新型无污染耐高温的水基钻井液体系.pdf

劫 { 莰 高 迭 国外 站井技术 谬第 十 三 卷， ，。 年 第 。 期 蚕 垂 羹 啡 盼 ㈣ 黜 Ca r l丁 础 缸 新 型 无 污 染 耐 高 温 的 。 水 基 钻 井 液 体 系 ． 【} 前 言 将水基钻井液应用于高温， 是因为高温下 应用油基钻井液时通常存在许多问题 ， 如环境 保护， 偏僻地区后勤供应， 钻井液中气体的溶 解性和预防循环潺失等。 尽管过去几十年的实 践已经证实， 含有改性天然产品的高温水基钻 井液具有显著效果及预期性能 ， 但今 日环境要 求及钻井情况需要有更好的产品来替代它们。 过去 z 0 多年磺化聚丙烯酸类化合物一直 用作滤失控制剂和分散齐 町 。从开始应用以来， 这些聚合物大多数含有 1 至 3 个相对较小的 单体基团作为原材料。 含有这些物质的高温水 基钻井液 ， 通常需要有改性的天然产品作为辅 助添加剂以达到所需要的性能。当前， 采用新 的、 经济可行的单体， 用不同的聚合方法制备 成新物质可应用于水基高温钻井液中而不需 要常规产品就能得到好的流变性和滤失性 。 新的高温聚合物 1 ． 钻井液滤失性的控制 由丙烯酰胺 单体 A 、 磺化单体 单体 s 和 一种交联剂 单体 x 配成 的新型交联共 聚 物， 用于高温高压条件下控制滤失性证明更为 I ’ A ， C 陈 志 宏译 束德 一校 先进。聚合物构成中， 交联作用的大小对其可 溶性有重要影响， 而可溶性又密切关系着滤失 性的控制 。 如在聚合过程中交联过度会使聚合 物形成坚硬的体 型结构 ， 水藉性极差， 但交联 不够又会形成近似常用的具有线型结构的丙 烯酰胺共聚物， 其组长线型结构使抗钙离子污 染和抗剪切性能较差 。 与非交联线性链状聚合 物膨胀态相 比， 新 型交联的聚合物构型上呈紧密结合的球状。 与 具有相同分子量的线型分子相比， 这种交联聚 合物水藉时的水动力值要小得多 交联聚合物 的独特结构使其在水溶液中体积很小， 从而提 高 了内部水解的稳定性 此外， 交联作用使其 对固体的敏感性减小， 具有更大的剪切抑制作 用。因此， 水基钻井液中应用这一独特结构的 聚合物， 其流变性和滤失性均可提高。 除分子量外， 交联聚合物的微观结构对控 制高温水基钻井液的性能也起着重要作用。 与 共聚物 中的构形不同， 单体链区也影响着离子 团的特性， 从而改变聚合物束缚二价阳离子的 能力 。 钙、 镁是极强的可螯合阳离子 ， 它们可轻 易穿透聚合物链外的水化壳并与聚合物中的 阴离子基团结合 ， 形成聚合物盐 。这些离子盐 带可能在链内， 也可能在链间。当这些盐结合 、 ∞ 维普资讯 国外钻井技术 带达到一定数量， 聚合物就会变得不溶于水而 发生沉淀， 使聚合物作用效果下降。聚合物的 负 电荷 的稳定性是聚合物中离子电荷的碱性 作甩， 聚合物阴离子团的基本电荷越强， 它越 易与价阳离子结合。 用作高温高压钻井液滤 失添加剂的共聚物链 中的丙烯酰胺单元是氢 与集合物链中阳离子团结合处， 此外的微观结 构会直接影响聚合物中相邻磺化基团 单体 s 的碱性 。在两个丙烯酰胺单元之 间的带电 基团籽比在一个丙烯酰胺与一个带电基团之 间或两个朋离子带电基团之间更加稳定， 这是 因为相邻丙烯酰胺单元之 间可 以形成稳定的 氢链。 