成膜性聚合物钻井液降滤失剂的研制及评价.pdf

第 2 8 卷 第 3期 2 0 1 1年 5月 钻井液与完井液 DRI LLI NG F LUI D COMP LET 1 0N F LUI D 、 ， o l _ 2 8 No ． 3 M a y 2 0 1 1 文章编号1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 3 ． 0 0 0 9 ． 0 3 成膜性聚合物钻井液降滤失剂的研制及评价 马诚 ， 李鹏 ， 蒋官澄 ， 孔瑛 1 ． 中国石油大学 华东 重质油国家重点实验室，山东青岛 ； 2 ． 中国石油大学 北京 教育部石油工程重点实验室，北京昌平 摘要通过乳液聚合制备出一种两亲性聚合物，配合宏观和微观搭桥剂，构成了一种聚合物基成膜性钻井液降滤失 剂，介绍了 该处理剂的作用机理。红外光谱分析结果表明，该两亲性聚合物具有大量的羟基，这为形成分子有序体提供 了良好的基础，同时高密度羟基能够对页岩产生抑制作用 ；扫描电镜观察表明，该聚合物可以在滤纸及砂石表面形成坚 韧薄膜 ； 宏观搭桥剂的粒径分布集中于1 6 0 ～2 4 7 m，微观搭桥剂的重均分子量约为 4 ． 0 1 0 ，其与数均分子量的比值 为2 - 3 。室内以淡水钻井液和胜利油田现场钻井液为研究对象，考察了 该聚合物的降滤失性能。结果表明，该成膜性降 滤失剂的降滤失效果明显， 当其加量为2 ％ 时， 钻井液的中压、 高温高压及可视砂床中压滤失性能均优于现有的工业化产品。 关键词 乳液聚合 ； 成膜性 ； 钻井液添加剂 ； 降滤失 中图分类号T E 2 5 4 ． 4 文献标识码A 随着油气勘探开发领域的不断扩展 ， 传统的过 平衡压力钻井技术已经不能满足复杂地质条件的钻 井需求 之 】 。近年来兴起了成膜性降滤失剂 [3 】 ，在钻 井液中加入该处理剂后，依靠聚合物胶束或胶粒界 面吸力及其可变形性，可在井壁岩石表面形成封堵 膜，实现近零滤失钻井。与传统降滤失剂相比，这 种降滤失剂具有适用范围广、成膜速度快、承压能 力强、压力反转即可脱落及保护环境等优点。本文 通过乳液聚合制备出了一种成膜性两亲性聚合物， 该聚合物具有较强的形成分子有序体的能力，可以 在一定温度和压力下 自组织成膜 。同时提出将其与 宏观搭桥剂和微观搭桥剂复配使用的技术思路制备 出了成膜性 聚合物钻井液处理剂 ，并对该处理剂的 各项性能进行 了评价。 1 合成 实验 1 ． 1 主要试剂和仪器设备 苯乙烯 S t ， 丙烯酸丁酯 B A， 过硫酸铵 A P S ， 反 应性高分子乳化剂，均为化学纯 ； 纯度为 9 9 ．9 9 9 ％ 的氮气。控温水浴，剪切乳化搅拌器，搅拌器，高 温高压滤失仪，可视式砂床中压滤失仪 实验室自 制 ，扫描电镜，激光粒度仪。 1 ． 2 实验步骤H 将预先精制的苯乙烯 s t 、丙烯酸丁酯 B A 、 反应性高分子乳化剂按一定 比例加入到 1 5 0 mL去 离子水中剪切乳化，转移至带通氮和回流冷凝装置 的四口烧瓶中， 设定水浴温度为 8 0 。 C ， 开动搅拌器， 分 2 次向体系滴加过硫酸铵 A P S ， 6 h 后结束反应。 将得到的乳液按一定 比例加入到实验室 自制的 宏观搭桥剂和微观搭桥剂 中，得到乳白色黏稠流动 液体，即为所制得的成膜性聚合物钻井液处理剂。 2 结果与讨论 2 ． 1 成膜性聚合物降滤失剂特性 成膜性两亲聚合物和宏观搭桥剂的粒径分布如 图 1 和图 2所示。成膜性两亲聚合物为具有一定粒 径分布的胶粒状物，可以在一定程度上发生形变， 起到封堵 的效果 。通过测定得知 ，无皂乳液的中粒 基金项目 国家重大专项子专题 “ 复杂结构井储层损害评价与保护技术” 2 0 0 9 Z X0 5 0 0 9 o 第一作者简介 马诚 ，1 9 8 2年生，在读博士研究生，从事高分子材料的研究工作。地址 山东省青 岛市黄岛区长江西 路 6 6号 ；邮政编码 2 6 6 5 5 5；电话 0 5 3 2 8 6 9 8 1 8 5 9； E ma i l k k mc 1 9 8 2 y a h o o ． c o m． c a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 0 钻 井 液 与 完 并 液 2 0 1 1 年 5月 径为 O - 3 1 m，粒径分布在 0 ． 