提高水基钻井液高温稳定性的实验研究.pdf

第3 O 卷 第 1 期 2 0 1 3年1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG F LUI D COM P L ETI ON F L UI D Vo 1 ． 3 0 No ． 1 J a n．201 3 【 理论研究与应用技术 】 提高水基钻井液高温稳定性的实验研究 卢 明， 王学 良， 王恩合， 武琳娜 ， 王磊 西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院，新疆鄯善 卢明等．提高水基钻井液高温稳定性的实验研究[ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 1 1 7 2 1 ． 摘要通过考察加入表面活性剂和高温稳定剂后钻井液在不同温度下流变性能和滤失性能的变化，研究了高 温稳定剂和不同的表面活性剂对不同钻井液体系高温稳定性的影响 ， 其中高温稳定剂由V c钠盐、三聚甲醛和柠檬 酸按照一定比例复配而成， 对合适的表面活性剂及高温稳定剂加量进行 了优选。结果表明， 对于不同的钻井液体系， 表面活性剂和高温稳定剂的作用效果不同。其 中，表面活性剂与高温稳定剂能在一定程度上提高淀粉类钻井液的 抗温能力，但有较大的限度 ； 表面活性剂与高温稳定剂不能提高褐煤类钻井液的抗温性能 ； 能显著提高铵盐及铵 盐褐煤钻井液的高温稳定性，对铵盐褐煤钻井液的高温保护作用尤其突出，该钻井液中加入稳定剂和表面活性剂 T W- 8 0后，在 2 5 0℃下持续作用 2 h后，钻井液性能稳定性，这对于深井和超深井钻井具有重要的指导意义。 关键词水基钻井液 ； 高温稳定性 ； 高温稳定剂 ； 表面活性剂 ； 聚合物降解 中图分类号 T E 2 5 4 ． 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 3 O 1 ． 0 0 1 7 ． 0 5 随着油气勘探开发 向深部地层发展 ，钻遇 的地 层越来越复杂 ，对钻井液性能的要求 日益苛刻。在 高温条件下，现有钻井液处理剂的性能会部分或完 全丧失 ，如果存在地层盐水的污染 ，这种情况将更 加严重。因此，围绕深井超深井钻井的需要，国内 外研究者针对钻井液高温稳定性 问题进行 了多方面 研究。近年来，通过向钻井液中加人高温稳定剂及 表面活性剂来稳定或者提高钻井液在高温下的性能 成为一个新的研究方向 ，并取得 了一定 的效果 。为 此 ，就高温作用下如何提高钻井液的抗温性能进行 了研究 。通过研究高温稳定剂和表面活性剂对钻井 液性能 的影响，以期为深井超深井钻井液技术提供 借鉴及思路 。 1 实验部分 实验材料 淀粉、铵盐，新疆准东石油股份有 限公司生产 ； 水解聚丙烯腈铵盐、褐煤，石家庄华 莱 化工有限公司生产 ；高温稳定 剂、表面活性剂 ， 西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院提供。 其中高温稳定剂 由 Vc 钠盐 、三聚甲醛和柠檬 酸按 照一定 比例复配而成。基浆 的配制 将水 、膨润土 和纯碱按 1 0 0 5 0 ． 4的质量 比混合 ，高速搅拌 2 0 mi n后养护 2 4 h 。实验条件 将浆液在 高温滚子炉 中老化 1 6 h ，在室温 2 0℃ 下测定性能。 2 表面活性剂和 高温稳定剂对不 同钻 井液体 系性能的影响 2 ． 1 淀粉 钻井液 1 1 4 0℃。在淀粉钻井液中分别加入高温稳定 剂 浓度为 1 0 0 mg ／ L及不同浓度的各种表面活性 剂 ，测试浆液在 1 4 0℃热滚 1 6h后的性能 ，结果见 表 1 。