抗高温水基钻井液研究现状.pdf

第 4 5 卷第 3期 2 0 1 6年 3月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e m i c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 5 ． N O ． 3 M a r c h ．2 01 6 抗高温水基钻井液研究现状 李佳欣 ，杨双春 ，潘 一 ，张金辉 ，刘荣全 ，王 松 I ．辽宁石油化工大学 ，辽宁 抚顺 I 1 3 0 0 1 ； 2 ．中国邮政集团公司辽宁省分公 司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 6 摘 要 井下复杂的地层状况 如高温 决定 了钻井的深度， 水基钻井液是钻井液的一种， 钻井液处理剂的 优化对深井的开采意义尤其重大，处理剂耐高温的性质往往决定钻探是否成功。论述了水基钻井液中处理剂耐 高温性的研究现状 ，对耐高温水基钻井液中试剂进行比较和评价 ，并指明了今后的研究方向。 关键词抗高温 ；水基钻井液 ；降粘剂；降滤失剂；抗盐 中图分类号T E 3 5 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 60 3 0 6 3 0 0 3 Re s e a r c h Pr o g r e s s o f Hi g h T e mp e r a t u r e Re s i s t a n c e W a t e r - b a s e d Dr i l l i n g F l u i d LIJ i a - xi n1 ，Y A NG S h u a n g c h u n , P A N I T, Z HA NG J i n h u i l , L I UR o n g - q u a n ， W A NG S o n g 1 ． L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， Ch i n a ； 2 ． Li a o n i n g Br a n c h o f Ch ina P o s t ， Li a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e c o mp l e x c o n d i t i o n s o f d o wn ho l e d e c i d e t h e d e p t h o f t h e d r i l l i n g ． Wa t e r - b a s e d d r i l l i n g fl u i d i S a n i mp o r t a n t k i n d o f d r i l l i n g fl u i d ． I t s t r e a t i n g a g e n t i s t h e k e y t o the e x p l o i t a t i o n o f d e e p we l l ，a n d h i g h t e mp e r a t ur e r e s i s t a n c e o f t h e t r e a t i n g a g e n t i s v e r y i mp o r t a n t ．I n t h i s p a p e r ,t h e c u r r e n t s t a t u s a n d p r o g r e s s o f h i g h t e mp e r a tur e r e s i s t a n c e r e s e a r c h o f t h e t r e a t i n g a g e n t we r e d i s c u s s e d ，a n d s o me s u g g e s t i o n s a b o u t t h e f u tur e r e s e a r c h we r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s Hi g h t e mp e r a t u r e r e s i s t a n c e ；Wa t e r - b a s e d fl u i d；Vi s c o s i ty a g e n t ；F l u i d l o s s a g e n t ；Re s i s t a n c e t o s a l i n i t y 深井 的数量和深度 日益增加， 2 0 1 5年我国钻井深 度已达到了 8 0 3 8 m，而现在井深普遍超过6 0 0 0 m， 达到超深井的水平。