水基钻井液抗高温降黏剂VRA的研究.pdf

第 2 5卷 第 6期 2 0 0 8年 1 1月 钻 井 液与 完 井 液 DRI LLI NG FL UI D CoMPL ETI oN FLUI D Vo1 ． 2 5 NO ．6 NOV ． 2 0 0 8 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 0 8 0 6 0 0 2 3 0 3 水基钻井液抗高温降黏剂 VRA的研究 张翔宇 梁大川 王 晓琛 西南 石油大学石油工程学 院， 四川成都 摘 要 通过对抗高温聚合物分子 结构进行 设计 ， 合 成 出了两性 离子型聚合 物 降黏剂 VR A， 并 对其抗 温性、 抗 盐性和配伍性等性能进行 了评价 。结果表 明， V RA可 明显 降低淡水钻 井液 的表观黏 度和 动切 力， 获得 良好 的降黏 效果， VR A在盐水和含钙 盐水 钻井液 中也有较好的 降黏效果 ； 用 V RA处理 的不 同类型钻 井液老 化后 的表 观黏度、 动切力均未有明显的增加 ； 而且 VR A 防止地层坍 塌 的能力 明显优于 乙烯基磺 酸盐 聚合物 P AMS - 6 0 1 。由此可 以 得 出， 两性 离子 型聚合 物 VR A 是一种热稳定性和抑 制性好、 降黏和抗温 、 抗盐能力强的 降黏剂 ， 并有利 于油气层 的 保 护。 关键词 降黏剂 钻井液添加剂 抗 高温钻 井液 两性离子聚合物 中图分类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 随着勘探领域 向深部地层延伸 ， 所钻地层越来 越复杂 ， 高温 、 高压 、 高含盐地层增多 ， 必须寻求性能 稳定 、 抗温、 抗盐污染 、 能提高深井钻井速度 的钻井 液和工艺技术 。这一直是国内外深井钻井工艺技术 的难点和研究的热点_ 】 ] 。传统降黏剂 强分散剂 虽 然能够降低钻井液 的黏度和切力 ， 但钻井 液的稳定 周期 短 ， 处 理 频繁 ， 常常 诱 发井 下 事故 或 复 杂情 况 ] 。合成出一种具有较强 的抑制性、 抗高温和抗 盐污染性能、 能显著 降低水基钻井液黏度 和切力 的 新型降黏剂 VRA。 1 降 黏剂 的合成 1 ． 1 分子结构设计 新型抗高温聚合物降黏剂的设计思路如下 ① 选用碳链高分子以获得高 的热稳定性 ； ②引入可提 供庞大或刚性侧基的单体 ， 如 AMP S 、 苯乙烯磺 酸、 丙烯酰胺基长链烷基磺酸、 3 一 丙烯酰胺一 3 一 甲基 丁酸 等 ， 以提高产品的热稳定性和抗盐性l 3 ； ③引入对盐 不敏感的磺酸基 ， 以提高产品的耐盐性； ④引入可抑 制酰胺基水解的单体或耐水解单体， 以提高产 品的 耐温抗 盐 性 。 根据对高温处理剂的要求 ， 新 型降黏剂应具有 如下结构 。 1 主链采用碳碳单链结构 。为了有效地预防处 理剂的高温降解 ， 提 高主链热稳定性是关键。选用 具有碳碳不饱和双键的单体进行共聚得到主链为碳 碳链 的聚合物H ] 。由于碳碳单 键的平均键能很大， 为 3 4 7 ． 3 k J ／ mo l ， 因此破坏碳碳单键所需要 的热能 很高。也就是说， 以碳碳单键为主链的降黏剂具有 抗高温的内在结构 ， 不易发生高温降解[ 4 ] 。 2 侧链采用 C S 、 C N等结构。侧链主要是 水化基团和吸附基 团， 侧链 的失去易引起处理剂降 黏效果的降低 ] 。为此 ， 侧链采用热能高 的 C S 、 c N等结构， 使其抗温能力强 。 3 分子量为 1 0 0 0 5 0 0 0 。由于高分子 降黏剂 能形成网状结构 ， 不利于黏度的控制， 降黏剂的分子 量应尽量地低_ 7 ] 。根据理论分析及资料介绍 ， 降黏剂 的分 子量应小 于 1 0 0 0 0 ， 在 1 0 0 0 5 0 0 0之间最好 。 1 ． 2 实验 1 ． 2． 1 原料 2 一 丙烯酰胺基一 2 一 甲基丙磺酸 AMP S 、 马来酸 酐 MA 、 丙 烯 酸 AA ， 均 为 工 业 品 ； 小 阳离 子 单 体 ， 实验室 自制； 引发剂和 Na OH为分析纯。 1 ． 2 ． 2 合成步骤 将 AMP S溶 于 适 量 水 中， 在 冷 却 条 件 下 用 Na OH中和 ， 边搅拌边加人AA、 MA和小 阳离子单 第一作者简介 张翔宇， 1 9 8 3年 生， 西 南石 油大 学油气 井工程专 业在读 硕士研 究生。