从表 1 可知，加入高温稳定剂和表面活性剂 之后 ，热滚后浆液的表观黏度和动切力上升 ，而塑 性黏度大部分有所降低，滤失量均有一定程度的降 低 ，其 中加入聚氧乙烯脂肪醇醚单酰胺磺化琥珀酸 单酯二钠盐和聚乙烯醇的钻井液降滤失效果最好。 在淀粉钻井液 中加人高温稳定剂和不同的表面 基金项目 中国石油塔里木油田公司级项目 高温高压钻井液流变性研究 。 第一作者简介 卢明，硕士研 究生，1 9 8 3年生，2 0 1 0年毕业于中国石油大学 华东 油气井工程专业。地址 新疆 吐鲁番 市鄯善火车站镇西部钻探钻井工程技术研究院固完井技术研 究所 ； 邮政编码 8 3 8 2 0 2；电话 1 5 0 2 6 2 5 1 5 0 7； E ma i l l u mi n 1 9 8 3 1 2 6 ． t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年1月 活性剂后 ，黏度增加 ，滤失量减小 ，说 明高温稳定 剂和表面活性剂起到了保护作用。影响聚合物溶液 黏度的因素有 2 个方面，聚合物的分子量和分子形 态。高温老化对这 2 个因素都会起作用，热降解造 成断链使分子量降低，而高温破坏高分子的溶剂化 膜使体系的熵增加，导致高分子卷曲。如果分子内 部形成氢键，这种卷曲具有不可逆性，当温度降低 后 ，黏度将不能恢复 。但是加入高温稳定剂和表面 活性剂后 ，稳定剂可除去钻井液 中的氧 ，从而有效 地保护高分子量聚合物。表面活性剂也可提高钻井 液 的抗温性能 ，一方面是 因为钻井液中含有大量的 胶体颗粒 ，表面活性剂在颗粒表面的吸附阻止 了不 可逆卷曲现象的发生 ； 另一方面 ，表面活性剂增加 了钻井液中黏土颗粒的分散度，使得聚合物吸附在 黏土颗粒上 的几率增大 。此外 ，表面活性剂还可与 聚合物形成络合物，抑制聚合物分子链的卷曲 [1-4 ] 。 表 1 稳定剂和不 同的表面活性剂对淀粉钻井液性能的影响 注 s 为聚氧乙烯脂肪醇醚单酰胺磺化琥珀酸单酯二钠 盐 ； AE O为聚氧乙烯脂肪醇醚 ； 钻井液配方 基浆 1 ． 5 ％ 改性淀粉。 分别增加高温稳定剂、聚乙烯醇和聚氧乙烯脂 肪醇醚单酰胺磺化琥珀酸单酯二钠盐的浓度，结果 如表 2 所示。由表 1 与表 2 对比可知，增加高温稳 定剂 的浓度后表观黏度增加 ，动切力没有变化 ，滤 失量稍微有所降低，可见稳定剂浓度的提高，可以 有效地保护高分子聚合物，提高了体系的高温稳定 性。增加聚乙烯醇加量后表观黏度 、动切力有所增 大，塑性黏度变化不大，滤失量基本不变。在保持 聚乙烯醇 0 ． 1 ％ 加量不变的条件下 ，继续增大稳 定剂的用量 ，表观黏度 和动切力有所增加 ，塑性黏 度和滤失量并没有显著变化。保持聚氧乙烯脂肪醇 醚单酰胺磺化琥珀酸单酯二钠盐的加量不变，提高 稳定剂的用量 ，同样表观黏度 和动切力稍有降低 ， 滤失量基本没有变化，这说明稳定剂的最佳用量可 能就是 2 0 0 mg ／ L。为了确定稳定剂的最优加量 ，改 变稳定剂的加量重复上述实验，结果见表 3 。 表 2 不同量稳定剂和表面活性剂的 加入对淀粉钻井液性能的影响 表 3 不同加量的稳定剂对淀粉钻井液的影响 由表 3可知 ，增大稳定剂的用量 ，表观黏度和 动切力反而有所降低，滤失量也增大，说明过多的 稳定剂会有负面效应。这可能是因为一部分稳定剂 起到了消除钻井液中氧的作用，而多余的稳定剂降 低 了钻井液的黏度并增大了钻井液的滤失量 ，发挥 了类似无机盐的作用 ，因此在钻井液中需要控制稳 定剂 的加量。通过以上实验数据 ，确定在淀粉钻井 液 中稳定剂的最佳用量为 2 0 0 mg ／ L 。 