普通钻井液试剂在8 0 0 0 m井下 的高温中变形， 无法达到耐高温的要求。因此水基钻 井液的耐高温性是国内外学者研究的主要方向之一 捌 。国内外进行抗高温钻井液处理剂的耐高温研究和 各试剂的配伍l生 实验早在上个世纪 7 0 年代就开始进 行。 本文即是对降粘剂等各类处理剂在水基钻井液中 的耐高温性的综述， 并对钻井液以后的研究方向提出 了建议，为有关人员的研究提供参考。 l 降粘剂 降粘剂分子局部与高分子化合物上的原子团 配位 ，阻止高分子化合物吸附黏土，从而控制其对 黏土的聚合作用，起到降低粘稠度的作用。耐高温 水基钻井液的流动性取决于降粘剂的效率，因此高 温下要保证降粘剂的活性， 国内外近几年研究较多。 艾关林 等对一种新研制出的高分子降粘剂 T H I N 进行了实验分析，得出了 T H I N能够约束黏土扩张 和离散，从而达到降粘的效果 ，实验测得 T H I N在 基金项 目 辽宁石油化工大学 2 0 1 5年大学生创新创业训练计划项 霎 暑 饕 1 9 9 7 - ， 女 ， 黑 龙 江 省 大 庆 市 人 ， 研 究 方 ．向 ㈩ 。 ’ ’ ’ 笳 2 2 0 c I 下仍能束缚黏土，且抗盐、抗钙，它的降粘 效果优于其他试剂，通过控制合成泥浆内部凝胶网 状结构和粘滞系数，保证了高温高密度的水基钻井 液的粘稠性。王富华等 将反应物、相对分子质量 调节剂在引发剂溶剂中引发反应， 制得 J N L l 抗高 温聚合物降粘剂。 在 J N L l 与其他两种抗高温降粘 剂的对比实验中发现， J N L 一 1 在多种条件下降粘效 果比另两种降粘剂的降粘效果更好。J N L 一 1 能够抗 2 4 0 oC的高温。x 射线衍射实验表 明这是因为 J N L 一 1 分子具有稳定的磺酸基团。此外即使高温影 响 J N L 一 1 的水合反应， 钻井液中剩余的J H L 一 1 足够 为黏土颗粒提供水化膜。 降粘剂 J N L 一 1 性质优越全 面，适合实际钻井应用。由赵晓非 等自 行研制的 三元聚合物降粘剂能耐 2 4 0 c C 的高温。 这种三元聚 合物是由 M A H 顺丁烯二酸酐 、S A S 烯丙基磺 酸钠 、A MP S 甲基丙烯酰胺 按一定比 例在水溶 液中聚合而成的。 该三元聚合物是一种羟基氧化物， 羟基氧的电子云密度大，使 A M P S 具有良好的吸附 性，增强了产物的稳定性。马来酸酐溶解在醇中脱 水缩合生成酯 ， 在水溶液中生成顺丁烯酸，为降粘 目 热情融融责任有限公司。 产 E - 品 m的 a i 应 l 用 p研 a n h究 o n x i a n g 1 1 2 6 ． C O m o un _b j 1 2 6E - m a i y a n g c h u n b j l 2 6 ． c 。 m 。 石油及化工产品的应用研 究。 1 - c 0 m 。 第 4 5 卷第3期 李佳欣，等抗高温水基钻井液研究现状 6 3 1 剂提供了所需要的水合基团，增强其溶解性。三元 共聚物 M A H／S A S ／A M P S在常温下平均降粘率为 8 0 ％，在高温 2 4 0 cC 热滚 1 6 h 后降粘率有所下降， 但仍达到了 6 5 ％， 但还能够保证高温深井及复杂井 队钻井钻井的安全。由喻霞等 自 行研制的高分子 降粘剂 J N 一 1是以马来酸酐、石油磺酸钠、甲醛、 丙烯酰胺等为原料合成的，在 p H值 1 ～ 2下、温度 4 5℃， 将十二烷基磺酸钠盐与甲醛混合搅拌， 混合 均匀后加入丙烯酰胺溶液和马来酸酐 M A H单体， 再加入引发剂硝酸铈铵反应 4 ～ 6 h即可。在 2 0 0 高温的恒温箱内热老化 2 4 h J N 一 1 仍具有较好的降 黏效果，和不错的抗钙抗盐能力。王松等 以木质 素磺酸钠为主要原料，通过磺化、络合、共聚、及 缩合等一系列改I生 反应，得到的 P N K耐 2 0 0 oC 高 温， 有良好的降粘性，且耐盐。P N K降低水基钻井 液粘度的同时，也降低了降粘剂的切力。