1 ～0 ． 8 5岬 之 问，并 且集 中分布在 0 ． 3 6 u m 附近，粒径 分布窗 口较 窄。 从 图 2可 以看 出，宏 观搭桥 剂 的 中粒 径为 1 7 8 ． 8 7 m，粒径分布集中于 1 6 O ～2 4 7岬 ，分布较宽 ，更 适合于较宽孔喉的封堵。 微观搭桥剂为线性高分子， 其分子量及分布见图 3 ，可 以看出 ，其重均分子量 约为 4 ．0 1 0 ，其与数均分子量的比值为 2 -3 。 两亲性聚合物的红外谱图见图4 。 1 0 0 8 0 抽6 0 鑫4 o 2 0 O 田 氍 格 衽 删 0 0 ． 1 1 ．0 1 0 ． 0 粒径范m／ o re 图 1 两亲性聚合物的粒径分布 1 0 0 粒径范 围／ u m 图 2 宏观搭桥剂的粒径分布 6 ． 8 6 ． 6 6．4 6 ．2 6 ． 0 5 ． 8 5 ． 6 5 ． 4 5 ． 2 5 ．0 4 分子量分布 ’ 。 0 0 。 蚕。0 6 庭 凶 O ．O 8 忸 6 厘 0 0 1 0 O 8 0 6 0 4 0 2 0 嚓 O 8 物具有大量的羟基 ，这为形成分子有序体提供 了良 好 的基础 ，同时高羟基密度能够对页岩产生抑制作 用 ，其成膜效果见扫面 电镜图 5 。由此可知 ，该聚 合物具有 良好 的成膜性 ，能够在滤纸及砂子表面形 成致密的膜结构。 砂 子表面 砂 子表面成膜 图5 成膜性降滤失剂成膜的扫描电镜图 2 ． 2 成膜性聚合物降滤失剂的性能评价 州 2 ． 2 ． 1 与钻井液的配伍性 配制密度为 1 ． 0 3 g ／ c m 的钠膨润土基浆 ，室 内 养护 4 8 h后 ， 加入不同量的成膜性聚合物降滤失剂 ， 考察其与钻井液的配伍性 ，结果见表 1 。 图 3 微观搭桥剂的分子量及分布 表 1 成膜性聚合物降滤失剂对钻井液性能的影响 波数／ e ra 图 4 两亲性聚合物的红外谱图 由图 4可 以看 出，波数 为 3 5 0 0 c m。 处 为羟基 特征吸收峰，这个吸收峰较强烈，说明制备的聚合 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 3期 马诚等 成膜性聚合物钻 井液降滤失剂的研制及评价 由表 1 可知 ，随成膜性 降滤失剂加量 的增加 ， 钻井液的表 观黏度和动切力上升 ，AP I 滤失量逐步 降低 。这是 因为宏观及微观搭桥剂与钻井液 的复配 性能较好 ，宏 观搭桥剂能够大量吸附钻井液颗粒 ， 因此钻井液颗粒以其为载体而活动受限，高分子微 观搭桥剂的吸水溶胀进一步降低了钻井液中水分的 稀释作用 ； 同时两亲性聚合物丰富的羟基与宏观及 微观搭桥剂相互作用 ，形成封堵层 ，最终导致 AP I 滤失量下降。 2 ． 2 ． 2 对钻井液滤失量的影响 取钻井液用隔离膜防塌降滤失剂 F L A A、双保 无渗透钻井液转换剂 F L A ． B与该成膜性聚合物降 滤失剂做对 比实验 ，结果见表 2 。取胜利油 田现场 钻井液，考察 8 0。 C、3 ． 5 MP a 、3 0 m i n 条件下的高 温高压滤失量，实验结果见表 3 。由表 2 和表 3 可 见，随处理剂加量的升高，3 种产品对中压、高温 高压滤失量都有贡献 ， 其中成膜性降滤失剂在加量 为 2 ％时，中压、高温高压滤失量下降明显，且滤 失量明显优于另外 2种工业化产品，说 明成膜性聚 合物降滤失剂在此添加量时，已经能够形成完整的 封层。参见表 1 的数据，综合成膜性降滤失剂对钻 井液黏度、中压、高温高压滤失量的影响及添加成 本等因素，选择降滤失剂添加量为 2 ％进行可视中 压砂床滤失的研究 。 表 2 成膜性降滤失剂与工业化产 品降滤失性能 的对 比 表 3 不同处理剂的高温高压 8 0。 C、3 ． 5 MP a 降滤失性能 处 理 剂 旦 L 一 0 1 ％ 2 ％ 3 ％ 4 ％ 5 ％ 6 ％ 成膜性聚合物 3 2 1 1 8 ． 4 8 ． 0 7 ． 8 7 ． 6 7 ． 6 FL A A 3 2 1 1 l 1 1 0 8 ． 8 8 ． 4 8 ． 4 F L A． B 3 2 1 1 1 1 1 0 1 0 9 ． 6 8 ． 