21 5 0 o C。在淀粉钻井液中分别加入不同浓度 稳定剂 ，考察其在 1 5 0 o C 热滚 1 6h后的性能 ，结果 见表 4 。从表 4 可知，加人稳定剂后浆液滤失量都 不同程度地增大，表观黏度、塑性黏度和动切力都 有所降低。表明在 1 5 0 o C 高温下，稳定剂的加人对 钻井液中淀粉已经没有保护作用了，而作为盐的作 用越来越突出。 淀粉类的主链结构单元是葡萄糖环， 高温下醚 ． 氧键容易断裂，所以在钻井液中氧化降 解不是淀粉类高温失效的主要原因[5 -6 ] 。 2 ． 2 铵盐钻井液 1 2 0 0℃。在铵盐钻井液中加入稳定剂 2 0 0 mg ／ L和不 同浓度 的表 面活性剂 ，在 2 0 0℃热滚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 0 卷 第 1 期 卢明等提高水基钻井液高温稳定性的实验研究 1 9 1 6 h后 测试浆液性 能 ，结果见表 5 。从表 5可知 ， 高温后铵盐钻井液本身的降滤失效果明显，加入稳 定剂和表面活性剂后浆液滤失量都有不同程度的增 大 ； 稳定剂虽然能除氧，但同时也起到无机盐的作 用，导致铵盐钻井液滤失量增大 ； 同时加入稳定剂 和表面活性剂后浆液的表观黏度 、塑性黏度和动切 力都有所增大 ， 而加入月桂醇 的浆液性能变化较小 。 表 4 1 5 0 o C 下不同量的稳定剂对淀粉钻井液性能的影响 表 5 稳定剂和不同表面活性剂对铵盐钻井液性能的影响 注 L D E A为月桂酰二乙醇胺 ； 铵盐钻井液配方 基浆 1 ． 0 ％ 铵盐 。 22 4 0℃。2 4 0℃下稳定剂和表面活性剂对铵 盐钻井液的影响见表 6 。 聚丙烯腈铵盐作用增强其在黏土上的吸附 ； 稳定剂 和 T W- 8 0 共同作用则消除氧对铵盐的氧化分解， 从 而提高铵盐钻井液 的抗温能力 [ 7 - 8 1 。 3 2 5 0℃。从表 7可知 ， 加入稳定剂 2 0 0mg ／ L 和表面活性剂后 ，浆液黏度和切力都有较大程度的 增加，而滤失量有所降低，表明稳定剂和表面活性 剂提高了体系抗温性能。此外可知，月桂醇具有较 理想的高温保护作用。稳定剂和月桂醇的共同作用 使铵盐钻井液在 2 5 0 o C 的高温下依然保持很好的携 砂能力和较好 的流动性 ，这样的效果对深井钻井液 的抗高温性能的研究具有很重要的意义。 表 7 2 5 0 o C下稳定剂和表面活性剂对铵盐钻井液的影响 2 ． 3 褐煤钻井液 从表 8 可知，在 2 5 0℃高温、p H值为 7的情 况下，加人稳定剂和表面活性剂对褐煤钻井液的滤 失量影 响不 大 ，而加人 AE O后钻井 液滤失量有所 增大。因此将褐煤钻井液 p H值调节至 9 后，考察 了表面活性剂和稳定剂 的作用效果 ，结果见表 9 。 表 6 2 4 0℃下稳定剂和表面活性剂对铵盐钻井液的影响 表 8 2 5 0℃ 、p H值为 7条件下稳定剂和 从 表 6可 知 ，加入 T W- 8 0大 大降低 了铵盐 钻 井液 的滤失量。这是 因为 N H 一 P A N在高温下一 方面动态水解形成羧基和氨，高温下去除水化膜发 生卷曲，分子内部羧基之间形成氢键 ， 形成分子链 不可逆性的卷曲，同时游离出氨使溶液 p H值上升， 另一方面水解聚丙烯腈分子具有大量的水化基团羧 基，能形成很强的水化膜 ； 表面活性剂通过与水解 表面活性剂对褐煤钻井液性能的影响 注 钻井液配方 基浆 3 ． 0 ％碱化褐煤。 从表 9 可知，稳定剂和不同表面活性剂对褐煤 钻井液的黏度影响不同，A E O和 L D E A的加入使 褐煤浆的表观黏度和动切力增大，T W- 8 0的加入使 褐煤钻井液的表观黏度和动切力减小，塑性黏度均 降低，滤失量没有明显变化。