地址 四川 省成都 市新都 区西 南石 油大学硕士 O 6级 3班 ； 邮政编码 6 1 0 5 0 0 ； E - ma i l z x y 5 1 6 7 2 0 1 6 3 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 0 8年 1 1月 体， 并升温至 3 8℃， 加入适量的引发剂引发聚合 ， 在 搅拌条件下反应 0 ． 5 ～2 h ， 待反应完成后将体 系中 和至 p H值为 7 ． 0 ～7 ． 5 ， 在 8 0 ～1 0 0℃下烘干粉碎 得两性离子型降黏剂 VR A。 2 性 能 评价 将所需样品加入各种基浆 中， 高速搅拌 5 mi n ， 于室 温下 养护放 置 2 4 h ， 或 在 一定 温度 下滚 动老 化 1 6 h ， 再于室温下高速搅拌 5 mi n ， 用 Z NS型失水仪 测定钻 井液 的滤失量 ， 用 DNN D 6型 旋转 黏 度计 测 定钻井液的流变性 。VR A对不同类型钻井液流变 性能 的影响 如表 1 所 示 。表 1中配方如下 。 1 淡水基浆 5 钙膨润土浆 2 。 盐水基浆 5 钙膨润土4 Na C 1 3 复 合 盐 水 基 浆 5 钙 膨 润 土 4 ． 5 Na C 1 0 ． 5 Ca C1 2 1 ． 3 Mg C1 2 6 H2 O 4 含 钙盐水基 浆 4 抗 盐土 1 O Na C 1 4 C a C 1 符合 S Y／ T 5 6 0 3 9 3标准规定 表 1 降黏剂 V R A加量对不 同钻井液性能的影响 配 VRA FL A yP 配VRA FL A P 方 mI mP a s Pa 方 mL mPa S Pa 1 0 1 4 46． 0 45 ． 0 3 0 48 ． 0 2 6． 5 1 6 ．5 O． 1 9 ． 5 1 8 ．5 1 4 ． 0 0 ．1 4 4． 0 2 4． 5 1 5 ． 0 0． 3 7 ． 5 9 ． 0 4． 0 0 ．3 38 ． 0 21 ． 0 1 2． 5 O． 5 6 ． O 8 ． 0 4． 0 0 ．5 35 ． 0 1 9． 5 1 1 ．0 O． 7 5 ． 5 1 O． 5 4 ． O O． 7 3 4 ． 0 1 8． 5 1 0． 0 2 0 40 ． 0 3 1． 5 2 8 ．0 4 0 44 ． 0 2 8． 5 2 O． 5 0．1 3 4 ． 0 2 8． 0 1 9 ．0 0． 1 3 9 ．5 2 2． 0 1 2． 5 0． 3 30 ． 0 2 1． 5 1 3 ．0 0． 3 38 ． 5 1 9． 5 1 0． 5 0． 5 29 ．0 1 8． 5 1 2 ．0 0． 5 3 8 ．5 1 4．5 6 ．5 0． 7 28 ．5 1 8． 0 1 2 ．0 0． 7 3 7 ． 0 1 4． 0 6 ．5 3 结果 与讨论 3 ． 1 降黏效果 由表 1可以看 出， 降黏剂 VR A在不 同类 型钻 井液中均具有 良好的降黏性 能， 并且 VRA具有 良 好 的抗盐 能力 。 3 ． 2 抗温能力 加有降黏剂 VRA的钻井液的抗温实验结果见 表 2 。从表 2可 以看 出 ， 加有 降黏剂 VR A 的不 同钻 井液老化后 ， 钻井液的表观黏度 、 动切力未增加， 说 明合成 的降 黏 剂 VRA 具 有 较 强 的 抗 温 和抗 盐 能 力。表 2中钻井液配方如下 。 5 1 0 ． 5 VRA 6 2 1 ． 0 VRA 7 3 0 ． 5 VRA 8 4 1 ． 0 VRA 表 2降黏剂 V R A的抗温能 力实验结果 配方 配方 m FL L m A P V ． 。 Y P P 5 室 温6 ． 0 8 ． 0 4 ． 0 7 室 温 3 5 ． 5 1 9 ． 5 1 1 ． 0 老化8 ． 5 7 ． 5 3 ． 5 老化4 5 ． 0 1 5 ． 5 7 ． 0 6 室 温3 1 ． 5 2 1 ． 5 1 4 ． 0 8 室 温 3 7 ． 5 1 0 ． 0 3 ． 0 老化 4 1 ． 5 1 9 ． 5 1 1 ． 5 老化 4 8 ． 0 9 ． 5 3 ． 5 注 老化条件为 1 6 0℃、 1 6 h 。 3 ． 3 与降滤失剂的配伍性 VR A与降滤失 剂的配伍 性实验结 果见表 3 。 表 3中配方 如下 。 9 膨润 土基浆 VR A1 ． 0 D F D - 1 4 0 1 O 膨 润 土 基 浆 VR A0 ． 5 D F D - 1 4 0 1 ． 0 NPAN l 1 膨润土基浆 VR A1 ． 0 D F D - 1 4 0 1 ．