由于单体S和丙烯酰胺的高速共聚合作 用， 单体在聚合物中形成丙烯酰胺一单体S结 构变化最太可能性的几率是相同的。 聚合物是 采用可产出 3 O 活性物质的常规反相乳化技 术聚合。 2 ．试验研究 1 粘度 将分子量几乎相等的未经交联的聚合物 1 和已经交联的聚合物 2 分别与相同单体组 成聚合 产品。 分别将样品 1 ． 5 克溶于 3 0 0 克水 中， 经高速搅拌器搅拌 1 5 分钟后用范 3 5 A型 粘度计在室温下测量其粘度 表 1 表明， 交联 可降低粘度。 裹 l 范 3 s A谢 得的粘度 建度 聚合物 1 聚合物 2 转／ 分 未变联的产品 变联后的产品 6 0 0 蝇 1 6 3 00 3 2 9 ‘ 2 剪切稳定性 剪切对这些聚合物的影响以如下形式加 以说明。 分慰将 8 克不同聚合物溶于 3 0 0 克水 中， 同时在高速搅拌器中搅拌 1 5 分钟， 并记录 原始流变性 然后， 将聚合物溶液以 8 0 0 0 转／ 分的速度在搅拌器上剪切 1 ． 5 和 3 小时， 记录 它们在童温下的赫 变性。 表 2 数据说明未交联 聚合物 1 发生显著剪切降解 ， 而经交联样品 8 却十分稳定。 衰 2 范 3 5 A测荐 的数据 聚 合 物 1 聚 合 物 2 霉 产分 初蚓 1 ． 5 小时 3 水时 韧 1 ． 5 小时 3 小时 6 0 0 5 5 4 l 3 5 2 0 2 1 2 2 3 0 0 3 4 z 8 2 3 1 1 1 2 1 3 3 悬浮固体 交联的聚合物对固体具有很高的剪切稳 定性， 可由如下情况加以说明 将 1 ． 5 克聚合 物加入 3 0 0 克水中， 经 1 O 分钟混合后， 加入重 晶石， 继续搅拌 分钟， 在室温下测量初始流 变性后， 将样品放入 S il v e r s o n L ig h t n i n g搅拌 器中以 8 0 0 0 转／ 分的速率剪切 4 5 分钟， 再测 流变性， 其结果见表 3 。表 3 数据说明交联的 聚合物 2 有良好的悬浮性， 而未交联的聚合物 1却发生明显剪切降解 ， 失去悬浮固体的能 力。 裹 3 范 3 5 A谢得的数据 聚合嘞 1 聚合物 2 逮度 ． 转／ 2 韧始 4 5 分钟 韧始 4 5 分钟 6 0 0 6 8 5 0 4 2 5 O 3 0 0 { 5 2 5 2 3 30 重晶石沉淀 无重晶石沉淀 3 ．钻井液白 I E 变性的控制 膨润土及其它活性固体保持分散状态对 水基钻井液在高温下获得好的流变性和滤失 性至为关键。 众所周知， 改性的天然产品， 如褐 煤、 木质紊磺酸盐， 都具有很好的分散性， 考虑 到它们可能对油层的伤害及环境污染 ， 提出了 在敏感地区利用合成分散剂。 惯用的合成分散 剂是具有高的电荷密度的均聚物或低分子量 共聚物。丙烯酸、 顺丁烯二酸酐以及通常的磺 化产品， 如 A MP S都是广泛使用的分散荆 稳 定剂 新近研制出的化学物质以替代聚合物中 磺化部分 AMP S等 ， 其结构可显著提高悬 维普资讯 3 2 国 外钻井技术 第十三卷 一1 蜘 埠薰锺蛔 i 浮能力和热稳定性， 从而可在不加褐煤、 天然 沥青或木质棠磺酸盐的一些过 去不可能的条 件下配制真正的 HTHP水基钻井液 。表 4表 明新化合物 聚合 物 A 与在最高温度和艰难 环境 下使用 的 A MP s 一丙烯醴共聚物在 淡水 中的性能 比较。