8 2 ． 3 可视式砂床中压滤失量 筛选粒径为 0 ． 4 5 ～0 ．9 0 m m的砂子，烘干后加 入评价装置井筒中，在定量的钻井液中按 2 ％体积 分数加入待测体系。室温陈化 9 6 h 后缓慢倒入降 滤失评价装置中，加压 0 ． 7 5 MP a ，保压 7 ．5 m i n ， 记 录钻 井液 的侵 入深度 为 2 5 c m。而老化 前加 入 F L A． A、成膜性 聚合物处理剂的钻井液侵入深度为 9 、1 3 c m，老化后则分别为 1 1 和 7 c m。由此可知 ， 老化后成膜性聚合物钻井液处理剂的性能更好，这 可能是宏观、 微观两级搭桥剂与钻井液作用更充分， 两亲性聚合物分子链更为舒展 ，因此形成的隔离膜 更致密，封堵效率更高，同时也说明了成膜性聚合 物钻井液处理剂具有一定的耐老化性能。 3 作 用机理研 究 两亲性聚合物可以直接通过嵌段、接枝及网络 等形式将亲水性链与亲油性链 以化学键连接在一起 而制得。该实验采用反应性高分子乳化剂，与水溶 性的引发剂反应，形成高分子乳化剂 自由基，进攻 乳胶束集团， 按照胶束成核机理反应 ， 形成具有 “ 触 手”结构的胶粒 。该两亲 I生聚合物 的作用机理如图 6所示。其 中，蓝色为两亲性 聚合物亲水基 团，橘 红色为两亲性聚合物亲油基团， 黄色为钻井液颗粒。 两亲性聚合物为胶粒状物质 ，胶粒通过形变可 以对 井壁孔喉初步实现封堵 ； 同时胶粒表面带有长链亲 水基团，在钻井压力的作用下 ，聚合物分子链卷曲 缠绕形成以宏观搭桥剂作为骨架的立体网状结构。 微观搭桥剂捕捉到大量钻井液颗粒，通过其修补作 用得到更致密的网络。受到温度和压力作用时 ，便 可快速形成致密的隔离膜 ； 同时 由于两级搭桥剂 的 存在 ，使得成膜性聚合物钻降滤失剂对不 同孑 L 径孔 喉的封堵效率提高。 2 3 1 ． 进入钻井液中后 ，两亲性聚合物与两级搭桥剂无规分 散于钻井液中 ； 2 ． 在钻井液温度和压力作用下，发生形变， 形成膜状结构 ； 3 ． 自适应封堵地层空隙。 图 6 成膜性聚合物钻井液处理剂作用机理 下转第1 5 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 8卷 第 3期 刘晓栋 耐 高盐高强度膜屏蔽剂的研制与性能评价 l 5 相含量不大于 4 ％，泥饼黏附系数为 0 ． 0 1 5 ～0 ． 0 2 2 。 返 至 振 动 筛 的泥 屑 干燥 、未 分 散 ，粒 径 分 布 在 0 ． 8 ～5 ． 0 mm之间 ，除砂器基本无固相 ，现场钻井 液在室内静置 6 0 d ，钻井液性能无任何变化。该井 起下钻通畅 ，完井井 眼规则 ，全井 电测平均井径扩 大率仅为 4 ． 1 2 ％。投产产液量为 2 3 8 m。 ，产油量为 2 4 m ，8 1 d后产液量为 2 4 0 m。 ，产油量为 7 0 m ， 含水率从 8 9 ．9 2 ％降低为 7 0 ． 8 3 ％。表明膜屏蔽剂在 负压差作用下通过返排解堵 ，油气孔道恢复，提高 了油气的释放和开采。 4 结论 1 ． 膜屏蔽剂 B X P 一 2 富含阳离子聚合物，形成的 聚集 体具有较强 的弹性和适度 的可变形性 ，在井筒 流体正压差的作用下 ，能迅速对井壁上的喉道 和孔 道进行充填并镶嵌 ，封堵范围较广 ，对漏层孑 L 隙或 裂缝尺寸的依赖性较弱。完井时在负压差作用下通 过返排 ，屏蔽暂堵层就会被清除 ，不需要额外 的解 堵作业 。 2 ． 膜屏蔽剂 B XP 一 2在高浓度高价金属盐溶液 中 具有提高黏度和切力、降滤失的作用，其浓度高于 勘 0 嘞 粤母 { { { e 上接第i I 页 4 结论 2 ％ 时，切力 即可满足悬浮钻屑的需要 ，非常适用 于各种盐水 、饱和盐水钻井液的配制 。 3 ． 膜屏蔽 剂 B X P 一 2的成膜 强度很 高 ，膜 弹性 模量在 1 5 0 0 P a以上，其泥饼的抗冲刷能力强，能 封堵小于 0 ． 9 m m 的石英砂床。膜屏蔽钻井液中的 B X P ． 2 含量达到 3 ． O ％时，钻井液 的结构力升高， 能减小共沉降中钻屑的含量，能防止钻井液静止时 钻屑沉降、堆积卡钻。 4 ． 现场应用表 明， 膜屏蔽钻井液的抑制性较强 ， 能防止井壁坍塌， 保护油气层， 其综合应用效果好。