裂、蜷縮等都會影響其對黏土的吸附效果。進而造成鉆井液流變性能惡化，出現鉆頭泥包、泵壓上升和機械鉆速下降等復雜現象。鉆井液流變性主要由表觀黏度，塑性黏度，動切力以及凝膠強度等參數來衡量。由于水基鉆井液，尤其是高溫水基鉆井液，對膨潤土的依賴性較強，為避免含土水基鉆井液流變參數上漲，降黏劑的作用很關鍵。水基鉆井液用降黏劑按材料類型可分為四大類，分別是天然產物降黏劑、天然產物衍生物降黏劑、合成有機物降黏劑和無機物降黏劑。其中天然產物降黏劑抗溫不足，而無機物降黏劑與鉆井液配伍性較差，天然產物衍生物降黏劑和合成有機物降黏劑因攜帶大量抗溫抗鹽基團而逐漸成為深井抗高溫降黏劑中的主流產品。

1.1 抗高溫天然產物衍生物降黏劑

常用于水基鉆井液的天然降黏材料主要包括木質素、腐殖酸和單寧酸，由于這些天然產物分子鏈上含大量活性基團，可進行化學改性來提高抗溫性，從而獲得抗溫抗鹽能力，以提高適用范圍。

張民[1]以木質素磺酸鈣為原料，通過丙烯酰胺單體進行化學接枝，然后陽離子化后得到兩親木質素衍生物降黏劑ALSGC。實驗分析表明，ALSGC 抗溫超過180 ℃，同時具有較強的抗鹽抗鈣能力。僅0.3%的加量下，其在鹽水基漿、含鈣基漿和聚合物基漿中的降黏率分別達到85.76%、70.66% 和55.2%，降黏效果顯著。陳珍喜等[2]以造紙廢液(含木質素) 為原料，通過磺化單體和磷酸三丁酯進行改性制備得到復合改性木質素類降黏劑。實驗分析表明，該降黏劑抗溫達到180 ℃，在0.5% 加量下，其在淡水基漿中的降黏率達到了96.7%。此外，王光平等[3]采用木質素磺酸鈣為原料，通過接枝改性引入耐溫抗鹽單體、丙烯酰胺和丙烯酸，利用水溶液聚合法制備得到改性木質素磺酸鹽類降黏劑。實驗評價表明，該降黏劑加量為1.5%時，淡水基漿經180 ℃老化后的降黏率仍達到40%以上，具有較好的抗溫效果。除木質素改性材料外，腐殖酸和單寧酸改性材料也是抗高溫天然產物衍生物降黏劑的主要來源。孟繁奇等[4]以腐殖酸為主要原料，聚丙烯腈為輔助原料，采用乙酸鋅和尿素作為交聯劑進行化學改性制備得到改性腐殖酸類降黏劑。實驗分析表明，該降黏劑加量為0.8%時，淡水基漿經150 ℃老化后的降黏率達到86.5%，降黏效果明顯，且具有一定抗溫效果。龐少聰等[5]以磺化單寧為原料，通過接枝2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸單體制備得到一種抗高溫單寧酸衍生物降黏劑。實驗評價表明，該降黏劑抗溫達180 ℃，在高密度鉆井液中的降黏率達33.3%。

綜上所述，磺化改性或者引入含磺酸基團的單體是天然產物降黏劑提高耐溫抗鹽能力的最常用方法，也是效果最佳的方法，通常能將耐溫能力提高至180 ℃以上。其中磺酸基團具有強水化特性，去水化作用較弱，表現出優異的抗溫性能；同時磺酸基與陽離子能通過離子鍵結合獲得良好的抗鹽抗鈣效果；在降黏方面則主要通過配位鍵與黏土顆粒中的鋁離子結合，從而拆散黏土顆粒間的網絡鏈接，進而起到降黏作用。

1.2 抗高溫人工合成有機物降黏劑

天然產物衍生物降黏劑一般歸類為分散型降黏劑，而人工合成有機物降黏劑在作用機理上有些不同，通常屬于聚合物型降黏劑。合成有機土降黏劑的性能與合成單體的選擇密切相關，常用的單體包括陰離子單體(如丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉等羧酸單體和磺酸單體)、非離子單體(如丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、苯乙烯等)和陽離子單體(如甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨)，以二元、三元和四元共聚物為主[6]。

