一種簡單高效水基鉆井液的研究

賴全勇，諶鵬飛

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北燕郊 065201）

在各種水基鉆井液體系中，KCl/PLUS 體系是世界范圍內廣泛使用的一種鉆井液，它應用了K+的防塌抑制和水解聚丙烯酰胺的絮凝包被作用，是一種抑制很強的不分散低固相聚合物體系[1-2]。然而，在實際運用中，體系包含的材料種類也較多，大概有10 種處理劑，現場使用和維護較為繁瑣。近年來，隨著技術的發展，鉆井液追求越來越簡單化、環保化和高效化，類如國外油服巨頭MI SWACO 開發的高性能水基鉆井液體系Veratherm，就一個核心處理劑Veravis[3]。而在國內，也有專家提出鉆井液技術要達到的水平之一就是處理劑的多功能化和鉆井液體系方便化[4-5]，但國內開展的研究相關報道較少[6-7]。本文嘗試開發一種環保多功能處理劑，并基于其構建一種簡單高效鉆井液體系展開研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑：淀粉ST-Ⅲ（工業級）；包被抑制劑SiP（自制）；增黏提切劑XC（工業級）；磺化瀝青封堵劑LSF（工業級）；氯化鉀（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氫氧化鈉（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；純堿（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

主要儀器：九陽磨粉機；OFI800 流變儀；OFI 常溫中壓濾失儀；OFI 五軸滾子爐；WT-2000A 變頻高速攪拌器。

1.2 多功能處理劑的制備

包被抑制劑SiP 的制備：它基于某有機硅抑制劑，與較低相對分子質量陰離子聚丙烯酰胺聚合物按一定比例共混，制備的一種新型包被抑制劑，它結合了有機硅抑制劑和聚丙烯酰胺聚合物二者的性能，具有良好的抑制性能、有一定的增黏降濾失能力。

多功能處理劑的制備：多功能處理劑采用集成型技術方法，一層一層優選，一級一級復配，實現最終抑制、降濾失、增黏的統一；具體是在6 份包被抑制劑SiP的基礎之上，復配6 份淀粉ST-Ⅲ和1 份增黏提切劑XC，在九陽磨粉機高速剪切攪拌下，得到了一種均一的灰白色多功能處理劑。該處理劑同時兼具增黏提切、包被抑制以及降濾失作用。

1.3 生物毒性評價

根據國標GB 18420.1—2009《海洋石油勘探開發污染物生物毒性》和GBT 18420.2—2009《海洋石油勘探開發污染物生物毒性》，以鹵蟲為實驗材料，檢測制備的多功能處理劑的生物毒性。

1.4 單劑性能評價

往400 mL 蒸餾水中加入16.00 g 氯化鈉，1.20 g碳酸氫鈉，攪拌溶解后加入40.00 g API 標準評價土，在11 000 r/min 條件下高速攪拌15 min，然后靜置24 h作為基漿。最后將制備的多功能處理劑加入基漿中，經WT-2000A 變頻高速攪拌器攪拌后，依據國家標準GB/T 16783 1—2006《石油天然氣工業 鉆井液現場測試》的方法測試并計算表觀黏度（AV，mPa·s）、塑性黏度（PV，mPa·s）、動切力（YP，Pa），并用OFI 常溫中壓濾失儀測定API 濾失量（FL，mL）。

滾動回收率測定采用模擬鉆屑HolePlug 進行，稱取25.00 g HolePlug 加入實驗用漿，經80 ℃熱滾16 h后用40 目篩網收集HolePlug，烘干后稱質量，并與初始加入質量相比，其值作為滾動回收率。

1.5 體系構建研究

以多功能處理劑為核心，構建一套無土的新型鉆井液體系，基本配方見表1，并對體系性能進行綜合評價研究。

2 結果與討論

2.1 包被抑制劑SiP 的制備

為了確定最佳的有機硅抑制劑和陰離子聚丙烯酰胺聚合物的原材料配比，進行了系列單因素實驗，以HolePlug 滾動回收率作為指標進行優化，實驗結果見圖1。由圖1 可以看出，有機硅抑制劑與聚丙烯酰胺聚合物比值介于10∶2 與10∶3 之間都有較好的效果，因此使用10∶2 比例復配得到最終的包被抑制劑SiP。

