超高密度鉆井液分散劑的合成及性能評價

謝建宇，李 彬，張 濱

(中國石化中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽 457001)

在深井、超深井鉆井過程中，為了平衡地層壓力，必須使用加重鉆井液，以滿足工程及地質(zhì)方面的要求，如新疆油田南緣山前構(gòu)造帶上的安4井、獨深1井，塔里木盆地迪那11井以及赤水官渡地區(qū)的官深1井等［1］。由于超高密度鉆井液固相含量高(重晶石體積分?jǐn)?shù)甚至可達50%以上)，加重材料及部分鉆屑長期在高溫高壓環(huán)境下受高剪切速率作用及鉆頭研磨，致使鉆井液中細小粒子增多，流變性不易控制，導(dǎo)致機械鉆速降低。為解決這些難題，國內(nèi)科研人員往往通過在超高密度鉆井液中加入降黏劑來改善鉆井液流變性。由于普通降黏劑對重晶石分散作用有限，超高密度鉆井液的流變性仍然難以滿足現(xiàn)場需求［2－6］。筆者利用天然材料與丙烯酸、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸和陽離子單體進行接枝共聚，研制出一種適用于超高密度鉆井液的兩性離子型接枝共聚物分散劑JZ－1，并對合成的分散劑進行了室內(nèi)評價。

1 實驗部分

1.1 試劑

丙烯酸(AA)、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸(AMPS)、二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)、天然材料T，均為工業(yè)品;相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑、過硫酸銨、氫氧化鈉，均為分析純。

1.2 分散劑JZ－1的合成

將反應(yīng)單體AA、AMPS和DMDAAC溶解于清水中備用，將引發(fā)劑過硫酸銨溶解于清水中備用，然后將天然材料與一定量的相對分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑溶解于清水中并加入到四口燒瓶中，加熱至60℃后，將反應(yīng)單體和引發(fā)劑溶液同時進行滴加，滴加結(jié)束后將體系加熱至90℃反應(yīng)1 h，最后將產(chǎn)物用NaOH中和，烘干，得到天然材料接枝共聚物分散劑JZ－1。

1.3 泥漿性能評價

1.3.1 基漿配制

1)淡水基漿。在1 L水中加入1 g碳酸鈉和20 g膨潤土，高速攪拌2 h，室溫下放置養(yǎng)護24 h，即得2%淡水基漿。

2)鹽水基漿。在2%淡水基漿中加入10%的氯化鈉，高速攪拌5 min，于室溫下放置養(yǎng)護24 h，即得鹽水基漿。

3)含鈣基漿。在2%淡水基漿中加入1%的氯化鈣，高速攪拌5 min，于室溫下放置養(yǎng)護24 h，即得含鈣基漿。

1.3.2 性能測試

1)分散率測定。將合成的分散劑JZ－1加入到配制的基漿中，高速攪拌5 min，于室溫下放置養(yǎng)護24 h或在一定溫度下滾動老化16 h后，室溫下高速攪拌5 min，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計測定泥漿的流變性。按下式計算分散劑的分散率:

式中，φ0，φ1分別為加分散劑前、后時基漿在黏度計為100 min－1時的讀數(shù)。

2)頁巖回收率測定。所用頁巖樣為馬12井在井深2 700 m處的巖屑，取2.0～3.8 mm頁巖于(105±3)℃下烘至恒重，降至室溫。稱取10 g頁巖(m0)放入待測鉆井液中，于150℃下滾動16 h，降溫后取出，用孔徑0.42 mm篩回收巖心，于(105±3)℃下烘至恒重，降至室溫，稱回收巖心質(zhì)量(m1);然后將已稱重的回收巖心放入清水中于120℃下滾動2 h，降溫后取出，用孔徑0.42 mm篩回收巖心，于(105±3)℃下烘至恒重，降至室溫稱回收巖心質(zhì)量(m2)。以下式計算頁巖回收率:

一次頁巖回收率:R1=m1/m0×100%

二次頁巖回收率:R2=m2/m0×100%

相對頁巖回收率:R=R2/R1×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑在基漿中的性能評價

2.1.1 在淡水基漿中

淡水基漿配方:2%淡水基漿+重晶石，ρ=2.6 g/cm3。將分散劑(用量以基漿或鉆井液的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計，下同)加入到基漿中，然后測定基漿在室溫及150℃高溫老化16 h后的流變性能，結(jié)果如表1所示。

表1 分散劑在淡水基漿中的分散性能

從表1可以看出，在淡水基漿中加入分散劑后，經(jīng)室溫養(yǎng)護24 h或150℃高溫老化16 h后，分散劑的分散率隨著分散劑用量增加而提高;當(dāng)分散劑用量達到3%時，其分散率可達50%以上，表現(xiàn)出良好的分散性能。

2.1.2 在鹽水基漿中

鹽水基漿配方:2%淡水漿+10%NaCl+重晶石，ρ=2.6 g/cm3。將分散劑加入到鹽水基漿中，測定基漿在室溫養(yǎng)護24 h后的流變性能，結(jié)果如表2所示。

表2 分散劑在鹽水基漿中的分散性能

從表2可以看出，在鹽水基漿中加入分散劑，經(jīng)室溫養(yǎng)護24 h，分散劑的分散率隨著分散劑用量增加而提高，當(dāng)分散劑用量達到2%時，其在鹽水基漿中的分散率可以達到56%以上，這說明分散劑在鹽水基漿中具有較好的抗鹽性能。