可见稳定剂和表面活 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年1月 性剂 的加入对褐煤无明显的保护作用 。 表 9 2 5 0℃、p H值为 9条件下稳定剂和 表面活性剂对褐煤钻井液的影响 2 ． 4 S J 一 1 抗盐聚合物钻井液 1 2 5 0℃，不加稳定剂 。在基浆 中只加入 2 ％ 不同的表面活性剂 ，在 2 5 0℃下热滚 1 6 h后测试浆 液的性能 ，结果见表 1 0 。由表 1 0可以看出，在以 s J ． 1 为降滤失剂的钻井液中，只加表面活性剂对钻 井液的性能影响不大，加人月桂醇后浆液滤失量由 7 ．2 m L降到 6 ． 4 m L ，表明月桂醇对 S J 一 1 有较好的 保护作用。 表 1 0 2 5 0℃下不同的表面活性剂对 S J 。 1 钻井液的影响 注 钻井液配方 基浆 1 ． 5 ％S J 一 1 。 22 5 0℃，加入稳定剂。由表 1 1 可知 ，稳定 剂 2 0 0 mg ／ L与月桂醇协 同作用效果较好 ，浆液 滤失量降低 ，而且表观黏度 、塑性黏度和动切力均 有所增大 ，与只加月桂醇相 比，钻井液的表观黏度 基本没有变化 ，滤失量稍有减少 ，说 明对于以 S J 一 1 为降滤失剂的钻井液，表面活性剂对降滤失剂的保 护作用更突出 ； 加入稳定剂和 T W- 8 0 后浆液表观 黏度下降，滤失量增加较大，可能是 T W- 8 0 未发 挥保护作用。由于高温稳定剂与月桂醇的协同作用 效果好，下一步考察其在持续高温作用下对钻井液 性能的影响。 3 2 5 0℃，持续高温 4 8 h 。由表 l 2可知 ，加 入稳定剂和表面活性剂，浆液在 2 5 0℃高温下持续 热滚 4 8 h 后，滤失量均有降低。其中稳定剂与月桂 醇协同作用效果最好， 体系滤失量由7 ．2 m L降到6 ．0 m L ，但表观黏度、塑性黏度和动切力均有所降低。 表 1 1 2 5 0℃下稳定剂 和表 面活性剂对 S J 一 1 钻井液的影响 表 l 2 持续 4 8 h 、2 5 0℃高温下稳定剂和 表面活性剂对 S J 一 1 钻 井液 的影响 42 5 0℃，持续高温 7 2 h 。持续 7 2 h 、2 5 0 高温下稳定剂和表面活性剂对 s J ． 1 钻井液的影响见 表 l 3 。 表 1 3 持续 7 2 h 、2 5 0℃高温下稳定剂和 表面活性剂对 S J 一 1 钻井液的影响 由表 1 3可知 ，加入稳定剂和表面活性剂 ，在 2 5 0℃高温下热滚 7 2 h 后，滤失量都有不同程度的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 0卷 第 1 期 卢明等提高水基钻井液高温稳定性的实验研究 2 l 降低，其中以双倍稳定剂的保护效果最好，滤失量 由 7 ． 0 m L减少 到 5 ． 2 mL，表观黏度 和动切力也有 所增大，表明稳定剂和表面活性剂能发挥长期稳定 作用 ，这对 超深井钻 井具有 重要意义 [9 - 1 0 ] o另外 ， 表面活性剂或者加高温稳定剂单独使用高温保护效 果都不 明显 ，只有 2者协同才能发挥较好 的效果 。 2 ． 5 铵盐褐煤钻井液 1 2 5 0 下热滚 4 8 h 。由表 l 4可知 ，在铵盐 褐煤钻井 液 中加人 稳定剂 2 0 0 mg ／ L和 T W- 8 0 ， 2 5 0℃高温下持续热滚 4 8 h 后，体系的表观黏度基 本上没有变化，而滤失量有所降低，这说明稳定剂 和表面活性剂 的加入有利于体系性能稳定。 