0 NPAN 表 3降黏剂 V R A与降滤失剂的配伍性 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 6期 张翔宇等 水基钻井液抗 高温降黏剂 VR A 的研 究 2 5 从表 3可以看出 随着 VR A加量 的增加 ， 其降 黏效果增强， 但滤失量没有增大 ， 说明 VRA和常用 降滤失剂的配伍性 良好 。 3 ． 4 抗盐污染能力 用 0 ． 5 VR A处理淡水钻井液 ， 然后 向该 钻井 液中加入不 同量的 Na C 1 ， 高速搅拌 5 mi n使其充分 溶解 ， 测定盐污染后的钻井液性能 ， 结果见表 4 。从 表 4看出 ， 即使 Ma C 1 加量达到过饱和 ， 钻井液 的滤 失量仍较低 ， 证明 VR A有较强的抗盐污染能力 。 表 4 N a C I 加量对 V R A钻井液性能的影响 Na Cl FL A V YP Na C1 FL A V yP mL mP a s P a ％ mL mP a s Pa 0 6 ．5 3 2． 5 1 6 ．5 2 O 11 ． 9 25 ． 0 1 5． 0 4 9 ．0 27 ． 0 1 3 ． 0 3 O 1 2 ．6 11 ． 5 5 ．5 l 0 1 0 ．3 2 6． 0 1 5 ． 0 4 0 24 ．7 11 ． 0 5 ．0 3 ． 5 页岩回收率实验 VRA的页岩滚动回收率实验结果如表 5所示。 表 5 页岩 滚动回收率实验结果 注 清水 的 回收率为 1 7 ． 2 ； R 、 R 。分 别为 一 次、 二 次 回收率 ， R为相对 回收率 。 从表 5可以看 出， 0 ． 3 VR A胶液 的一次 回收 率为 9 3 ． 8 ％， 相对 回收率为 9 4 ． 9 ％， 表 明 VRA在 页岩表面的吸附能力很强 ； 而且其抑制性明显优于 阴离子 聚合物 P AMS 一 6 0 1 ， 说 明 VR A有较 强 的抑 制性 ， 能有效地控制泥页岩水化分散 ， 控制膨润土及 固相含量 ， 有利于对油气层的保护。 4 结 论 两性离子共聚物 VR A作 为钻井液降黏剂 ， 在 淡水 、 盐水和含钙钻井液 中均具有 良好的耐温 、 抗盐 作用 ， 热稳定性好 ； 而且 VRA防止地层坍塌的能力 明显优于乙烯基磺酸盐聚合物 P AMS 一 6 0 1 ， 能有效 控制泥页岩水化分散 ， 控制黏土水化 ， 有利于油气层 保 护 。 参 考 文 献 E 1 3 王 中华． 油 田化学品． 北 京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 1 6 6 18 3 [ 2 ] 夏俭英． 钻井 液有 机处理 剂． 山东东 营 石 油大学 出版 社 ， 1 9 9 1 1 2 E a rl 李健． 两性复合离 子聚合 物钻井 液处理 剂及钻井 液体 系研究与应用． 天然气工业 ， 1 9 9 1 5 4 2 4 9 [ 4 1 张克勤 ， 卢彦 丽 ， 宋芳 ， 等． 国外钻 井液处 理剂 2 O年 发 展分析． 钻井 液与完井液 ， 2 0 0 5 S 1 1 - 4 [ 5 3 黄进军 ， 蒲 晓林 ， 李建波 ， 等． 抗 2 2 0℃高温的水 基钻井 液用降粘剂研究． 油田化学 ， 2 0 0 3 3 1 9 7 1 9 9 ， 2 0 7 E 6 J 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 E 7 3 赵俊峰 ， 张克勤 ， 孔德强 ， 等． 有机硅抗高温钻井液体 系 的室内研究． 钻井液与完井液 ，2 0 0 5 S 1 5 - 7 收稿 日期 2 0 0 8 0 3 1 3 ； HG F 0 8 0 5 W8 ； 编辑 汪桂娟 启 事 由樊世忠、 申瑞臣先生主编的 欠平衡完井基础技术 现在 已经出版。该书结合 国内外平衡钻井完井技 术的实践 ， 广泛收集国外技术资料及实践资料， 从理论 与实践相结合的角度， 进行了系统的整理和编写。内 容涉及完井方法与产能分析、 完井流体 、 完井方法的选择 、 专用装备 、 低密度水 泥固井、 分支井完井 、 射孑 L 、 修 井及安全工程等 内容 ， 最后介绍 了以完井为主的工业应用实例 。该书突出了理论性、 实用性和可操作相结合 的特点 ， 是石油科技工作者 、 高等院校学生很好的参考用书。该书由中国矿业大学出版社出版、 发行， 定价为 5 0 ． 0 O元 。 联 系人 庄 春 丽 白海新 ； 电话 O 5 1 6 8 3 8 8 5 3 7 O ； 地址 2 2 1 0 0 8 江苏省徐州市 中国矿业大学校内。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m