2.1.3 含鈣基漿

含鈣基漿配方:2%淡水漿+1%CaCl2+重晶石，ρ=2.6 g/cm3。將分散劑加入到含鈣基漿中，測定基漿在室溫養(yǎng)護24 h后的流變性能，結(jié)果如表3所示。

表3 分散劑在含鈣基漿中的分散性能

從表3可以看出，在含鈣基漿中加入分散劑后，經(jīng)室溫養(yǎng)護24 h，分散劑的分散率隨著分散劑用量增加而提高，當(dāng)分散劑用量達到2%時，其在含鈣基漿中的分散率可以達到55%以上，這說明分散劑在含鈣基漿中具有較好的抗鈣性能。

2.2 分散劑在超高密度鉆井液中的性能評價

實驗考察了分散劑JZ－1對超高密度鉆井液性能的影響。超高密度鉆井液基漿配方:1.25%土漿+4%SMP(磺化酚醛樹脂)+6%SMC(磺化褐煤)+0.1%LV－CMC(低黏度羧甲基纖維素)+1%潤滑劑+重晶石。

2.2.1 分散劑用量對體系性能的影響

將不同量的分散劑JZ－1分別加入到超高密度鉆井液(ρ=2.8 g/cm3)中，經(jīng)150℃老化16 h后進行性能評價，結(jié)果如表4所示。當(dāng)分散劑JZ－1用量為2%時，就可以在超高密度鉆井液中發(fā)揮出較好的分散作用，體系漏斗黏度由不加分散劑的282 s降低至130 s，有效改善了體系流變性。由表4還可看出，體系經(jīng)室溫24 h靜置后，上下層密度差由不加分散劑的0.56 g/cm3降低至0.03 g/cm3，顯著提高了體系的懸浮穩(wěn)定性能。

表4 分散劑用量對鉆井液性能影響

2.2.2 分散劑對不同密度鉆井液性能的影響

在不同密度的鉆井液基漿中加入2%的分散劑JZ－1，經(jīng)150℃老化16 h后進行性能評價，結(jié)果如表5所示。

表5 分散劑對不同密度鉆井液性能的影響

從表5可看出，在密度為2.5～2.8 g/cm3的超高密度鉆井液中，加入2%分散劑JZ－1后，體系流變性有了明顯改善，說明JZ－1可以在超高密度鉆井液體系中有效發(fā)揮對重晶石的分散作用。

2.2.3 老化時間對分散劑性能的影響

在密度為2.8 g/cm3的鉆井液基漿中加入2%的分散劑JZ－1，在150℃下老化，考察鉆井液流變性能，結(jié)果如表6所示。

表6 老化時間對分散劑性能的影響

從表6可以看出，經(jīng)72 h高溫老化后，超高密度鉆井液流變性能變化不大，這說明分散劑可經(jīng)受長時間的高溫老化，抗溫性能較好，可滿足現(xiàn)場施工需求。

2.2.4 鉆井液游離水量

鉆井液中能夠提供鉆井液流動性的液相稱為游離水。由于其流動能力很強，可用高速離心機將穩(wěn)定鉆井液中的游離水分離出來［7］。通過在超高密度鉆井液中加入分散劑，考察分散劑對超高密度鉆井液游離水量的影響。

準(zhǔn)確量取15 mL密度為2.8 g/cm3超高密度鉆井液并將其放進入離心機，在4 000 min－1下離心分離20 min后關(guān)閉離心機電源，然后將離心管上層液體(即為游離水)倒入量筒測體積。

表7 分散劑對游離水量的影響

從表7可以看出，在超高密度鉆井液基漿中加入分散劑JZ－1后，游離水量增加。這說明分散劑可以釋放鉆井液中束縛的游離水，有利于改善超高密度鉆井液的流變性。

2.2.5 分散劑抑制性

由于分散劑含有陽離子基團，為此對分散劑的抑制性能進行了評價。在密度為2.8 g/cm3的超高密度鉆井液中加入部分頁巖，考察加入分散劑后超高密度鉆井液對頁巖的抑制、防塌性能，結(jié)果見表8。加有分散劑的鉆井液的頁巖回收率明顯高于清水及未加分散劑的鉆井液，前者的一次頁巖回收率達93.3%，相對回收率達到94.6%，表現(xiàn)出較好抑制泥頁巖水化分散性能。

表8 分散劑抑制性評價

2.3 紅外光譜分析

將合成的分散劑樣品經(jīng)純化后，用紅外光譜儀進行檢測，結(jié)果見圖1。3 408 cm－1處是羥基(—OH)伸縮振動吸收峰，1 722 cm－1和 1 615 cm－1處是羰基(—C＝O)伸縮振動吸收峰，1 184 cm－1和1 040 cm－1處為磺酸基(—SO3)伸縮振動吸收峰。

圖1 分散劑的紅外光譜

2.4 熱分析

將合成的分散劑樣品經(jīng)純化后，用熱分析儀進行熱分析，結(jié)果見圖2。分散劑在280℃開始分解，說明分散劑具有較好的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

天然材料與乙烯基單體接枝共聚合成的超高密度鉆井液用分散劑JZ－1，在基漿和超高密度鉆井液中均表現(xiàn)出良好的分散性能，同時還具有一定的抑制、防塌能力，可顯著提高鉆井液的流變性和沉降穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)場施工需求。

圖2 分散劑的熱分析曲線

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