H u i M a o 在 H y d r o p h o b i c A s s o c i a t e d P o l y m e r B a s e d S i l i c a Na n o p a r t i c l e s Co mp o s i t e wi t h Co r e s h e l l S t r uc t u r e a s a F i l t r a t e R e d u c e r f o r Dr i l l i n g F l u i d a t Ut r a - h i g h T e m p e r a tu r e 隅 中提到一种新型二氧化硅纳米微粒 复核壳结构降粘剂， 在井下高温低于 2 2 0 o c 的环境 下，在超高压力和盐度的复杂地形中， 仍具有良好 的热稳定性、 流动性、 润滑性， 可以减少流动损失。 2 降滤失剂 能降低钻井液滤失量的钻井液处理剂称为降滤 失剂。降滤失的方式大体分为两类一类是提高了 粘度 、 减少水分的滤失量， 另一类通过 胶态粒子 物理的封堵作用减少滤失量。王永吉等人 提到的 试剂 D HL l是由含饱和烃链或饱和环烃的稳定有 机物在 1 5 0 1 8 0 c C 下制成。乳白色膏状的 D H L 一 1 在钻井液中通过第二种原理实现降滤的。 D H L 一 1 对 油层没有伤害， 且能起到降粘的作用。 D H L 一 1 中的 粒径不同， 渗入地层孔隙时形成了 “ 内泥饼” ， 具有 降滤的作用；颗粒还可分散到 “ 外泥饼”中，封堵 孔隙，降低外泥饼的渗透陛，进一步达到降滤的目 的。目前油田内使用降滤失剂大致分为三类，淀粉 类 降滤失剂 耐高温性较 差 ，耐温 基本达 不到 1 5 0℃，而纤维素衍生物类耐温性亦不能满足井下 需求； 天然高分子类降滤失剂的耐温虽较高， 但仍然 基本低于 1 8 0℃。 所以， 现场钻探需求的耐高温性 更高的降滤失剂基本为人工合成的高分子材料。王 松 叫 合成的降滤失剂抗温到达 2 1 0 q C ， 且具有优异 的抗钙镁盐的能力， 因此在淡水 盐水 、海水及含盐 的钻井 液体 系中降滤失性均优于 国外 的降滤失剂。 应用前景广泛。 夏小春等” 开发的 F R T 一 2 正是由以 上三种物质 A M、D MA M、 A MP S共聚形成的新型耐 高温降滤试剂。F R T 一 2 是由反应物氢氧化钠 、 硝酸 铵 、丙烯酰胺 甲基丙磺酸和二 甲基丙烯酰胺在适当 剂量的引发剂过硫酸铵中反应3 0 m i n 得到聚合物胶 凝，再将其剪切、造粒，并在 1 0 5 下烘干碾压， 得到白色的粉末态的三元共聚物。 实验表明， F R T 一 2 有很好的降滤失性能，且具有耐高温、降粘性等能 力。还有一种耐高温抗盐新合成降滤试剂 R S T F ， R S T F是两种以上的聚合物单体以及腐殖酸，接枝 共聚制成，耐温可达 2 2 0℃。周向东 合成了三元 聚合物的高分子降滤失剂WH 一 1 ， 能抗 2 4 0 高温， 并抗盐抗钙 ， 在 5 0多口井上的测试实验表明， 地层 温度阶梯较大的情况下 WH 一 1 仍有较好的滤失量。 王中华n 合成聚合物降滤失剂 P A M P s A M A A ／ S M P 。 最优制备条件下合成的P A M P s A M A A ／ S M P 可耐 2 4 0℃高温， 且降滤失作用较好。 可以 同时优化钻井液的流动性和高温高压下的滤失量。 L e w i s等 以褐煤为主体在化学键上接枝，合成了 A M P S ／ A M ／ A A ／ D M D A A C接枝聚合物，能抗 2 6 0 o C 的高温。降滤失时还能保护油气层，是一种高效优 异的实用降滤失剂。还有学者通过实验，优选出一 种新型抗高温抗盐降滤失剂 J Z A 一 1 ’ ，对其降滤失 机理进行了研究发现， J Z A 一 1能契合地附着在粘土 粒子表面， 吸附效果优于 S M P 一 1 ， 增大了粘土表层 水化膜厚度，从而使粘土粒子具有更强的稳定性。 可耐 2 2 0 ℃高温。 3 护胶剂 护胶剂应具有热稳定性较高的化学键，通常带 有能提高抗温抗盐特性的强水化基团。由王富华等 研究得到的护胶剂c Ⅲ一 1 与磺化处理剂一起使用， 可抗2 4 0 ，在含盐含钙的环境中都有良好的溶解 性 ，可以很好地调节钻井液体系的流动变性。常晨 等 蜘 研究的护胶剂MG H 可耐2 4 0℃高温， 具有适度 盘绕、连接、水合等多重作用，护胶剂M G H 吸附 黏土，有 良好的护胶性，可以提高其他配伍试剂的 耐高温性。 4 抑制剂 抑制剂是水基钻井液中一种特别的添加剂，抑 制水化、分解、膨胀。