夏凱等[7]以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和馬來酸酐為原料合成了一種二元共聚物，再復配表面改性劑得到一種抗高溫降黏劑。200 ℃老化條件下，添加該降黏劑的泥漿降黏率達到36.2%，具有一定抗溫降黏效果。王飛龍等[8]以苯乙烯和馬來酸酐為原料，通過合成條件優選制備了二元共聚物，再通過磺化改性得到一種抗高溫低分子聚合物降黏劑SSMA。熱重分析實驗表明SSMA 在氮氣氛圍中熱穩定性超過289 ℃，鉆井液降黏率達到90%以上。趙曉非等[9]以馬來酸酐、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和丙烯磺酸鈉為原料合成制備了一種抗高溫三元共聚物降黏劑。實驗結果表明，該降黏劑能有效降低淡水基漿的表觀黏度，僅0.5% 的加量，其在常溫下的表觀黏度降低率達80.2%，經240 ℃老化后表觀黏度降低率仍高達65%，抗溫降黏效果顯著。張太亮等[10]以丙烯酰胺、衣康酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為原料合成制備了抗高溫三元共聚物降黏劑(AAI)。實驗分析表明，AAI 抗溫達到220 ℃，僅0.3%的加量，其在淡水基漿和聚合物基漿中老化前的降黏率分別達到94.4%和90.4%，經220 ℃老化后的降黏率仍超過50%，顯示出優良的抗溫降黏性能。明顯森等[11]以丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸鈉為原料合成制備了抗高溫三元共聚物降黏劑。實驗結果顯示，在淡水基漿中僅添加0.4% 該降黏劑，其降黏率就高達94.92%；經220 ℃老化后，降黏率保留率高達87.49%，抗溫降黏效果顯著。賈敏等[12]以丙烯酸、不飽和脂、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甲基二烯丙基氯化銨為原料，合成制備了抗高溫低分子四元共聚物降黏劑HTP-2。實驗評價表明，HTP-2 的抗溫高達240 ℃，在該溫度下，淡水基漿和復合鹽水基漿中僅添加0.3%HTP-2 就能獲得72.98% 和71.43% 的降黏率。郝彬彬等[13]以甲基丙烯酰胺異丙基磺酸鈉、N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為原料，合成了一種兩性離子抗高溫聚合物降黏劑HF-2。實驗結果顯示，在200 ℃的老化溫度下，HTHP 鉆井液中僅添加0.5%的HF-2 就能獲得42.3%的降黏率，表現出良好的抗溫降黏效果。

綜上所述，人工合成有機物降黏劑基本都含有強陰離子基團，且分子量設計偏低。這是由于低分子量的陰離子型聚合物可有效利用氫鍵搶占黏土顆粒上的吸附位點，從而置換原先吸附在其上的高分子量聚合物，進而削弱黏土顆粒與高分子量聚合物之間的網絡結構[14]。同時，低聚物降黏劑還能通過與鉆井液中的高聚物分子進行交聯，從而阻止高聚物與黏土相互作用，進而降低鉆井液黏切。而對于兩性離子型聚合物降黏劑，其中的陽離子基團還能中和黏土表面負電荷，形成離子吸附，配合陰離子基團的氫鍵吸附效果更佳[15]。此外，為提高抗溫性，引入磺酸基團是抗高溫合成有機物降黏劑的共同點，不同于天然產物磺化改性受天然產物主鏈影響，合成有機物具有更高的抗溫性。

2 抗高溫降黏劑在油基鉆井液中的研究進展

對于油基鉆井液，深井鉆井過程中導致其增稠的外界因素與水基鉆井液類似，包括高溫、高礦化度和高固含等，而內在因素則與水基鉆井液存在一定區別。目前常用的油基鉆井液屬于油包水乳狀液，乳狀液的穩定性直接關系到油基鉆井液的流變性、電穩定性和濾失等性能。高溫環境對乳狀液影響極大，一方面會加速分子的布朗運動，從而降低乳狀液穩定性；另一方面，高溫會破壞表面活性材料的親水親油基團分布，影響其在油水界面的吸附效果。而鹽水的侵入則直接導致油水比下降，從而破壞了原本的油水界面平衡，導致乳狀液破乳增稠；其中的高濃度鹽也會影響表面活性材料的性能[16]。此外，外來固相大多親水，在表面活性材料的作用下才得以均勻分散在油包水乳狀液中，若是固相含量超過一定限制，則會聚集造成油基鉆井液增稠。為解決上述問題，借鑒水基降黏劑作用機理，油基降黏劑早期也多采用天然產物衍生物材料，只是相當于水基做了親油改性。后期也逐漸發展為合成有機物材料，如油酸酰胺類等。