密度为 1 9 3 1 k g ／ m。 1 6磅／ 力 口 仑 的试验钻井液含 5 ． 7 1 k g ／ m 的活性分散 剂、 4 5 ． 6 7 k g ／ c m的 膨 润 土 、 0 ． 1 l m 的 水、 0 ． 2 9 k g ／ m 的 Na OH 的 1 1 5 8 k g ／ m。的 重 晶 石 试样在2 0 0 。 F下热滚 1 6 小时， 再将 p H值 调到 9后的 2 0 ℃ 4 0 0 。 F 下静止老化 4 8小 时。 衰 4 范 3 5 A鼍 定性数据衰 4 9 C 1 2 o 下 碱化丙捧酸盐／ 丙烯酸盐 新聚合物 P V， 厘 泊 9 l 7 2 YP磅／ l o o平方 英尺 B g 4 6 1 0秒切力 B 6 O分钟切力 B 7 如表 4所示 ， 将钻井液置于 高温 、 固体污 染及硬度污染下进一步比较两种化学物质的 差异。 由于 H T I“ I P水基钻井液的复杂性， 任何 一 种聚合物不可能在所有情况下都有好的效 果是不足为奇的。通过试验， 将两种以上的聚 合物 聚合 物 B和 c 与聚合 物 A 混合 一起 用， 以保证在各种环境下都有最好的钻井液性 能。 表 5 总结丁三种物质各自具有的钻井液特 性 。 衰 5 组成的新型穗定剂 组成 特性 不使用时 囊合物 A 稀或肢体稳定 极高的静切力值 抑帚 i 腔麓． 很高的麓瞳强度 橐音物 B 防止肇翻土簟凝 A P I 和 H T I -I P挂 失 t增加商倍 聚合物 c 高剪切建事下桔度 约 6 0 0 转粘度 的两 降低 倍 上述这些i 昆 合物为粉状， 无论在嵌承或盐水中都能迅速 溶解。 钻 井 液 1 ．淡水体系 对这些新材料配成的钻井液丧高韫 及固 体污染务件下进行长时间的热穰定性检验 即 配 成密 度均 为 1 9 1 3 k g ／ m 1 6磅／ 加仑 的淡 水浆， 加入或不加惰性固体 ， 在高温及固体污 染下老化 l 6 和 6 4 小时， 其结果列子表 6中 衰 6 淡水钻井液老化 1 ‘和 “ 小时性篱 配方 1 2 3 4 ． 水 ， 桶 0 B 7 3 O - 6 7 3 m 6 7 3 0 - 6 7 3 膨镧土， 磅， J捅 6 6 6 目 聚合物流变控制荆- 磅／ 桶 1 0 1 D l 0 Na O H， 磅／ 桶 1 1 1 1 聚合物挂失控制剂， 磅／ 桶 6 6 ． 6 5 重晶石 ， 磅／ 桶 4 1 2 4 1 2 4 1 2 ‘ l 2 钻屑 磅／ 桶 无 无 如 3 0 泥浆密度． 磅／ 桶 1 B 0 1 6 0 l 6 - 0 1 6 - O 静止老化温度． 。 F 4 0 0 4 0 0 4 0 0 4 0 0 老化期， 小时 6 ‘ 6 ‘ 静切力， 磅， 1 0 O 平方英尺 l O 5 O 8 O 1 l 0 重晶石沉淀 无 无 无 轻赣 老化后 p H值 8 ． 4 8 ． 7 8 ． 4 8 ． 5 性能 V， 厦 泊 ‘ 6 4 O 3 4 4 3 Y P ， 磅／ 1 0 0 平方英尺 6 6 1 4 1 7 l 0 秒钟切力 4 4 5 6 1 O 分钟切力 5 5 8 8 A P I 滤失- Ⅲ l 3 - 0 3 ． 2 3 ． 0 2 8 } r r } 彳 P 谊失 3 5 0 F ， Ⅲ l 1 9 ． Z 2 B ． 