聚胺抑制剂 X J A 一 1 能够有 效地抑制泥页岩的水化分散和黏土的水化膨胀，且 耐 1 5 0℃高温， 优于传统抑制剂氯化钾。包被抑制 剂 S D E ㈣，是一种小分子的带正电性的 P A M ，抑制 6 3 2 当 代 化 工 2 0 1 6 年 3 月 作用 明显 。Z h o n g Ha n y i 剐 在 国际石油大会提到 自行 开发了一种抑制剂 S D J A 一 1 ，通过实验在 2 0 0℃老 化 4 h 后抑制率仍能达到 7 0 ％，可用于深井钻探。 5 成膜封堵防塌剂 成膜封堵防塌剂是一种能够封堵井壁、 地层缝隙 的试剂 ，从而防止井壁坍塌 ，同时能够保护油层 。 H O S E A L E 是一种是由不同大小分子、 原子、离子配 合而成的成膜封堵防塌剂。 经实验测得， 当 H O S E A L 与其他处理剂配合使用时可耐 2 4 0 o C 高温。新型的 封堵防塌剂 H A l 是通过化学作用实现防塌的。 H A l 是由多聚铝酸盐和醋酸乙脂聚合而成的。在进 入层状岩石时，酸f生 的地中水会使两『生 化合物 H A 一 1 生成氢氧化铝沉淀， 在页岩和缝隙中沉积， 增强井壁 稳定性。 同时铝基聚合物的亲电性可以抑制黏土的分 解 ，十分适于泥页岩 的防塌 ，可耐 1 2 0 o C 的温度。 6 稳定剂 高温条件下 ，钻井液水分减少 ，可能会表现出 高温变稠 ， 严重时黏土会发生胶凝聚沉 ， 甚至固化。 新型高温稳定剂 S T B H T 明 由球状高分子的柔性链接 构成 ，提高了硫酸钡 重 晶石 的悬泽 』 生，还有润 滑 、滤失的特性 。实验表明在 1 8 0℃的高温下连续 加热 1 6 h 后钻井液还具有明显的流动性， 没有使黏 土失活 ， 稳定剂 S T B HT有效。高温稳定剂 X P p 为一 种多元共聚物， 有护胶、协同增效的作用；且能够 抑制泥岩与页岩间岩石的水化膨胀， 阻止油气逸散， 稳定井壁 ，防止塌陷。不仅自身耐高温，当它与其 他处理剂搭配使用时，形成新的配位化合物，提高 了其他处理剂的耐高温限度， 高温稳定剂 X 由维 生素 c钠盐、l ，3 ，5 一 三戊烷和柠檬酸按比例系数聚 合而成的，配合着表面活性剂使用， 分别在 T w一 8 0 和 S J 一 1 这 2种钻井液中实验证实 ， 这种稳定剂可耐 2 5 0 o C 高温 ，耐高温性极强。 7 增黏剂 增黏剂在钻井液 、完井液中用量较多，除了基 本的增黏作用外，还可以调整钻井液内部凝胶网状 结构的强度、粘滞塑形弹性 、滤失量和失水量、保 护井壁的稳定和油层完好。闫丽丽口 制取了新型增 粘剂 P A D A，是用具有抗盐性的 A MP S 、有侧基效 应的二氮二甲基丙烯酰胺 D M A M和基本不水合、 热 稳定性好的丙烯腈 A N ，这 3种物质为原料单体， 在一定条件下制得的。实验测得新型增粘剂分解温 度为 3 5 0℃， 在 2 0 0 的深井下性质不变， 且在钻 井液体系中发挥出了良好的增黏性 ，是一种优 良的 耐高温耐盐降滤噌粘剂剂，可以在盐膏地层和复合 盐层的深井钻探 中得到应用。 8 结束语 笔者论述了 基钻井液中处理剂耐高温 l生的研 究现状， 对耐 2 0 0 左右高温水基钻井液中的各类 试剂进行比较和评价。作者认为以下几个方面可以 多进行研究①抗热氧化降解、热稳定性的提高； ②处理剂可以增强高温超高温条件下粘土粒子水化 膜水化能力为技术新思路，提高普通钻井液聚合物 材质的抗温极限；③在传统钻、完井液体系中加入 高温稳定剂等处理剂增加其应用温度范围。 参考文献 [ 1 ] 孙今声 ，杨泽星． 超高温 2 4 0 C 水基钻井液体系研究f J 1 _ 钻井液与 完井液， 2 0 0 6 ， 2 3 1 l 1 5 一 l 8 ． [ 2] 单文军 ，陶士先 ，付帆，等． 抗 2 4 0 C 高温水基钻井液体系的室内 研究f J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 5 1 9 2 2 ． [ 3 ]艾关林． 抗高温高密度水基钻井液研究 内蒙古石油化工， 2 0 1 3 4 1 3 6 1 3 8 ． [ 4]王富华． 抗高温高密度水基钻井液作用机理及性能研究[ D 1 ． 北京 中国石油大学 ，2 0 0 9 ． [ 5 ] 赵晓非 ，陈娟娟，娄刚，等． M A／S A S ／A MP S共聚物耐高温钻井 液降粘剂的研制『 J ] ．化工科技 ，2 0 1 4 ，2 2 2 3 8 4 1 ． [ 6 ] 喻霞 ， 王松 。 盛金春，等．