表 1 4 2 5 0℃、热滚 4 8 h后稳定剂和 T W- 8 0 对铵盐褐煤钻井液性能的影响 注 钻井液配方 基浆 1 ． 0 ％铵盐 1 ． 5 ％碱化褐煤。 22 5 0 o C下 热 滚 7 2 h 。 由表 1 5可 知 ，在 铵 盐褐煤钻井液 中加人稳定剂和表 面活性剂 T W- 8 0 ， 2 5 0 o C 下持续热滚 7 2 h后 ，钻井液的黏度和切力增 加， 滤失量明显降低， 甚至优于热滚 4 8 h 后的效果， 表明加入稳定剂和表面活性剂后，铵盐褐煤钻井液 能经受长期高温作用，且高温作用时间越长效果越 明显 ，这对于现场施工具有重要的实际意义 。 表 1 5 持续 7 2 h 、2 5 0℃高温下稳定剂和表面活性剂 T W- 8 0对铵盐褐煤钻井液性能的影响 3 结论 1 ．稳定剂和表面活性剂能在一定程度上提高 淀粉钻井液的抗温性能，降低滤失量。表面活性剂 增加了钻井液中黏土颗粒的分散度，使得聚合物在 黏土颗粒上的吸附几率增大 ； 稳定剂能够减缓淀粉 高分子的氧化降解。 2 ．在较 高温度下 ，稳定剂和表面活性剂能较 好 地提高铵盐 钻井液 的抗温性能 ，但在 温度低于 2 4 0℃时效果不明显。 3 ．稳定剂和表面活性剂对褐煤钻井液无明显 的稳定作用。稳定剂起到无机盐的作用，但褐煤的 抗盐性能较差 ，导致最终效果不明显。 4 ．在 S J ． 1 钻井液中表面活性剂和稳定剂的保 护效果明显，2 5 0℃高温持续作用 7 2 h 后稳定剂和 表面活性剂仍能发挥 良好的保护作用 ，这对于提高 s J 一 1 抗盐聚合物钻井液的抗温 } 生 具有重要意义。 5 ．铵盐褐煤钻井液 中加入稳定剂和表面活性 剂 T W- 8 0 后，在 2 5 0℃高温下持续作用 4 8 h和 7 2 h后 ，钻井液性能稳定性 良好 ，这对于深井和超深 井钻井具有很重要的意义。 参 考 文 献 [ 1 ] A ma n u l l a h Md ． An e n v i r o n me n t f r i e n d l y a n d e c o n o mi a l l y a t t r a c t i v e t he r m a l d e g r a d a t i o n i n h i b i t o r f o r b e n t o n i t e mu d [ R ] ． S P E 9 9 4 1 0 ． [ 2 ] 朱麟勇，常志英，李妙贞，等 ． HP A M 在水溶液中的 氧化降解 [ J ] ． 高分子材料科学与工程，2 0 0 0 ，1 6 1 l 1 3 1 1 6 ． [ 3 ] 王友绍，张春光，王果庭 ． 淀粉类聚合物在钻井液中的 热稳定性研究 [ J ] ． 石油与天然气化工 ，1 9 9 6 ，2 5 4 2 1 9 ． 2 2 1 ． [ 4 】 姚克俊， 高锦屏 ， 张贵才 ． H P AM在钻井液中的应用 [ J ] ． 油田化学，1 9 8 6 ，3 3 1 3 6 ． 1 4 1 ． [ 5 ] 黄玉惠， 赵福麟 ， 郭东荣， 等 ． H P A M选择性絮凝作用 [ J ] ． 油 田化学 ，1 9 8 4 ，5 5 7 3 7 7 4 2 ． [ 6 ] 王友邵 ，韩书华，孙德军，等 ． 降滤失剂的耐温性研究 [ J ] ． 石油与天然气化工 ，1 9 9 9 ，2 8 2 1 1 9 1 2 2 ． [ 7 ] 徐同台，陈乐亮，罗平亚 ． 深井泥浆 [ M] ． 北京 石油 工业出版社 ，1 9 9 4 9 - 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