4 2 6 ． 0 1 4 8 由于井内递增温度及用范 3 5 A粘度计测 量时的条 件差异极大 ， 故 采用范 5 。 c型粘度 计在 3 8 ～2 3 2 ℃范围 内对每种钻井液以 预定 速率测试 ， 并在测试中采用自动数据采集系 统。图 1 、 图 2为配方 2 、 4在 2 0 4 ℃I 4 0 O 、 6 4 小时老化后的流变曲线， 有趣的是它们与酉 己 方 1 和 3 ． 经 1 6 小时后的流变船线非常相似。故 这里不列配方 1 、 3经 1 6 小 时后的流变曲线。 维普资讯 国弭钻井技 术 3 3 挂度 ， 下 一6 O O 一3 0 o ‘ ‘ ’ 2 0 0 ⋯1 O D 6 3 图 1 未加钻屑的流变曲线 置度 。 下 一 6 0 0 3 0 0 2 呻一 l ∞一 6 3 图 2 加凡钴屑的流变曲线 ■度 ， 下 一 6 呻一3 0 0 2 呻一1 0 0 6 3 ．图 3 海水浆的漉变曲线 圈 3 所示为一种与配方 1 相似的钻托液数据， 老化前加入 1 0 克海盐进行处理来模拟海水矿 化度， 它在 1 7 7 “12 时 HT I--／ P滤失量为 2 8 ． 0 毫 升 。 类似 6 所示配方的钻井液用范 7 0 型粘度 计进行 了各种压力影响试验 ， 由于这些流体的 不可压缩性 ， 未得 出有价值 的结果。 2 ．处理配方 表 7为 实验室配 制的钻 井液 样品， 配方 5 、 6 、 7 分别表示钻井液中含有 3 的氯化钾、 石灰和海盐 。 衰 7 老化 l 6和 6 4 小时后 的处理配方 牯井} 葭 配方 5 B 水。 桶 0 6 8 5 0 ． 6 8 5 0 ． 6 8 5 膨掏土 。 磅／ 桶 8 8 8 流盎性拉科聚合物， 碚， 桶 l O 1 0 1 0 Na O H。 磅／ 桶 1 一 1 海盐 ， 磅／ 桶 一 1 0 2 K C1 ， 碚／ 桶 0 - 5 一 一 石灰。 碚／ 桶 3 一 滤失控制囊台物， 碚， 桶 7 7 7 重晶石 ， 碚， 桶 4 1 Z 4 1 2 4 1 2 掘浆比重 ， 磅／ 加仑 1 6 l 6 l 6 静止老化温度。 。 F 4 0 0 4 0 0 4 0 0 老化时间， 小时 1 6 1 6 1 6 静切力， 碚／ 平方英尺 2 O 2 4 0 1 0 0 重晶石沉淀 无 有些 无 老化后 p H 9 - 4 1 2 2 7 3 性能 塑性牯度， 厘泊 6 l 5 4 2 2 ● 屈服值， 碚／ l o o 平方英尺 4 2 3 6 1 0 l o秒蜘力 1 1 7 l O分钟切力 2 9 l 7 2 7 H T H P滤失量． 毫升 1 7 6 2 5 2 Z 3 ． 2 虽然含有钾的配方 5 显示出明显的絮状， 但 H T H P滤失量控制得较好。 它也表明， 膨润 土与滤失控制荆聚合物混合使用有足够的抗 絮凝性。 含有石灰的配方 6 老化后保持着合适 的流变性和滤失性。 含盐量高的海水配方7 表 现出_足够的井眼清洁和滤失控制性。众所周 知， 由于在实验室评价水基钻井液 H T H P性 能较 困难 ， 因此 ， 预计这些配方经过 实际现场 的循环剪切、 温度和一些钻屑一起作用后会具 有更理想的流变性和滤失性 。 