新型抗高温降粘剂 J N 一 1 研究f J 1 _ 精细石 油化工进展，2 0 1 0 ， 1 1 3 4 5 ． [ 7]王松，胡三清． 抗高温降粘剂 P N K 的研制与评价 石油钻探技 术， 2 0 0 3 ， 3 1 2 2 4 2 6 ． [ 8 ]H u i M a o．Hy d r o p h o b i c A s s o c i a t e d P o ly m e r B a s e d S i l i c N a n o p a r t i c l e s C o mp o s i t e wi t h Co r e - s h e l l S t r u c t u r e a s a F i l t r a t e Re d u c e r f o r Dr i ll i n g F l u i d a t U t r a h i g h T e m p e r a t u r e l 川 ． J o u r n a l o f P e t r o l e u m S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 5 ， 0 3 3 1 - 1 4 ． [ 9] 王永吉，于兴东，林士楠，等． 高温降滤试剂 D H L 一 1 的研究及应用 阴 ．油田化学，1 9 1 7 ，1 4 1 1 - 3 ． [ 1 0 ] 王松． 抗高温钻井液降滤失剂 J H W 的评价与应用Ⅲ ． 精细石油化 工进展 ，2 0 0 1 ， 2 8 1 0 1 2 ． [ 1 1 ]夏小春，易勇，郭磊． 钻井液用耐高温降滤失剂 F R T 一 2的合成及 性能研究f D ] ．北京 中海油田服务股份有限公司油田化学研究院， 2 0 1 2 ． [ 1 2倜 向东． A M ／ A M P S ／N V P 三元共聚物降滤失剂 wH l 的研制『 J 1 ． 油 田化学 ，2 0 0 7 ，2 4 f4 1 2 9 3 2 9 5 [ 1 3 ]王中华．超高温钻井液降滤失剂 P A M P s A M _ 一A A 1 ／S MP的研 制l J 】．石油钻探技术 ，2 0 1 0 ，3 8 3 8 1 2 ． 1 1 4 j L e w i s S ．Me t h o d n f u s i n g l i g n i t e g r a ft e d fl u i d l o s s c o n t r o l a d d i t i v e s i n c e m e n t in g o p e r a t i o n s US ，7 3 6 0 5 9 8 [ P ] ．2 0 0 7 ． [ 1 5 ]刘江华． 高密度水基钻井液抗高温作用机理及流变性研究[ D ] ． 北 京 中国石油大学 ，2 】0 9 ． [ 1 6] 常晨．超高温水基钻井液的室内研究[J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ， 2 9 3 2 3 2 6 ． [ 1 7 ] 张国． 新型聚胺水基钻井液研究及应用『J I ． 钻井液与完井液， 2 0 1 3 ， 3 03 2 3 2 6 ． 1 l 8] Z h o n g Ha wi ． S u c c e s s f u l A p p l i c a t i o n o f U n i q u e P d y a m i n e Hi g h P e r f o r ma n e e Wa t e r - B a s e d D r i l l i n g F l u i d i n B o h a i B a y S h a l e F o r ma t i o n 『 C 1． I n t e r n a t i o n a l Pe t r o l e u m T e c h n o l o g y Co n f e r e n c e ． [ 1 9 ] 赵文 ，张荣 ， 徐博睹， 等． 深井高温水基钻井液体系研究【 J I_ 石油 天然气学报 ，2 0 1 3 ， 3 5 9 2 3 - 2 6 ． 【 2 0 ]卢明．提高水基钻井液高温稳定性的实验研究U 】钻井液与完井 液，2 0 1 3 ，3 0 1 1 7 - 2 1 ． f 2 1 ]闫丽丽 ，孙金声 ，王建华，等． 新型抗高温抗盐钻井液增黏剂 P A D A的制备与性能 ．石油学报， 2 0 1 3 ，2 9 3 4 6 4 4 6 9 ．