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐同台，陈永浩 ． 广谱型屏蔽暂堵保护油气层技术的探 讨 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 3 ，2 0 3 3 9 4 1 ． [ 2 ] 王永恒，康毅力，兰林 ． 集成超低渗透与屏蔽暂堵优势 的新型钻井完井液 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 8 ， 2 5 6 1 4 1 6． [ 3 ] 吕开河， 邱正松， 王在明． 自适应屏蔽暂堵钻井液技术 [ J ] ． 中国石油大学学报 自 然科学版 2 0 0 8 ， 3 2 2 6 8 7 1 ． [ 4 ] 裴建忠，吕开河，王树永，等 ． 聚合物弹性微球油层保 护剂的研究 [ J ] _ 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 2 2 8 - 2 9 ． 收稿 日期2 0 1 0 1 2 2 0 ；HG F I 1 0 2 A1 ；编辑 张炳芹 拿 鳓 勘 e e 喙0 e 章 锄 e { e ，喀e 勘 勘 勘 嘞 断 1 ． 经红外光谱表明，制备出的两亲性聚合物具 有大量 的羟基 ，这为形成分子有序体提供了良好的 基础，同时高羟基密度能够对页岩产生抑制作用 ； 经扫描电镜证明 ，该两亲性聚合物具有 良好的成膜 性 能，能够在滤纸和砂子表面形成致密 的膜结构。 配合实验室 自制 的宏观和微观两级搭桥剂 ，构成 了 成膜性聚合物钻井液处理剂 。 2 ． 制备 的成膜性聚合物钻井液处理剂与钻井液 复配 性能 良好 ，对钻井液的各参数影响不大 。 3 ． 经 A P I 、高温高压滤失和可视砂床中压滤失 实验证明，成膜性聚合物钻井液处理剂具有良好的 耐温耐陈化能力，降滤失性能良好。 参 考 文 献 【 1 ] H e l i o S a n t o s J O． N Da ma g e D r i l l i n g H o w t o Ac h i e v e T h i s C h a l l e n g i n g G o a l [ R ] ／ A DC | s P E 7 7 1 8 9 。2 0 0 2 t 1 7 『 2 ] S a n t o s H． I n c r e a s i n g Le a k O f f P r e s s u r e W i t h Ne w Cl a s s o f D r i l l i n g F l u i d [ R ] ． S P E／ I A DC 7 8 2 4 3 ，2 0 0 2 2 0 2 3 ． [ 3 ] T a n C P ． No v e l h i g h me mb r a n e e ffic i e n c y w a t e r b a s e d d r i l l i n g f l u i d s f o r a l l e v i a t i n g p r o b l e ms t r o u b l e s o me s h a l e f o r ma t i o n s [ R ] ． I A DC ／ S P E 7 7 1 9 2 ， 2 0 0 2 1 - 9 ． [ 4 ] 陈晓锋， 高彦芳， 刘德山 ． 无皂苯丙乳液的合成及 能研 究 [ J ] ． 高分子材料科学与工程， 2 0 0 4 ， 2 0 2 5 4 ． 5 6 ． f 5 】 罗向东，陶卫民 ． 无渗透无侵害钻井液及其渗滤性能评 价方法的探讨 [ J ] _ 钻井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 1 5 - 8 ． [ 6 ] 孙金声 ， 唐继平 ， 张斌 ． 几种超低渗透钻井液性能测试 方法 [ J ] ． 石油钻探技术 ， 2 0 0 5 ，3 3 6 2 5 2 7 ． 收稿 日期2 0 1 1 - 1 2 8 ；H GF 1 1 0 3 N3 ；编辑王小娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m