用于油基天然產物衍生物降黏劑的原料多為腐殖酸、植物提取多酚和植物油酸。趙澤[17]以腐殖酸為原料，采用有機胺對其進行親油改性，制備獲得一種油基鉆井液用抗高溫改性腐殖酸材料FLA180。實驗評價表明，FLA180 抗溫達到180 ℃，且具有良好的降濾失特性，還兼具一定的降黏性能。在密度為2.0 g/cm3的油基鉆井液中添加5% 的FLA180 可分別將表觀黏度、塑性黏度和動切力降低35.7%、23.2% 和60.0%。渠震龍[18]以納米活性炭為原料，復配基油、乳化劑和潤濕劑，制備得到一種油基鉆井液用絮凝型降黏劑。實驗結果表明，3%該降黏劑可將油基鉆井液漏斗黏度、塑性黏度、動切力和凝膠強度分別降低44.3%、37.9%、31.3% 和40.0%。胡潤濤[19]以植物提取多酚為原料，采用多胺改性劑對其進行化學修飾，得到多種類型降黏劑。其中以改性磺化橡椀栲膠效果最佳，相比空白油基鉆井液，添加有1.5%(質量分數)該橡椀栲膠類降黏劑的鉆井液，在232 ℃下靜置72 h 后的表觀黏度、塑性黏度和動切力分別下降40.5%、22.5%和100%，結構幾乎被完全拆散，降黏效果顯著。彭碧強等[20]以棕櫚油酸為原料，引入酰胺基團和長碳鏈，制備獲得了一種油基鉆井液用降黏劑MOVRM。實驗評價表明，MOVRM 對油基鉆井現場黏稠老漿具有良好的降黏效果，當添加量為3% 時，老漿塑性黏度和動切力降低率分別為31.7%和63.6%。

不同于合成水基降黏劑，油基合成降黏劑的原料除酰胺和酸類化合物外，還增加了醇、醚、酯類等化合物。楊振周等[21]以脂肪酸、基油、聚胺、馬來酸酐、油醇、醇銨等原料合成制備了三種油基鉆井液用抗高溫降黏劑(降黏劑A、降黏劑B 和降黏劑C)。實驗測試表明，對于低密度固相造成的油基鉆井液增稠，降黏劑A 和C 對其有良好的降黏效果。而對于高密度固相(如加重劑) 引起的油基鉆井液增稠，降黏劑B表現得更為出色。梁文利等[22]將合成多胺基雙子表面活性劑、瀝青分散劑和合成多點吸附表面活性劑按2∶1∶1 的質量比進行復配得到油基降黏劑SSC-OXS。實驗分析表明，對于現場油基老漿，SSC-OXS 具有一定降黏效果。油基老漿在150 ℃老化后明顯增稠，表觀黏度從66.5 mPa·s 上漲至96.5 mPa·s，上漲率達45.1%；添加3%SSC-OXS 后，老化后的表觀黏度相比空白老漿降低了29.0%。明顯森等[23]采用芥酸酰胺、硬脂酸酰胺和月桂酰胺合成了油基降黏劑CQ-OTA。實驗評價顯示，對于固相含量高達45% 以上的現場油基老漿，1.5%CQ-OTA 表現出良好的降黏效果，老漿表觀黏度、塑性黏度、動切力和凝膠強度下降率分別達到25.2%、22.5%、40.6%和64.5%。

有關油基鉆井液用抗高溫降黏劑作用機理，不管是天然產物衍生物還是人工合成有機物，其共同點在于分子碳鏈較長以提高氫鍵形成能力和滲透性，進而疏松親油膠體的結構和親油膠體分子間的聚合力，以改善由親油膠體引起的黏度上漲問題；同時天然產物自帶的羧酸基團和合成有機物引入的羧酸基團能與親油膠體相結合，從而阻止過多的網絡結構形成。此外，還都引入了酰胺基團，用于提高潤濕性能，以改善高固相帶來的潤濕不足問題，進而達到降低高密度油基鉆井液黏切的目的。

3 結語

隨著深井鉆探需求的上升，高溫高密度鉆井液的使用頻次也逐年增加，對抗高溫降黏劑的需求量也越來越大。天然產物衍生物降黏劑由于原料獲取更為容易，相比人工合成有機物降黏劑在量產方面更具優勢。同時可以回收一部分造紙、林產等工業廢料進行再利用，對促進經濟可持續發展增添一份力量。但現階段研究和應用的天然產物衍生物降黏劑也存在很多不足之處，如抗溫性仍然與人工合成有機物存在一定差距，且使用劑量普遍較高，這在油基鉆井液中體現得比較明顯。

為助力深井大開發和經濟可持續發展，在高溫高密度鉆井液流型調控方面，未來應加大抗高溫降黏劑的研發力度，側重點如下：

(1)拓寬天然產物衍生物類降黏劑的原料來源，加快工業廢料的回收再利用。如從堅果殼(核桃、板栗、榛子等)和中藥渣(甘草等)中提取植物多酚進行化學改性。

(2)結合酰胺、羧酸、磺酸等活性基團抗溫降黏機理，進一步優化天然衍生物降黏劑的抗溫性能和降黏性能。

(3)優化合成有機物降黏劑的單體組成和工藝流程，盡可能降低生產成本，為抗溫降黏劑提供多元化選擇。