圖1 包被抑制劑SiP 組分比例對滾動回收率的影響

2.2 多功能處理劑性能評價

2.2.1 生物毒性評價 嚴格按照國標中規定的檢驗方法對多功能處理劑的生物毒性進行檢測，實驗結果見表2。多功能處理劑對鹵蟲96 h LC50 約為40 000 mg/L，大于一級海區的生物毒性容許值，是一種環保性能較高的產品。

表2 多功能處理劑的生物毒性

2.2.2 單劑性能評價 在基漿中加入1.0%的樣品，按照1.4 的實驗方法進行測試，性能見表3。由表3 可以看出，制備的多功能處理劑具有優異的提切性能，能夠提高鉆井液的懸浮性和攜砂性。具有優秀的降濾失性能，能有效降低濾失，同時1.0%加量下即具有較高鉆屑的滾動回收率，說明該新型多功能處理劑具有良好的包被抑制性能，可以有效包被黏土和鉆屑，防止固相污染。產品各方面性能達到預期。

表3 多功能處理劑基本性能

2.3 新型鉆井液體系研究

以多功能處理劑作為核心功能性鉆井液添加劑，搭配海水基液、無機鹽KCl、瀝青封堵劑LSF、加重劑重晶石等構建了一套新型鉆井液體系。

2.3.1 流變及濾失性能評價 改變多功能處理劑加量，考察其加量對體系性能的影響，結果見表4。由表4可以看出，多功能處理劑在加量為2.5%時，新型鉆井液體系的API 濾失量可控制在5.3 mL，YP 為14 Pa。另外，僅通過多功能處理劑的加量就可以獲得符合作業需求的黏度、動切力和濾失量。

表4 多功能處理劑加量對新型鉆井液體系性能的影響

2.3.2 抑制性能評價

2.3.2.1 抗鉆屑侵入 在多功能處理劑加量為2.5%的情況下，實驗選用標準污染土RevDust，依次按0、5%、10%、15%的量加入鉆屑粉，性能見圖2。由圖2 可以看出，當鉆屑粉加量為10%時，體系仍然具有較好的流型及濾失，體現了較強的抗鉆屑污染能力。

圖2 新型鉆井液體系抗污染土實驗

2.3.2.2 滾動回收率 在多功能處理劑加量為2.5%的情況下，采用滾動回收率評價體系的抑制性，并用3.0%KCl 鹽水作為對照組，實驗選用HolePlug 鉆屑，實驗結果見圖3。

圖3 新型鉆井液體系鉆屑滾動回收率實驗

由圖3 可以看出，3.0%KCl 鹽水的滾動回收率僅為5.16%，而在多功能處理劑加量為2.5%時，新型鉆井液體系的滾動回收率可以達到86.45%，性能良好。熱滾前后鉆屑形貌對比見圖4，在新型鉆井液體系熱滾后，鉆屑仍然保持了較高的完整度。

圖4 鉆屑在新型鉆井液體系熱滾前后形貌對比

2.4 抗污染性能

現場作業中，水泥會污染鉆井液，對體系的流變、失水及pH 值等產生影響，所以考察了CaCl2加量對體系性能的影響，實驗結果見圖5。由圖5 可以看出，CaCl2加量至2.0%時，新型鉆井液體系性能變化很小，動切力及API 失水沒有明顯變化，說明新體系的抗鈣離子污染能力較強。

圖5 新型鉆井液體系抗水泥污染能力實驗

3 與KCl/PLUS 體系對比研究

KCl/PLUS 標準配方如下：海水基液+2.0%～3.0%膨潤土+0.6%PF-PAC LV+0.2%PF-PAC HV+0.3%PFXC+2.0%VIF+0.5%PF-PLH+5.0%KCl+2.0%PF-LSF+2.0%EZCARB+2.0%PF-LUBE+重晶石，該體系是海洋鉆井中常用的KCl/PLUS 體系，材料種類十余種，而本文研究的新型鉆井液體系配方為海水基液+2.5%多功能處理劑+3.0%KCl+2.0%PF-LSF+重晶石，材料種類才5 種。此外，功能材料累計總加量也更少，除去封堵劑和潤滑劑，功能性聚合物處理劑加量才2.5%，低于KCl/PLUS 體系的3.6%，是一種簡單高效的鉆井液體系。

4 結論

（1）制備了一種新型環保多功能處理劑，該處理劑兼具環保、包被抑制、增黏提切、降濾失等功能。

（2）新型環保多功能處理劑，搭配海水基液、氯化鉀、封堵劑、加重劑等構建了一套新型鉆井液體系，性能優良。

（3）與KCl/PLUS 體系對比，新型簡單高效鉆井液體系種類少，加量也更少。