3 现场泥浆转换 维普资讯 3 4 罾 冉 站 井 技 术 第 十 三● 抽 年 ●4 期 流变性和滤 失性控制聚合物的一大实用 优点是把它们加入到普通水基泥浆中后， 能使 其转变为耐高温 的钻井液。 这种转换的结果减 少了钻井液的消耗 ， 消除淡水钻井液的生产成 本 ， 在相对较好的条件下将现有钻井 } 葭 转换成 抗 H THP的钻井液 比从头生产一种新的钻井 液需要的湃加剂更少 ， 所推荐使用的转换钻井 液为聚台物基 P } 玎 P A 或微分散的钻井液 。 以下为一实例 ， 将 1 3 0 6 k g ／ m 的海水基 P HP H现场泥浆转化为 1 9 1 3 k g ／ m’ 耐高温的 钻井液。 这种 由现场直接取得的泥浆最初性能 如表 8 所示 。 将该泥浆以 2 0 水 体积／ 体积 进行稀释 ， 然后按表 9 所示的配方处理。转换 后的泥浆在 2 0 4 。 F老化 1 6 ． 小时 ， 其前后性能 见表 1 O 衰 8 现场 用 p l l P h , 浆的性能 密度 P v YP 切力 AP I 滤失t C E C 低同相 C r C a t k g ／ mZ 磅／ 桶] c p 磅／ 1 0 o平方英尺 1 0秒／ 1 0 分 皿l 磅／ 桶 H ／ 1 1 3 0 6 1 0 9 2 6 2 6 ／ 3 6 1 1 ． 5 2 7 ． 5 1 4 ． 1 1 8 6 0 0 7 2 0 衰 9 转化到 1 9 1 3 k ／ m3 后HT HP钻井液配方 基浆t 木 桶 N a OH 灌韭性控制橐舍物 滤失控制聚合物 重晶石 桶 Z 0 希■ 磅桶 碴／ 桶 O ． 5 9 2 0． 1 7 B 2 1 2 5 3 3 B 衰 l O 转化为 1 9 1 3 k g ／ m’ 1 6磅／ 加仑， 钴井液性搪 老化后 老化前 l h ／ Z 0 4 c 4 00 。 F PV ， 印 3 2 3 4 YP， 磅 ／ 1 0 0平方英尺 2 0 l 3 1 o秒钟切力 6 6 1 0分钟 切力 3 0 2 5 p H 1 1 ． ‘ S ． 5 A P 滤失t ， 一 2 7 H THP Z S O F滤失量 ， mI 一 l 6 ． 0 蜘力 ． 磅／ 1 0 0平方英尺 一 小于 5 O a 一， mE 九 一 1 2 6 0 0 r c - ， t a j ／ I 一 3 4 4 表 1 O中数据表明， 现场泥浆经过 上述处 理所得到高温高压性能的钻井液， 静切力较 低， 重晶石无沉淀现象 ， 屈服值和切应力足蟮 悬浮和除去岩屑 ， 滤失量也得到很好的控制。 结 论 1 ． 一种新的更有效的抗高温钻井液滤失 控制聚合物 已经推出 ， 由于经过特殊的聚合作 用而形成了独特的化学结构与特性。 2 ．新 的化学方法所研 究出的聚合物 解 絮凝剂 ， 其性能超过一般的耐高温分散剂 ． 3 ．用这种新的合成聚合物可配制 2 3 2 ℃ 4 5 0 。 F 钻井条件下使用且具有 良好流变性和 滤失稳定性的钻井液。 ‘ 4 ．使用最少种类的舔加荆可配钎性能稳 定、 适用于偏僻地 区且对环境污巢很小的钻井 液 。 5 ．这种新的聚合物可将低 温、 不稳定的 钻井液很容易地转换成高温稳定的钻井液。 6 ．用这种新的聚合物钻 井液体系躬消除 由温度降解而产生的碳酸盐污染问题 。 译 自S P f ／ ] A DC 3 7 6 0 6 维普资讯