高性能合成基鉆井液體系的研制及性能研究

趙春花， 羅健生， 夏小春， 孫強(qiáng)， 耿鐵， 劉剛

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊 065201）

油基鉆井液具有優(yōu)異性能，現(xiàn)已廣泛作為鉆深井、大斜度定向井等的重要手段。但隨著鉆探的開發(fā)，高溫、高壓井作業(yè)區(qū)域擴(kuò)大，油基鉆井液面臨越來越嚴(yán)厲的挑戰(zhàn)[1-4]；高溫高壓井鉆井液性能設(shè)計(jì)一般將井眼復(fù)雜情況的預(yù)防和處理作為設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注高溫?zé)岱€(wěn)定性、高溫高壓濾失量、抗污染能力和重晶石沉降性能，如設(shè)計(jì)不合理或達(dá)不到要求，會(huì)導(dǎo)致重晶石沉降、井下漏失、井涌甚至井噴等[5-7]。尤其對(duì)高溫高壓復(fù)雜井，安全密度窗口較窄，降低鉆井液黏度能有效降低摩擦阻力，減少對(duì)ECD的影響；而傳統(tǒng)的油基/合成基鉆井液在高溫下會(huì)膠凝稠化，導(dǎo)致過高的激動(dòng)壓力和ECD，易引發(fā)井塌、井漏等作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此，高性能合成基鉆井液除了滿足常規(guī)性能，還須滿足低黏度低切力、重晶石沉降穩(wěn)定性好等要求；針對(duì)高溫高壓復(fù)雜井，應(yīng)嚴(yán)格測(cè)試鉆井液的抗高溫能力和高溫高壓流變性，以保持合理的ECD和沉降穩(wěn)定性[7-12]。針對(duì)傳統(tǒng)油基/合成基鉆井液的不足，從提高核心處理劑的熱穩(wěn)定性和配伍性出發(fā)，研發(fā)了抗高溫乳化劑、抗高溫降濾失劑和抗高溫有機(jī)土，且在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了一套高性能合成基鉆井液體系，并詳細(xì)研究了該體系的高溫穩(wěn)定性、高溫高壓濾失及高溫高壓下流變性，以滿足現(xiàn)場(chǎng)安全鉆井的需求。

1 高性能合成基鉆井液體系的構(gòu)建

所謂高性能合成基鉆井液，是指其密度在2.0 g/cm3、溫度在200 ℃或以上時(shí)，鉆井液保持低黏度、低切力、濾失量小及重晶石沉降穩(wěn)定性好。即該鉆井液在65 ℃下100 r/min讀數(shù)不宜太高（該轉(zhuǎn)速與鉆井過程中鉆井液在環(huán)空的上返速度相近）[13]，濾失量小于5 mL，且重晶石的沉降因子（SF）不大于0.52，能滿足安全密度窗口窄地層鉆井的技術(shù)需求。體系構(gòu)建的關(guān)鍵因素是抗溫達(dá)200 ℃以上的乳化劑、有機(jī)土及降濾失劑等核心材料的開發(fā)，其中乳化劑是確保鉆井液在高溫下的乳化穩(wěn)定性的核心材料，其對(duì)固相顆粒的油潤(rùn)濕性、鉆井液的流變性和濾失性能起到協(xié)同增效作用。目前，國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的合成基鉆井液使用的乳化劑抗溫性不好，在高溫下容易降解，由此導(dǎo)致體系的穩(wěn)定性下降，如高溫增稠，濾失量增大等，難以滿足高溫高壓井的現(xiàn)場(chǎng)的要求[14-19]。此外，高溫降濾失劑和有機(jī)土等其他核心材料的熱穩(wěn)定性和配伍性也極為重要。

1.1 核心處理劑的研制

1.1.1 抗高溫乳化劑

合成基鉆井液主要為油包水乳液，其整體性能的好壞主要取決于使用乳化劑的效果是否良好，乳液是否穩(wěn)定。目前，國(guó)內(nèi)外合成基鉆井液中常用乳化劑主要有不同碳鏈長(zhǎng)度的高級(jí)脂肪酸皂、氧化妥爾油及其衍生物、胺基類的乳化劑（如酰胺類和咪唑啉類），但當(dāng)溫度大于232 ℃時(shí)，這些乳化劑容易受熱分解[10-12]。因此，在不引入酰胺基團(tuán)或酸酐基團(tuán)等不耐溫官能團(tuán)的前提下，從分子結(jié)構(gòu)水平上重新設(shè)計(jì)，合成了一種具有特殊結(jié)構(gòu)的多羥基乳化劑DF-MOCOAT UT，可以作為高性能合成基鉆井液體系的乳化劑，其具有優(yōu)異的乳化性能。對(duì)比了其與傳統(tǒng)乳化劑的乳化性能，結(jié)果見圖1。

圖1 不同乳化劑的乳化率隨時(shí)間的變化

由圖1可以看出，由DF-MOCOAT UT配制的油包水乳狀液，在232 ℃下老化16 h、常溫下靜置7 d，乳化率仍然高達(dá)95%，與國(guó)際一流公司抗高溫乳化劑MOEMUL-3的乳化率相當(dāng)，而其他商業(yè)化乳化劑的乳化率都隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)迅速下降，說明了DF-MOCOAT UT具有良好的耐高溫乳化性能。

利用顯微技術(shù)可以直接觀測(cè)乳狀液的液滴形貌和尺寸分布，更為直觀地表征乳液的穩(wěn)定性。不同乳化劑配制的油包水乳狀液在232 ℃下老化16 h后，乳狀液液滴的尺寸大小及分布情況見圖2。由圖2可 知， 由DF-MOCOAT UT或MOEMUL-3配制的乳狀液液滴粒徑較小，分布也較為均勻，說明研發(fā)的乳化劑DF-MOCOAT UT與MOEMUL-3具有較高的乳化率，與上述測(cè)定的乳化率相一致。而由MOEMUL-2或MOEMUL-5配制的乳狀液經(jīng)過高溫老化后，乳液滴的尺寸較大且分布不均勻，發(fā)生顯著的聚并，說明由M O E M U L-2或MOEMUL-5配制的乳狀液高溫老化后不穩(wěn)定，乳化率隨時(shí)間急劇下降?？赡艿脑?yàn)楦邷厥沟萌榛瘎┓肿釉谟?水界面上排列的有序性減弱，在油/水界面上發(fā)生解吸附，界面膜強(qiáng)度降低，導(dǎo)致乳狀液穩(wěn)定性下降。由MOEMUL-1或MOEMUL-4配制的乳狀液液滴粒徑較大，且分布不均勻，因此其乳化率也較低；但由于MOEMUL-1的黏度較高，因而析出油相的速度較慢，但在放置1 d后，析出油相的速度增加，其乳狀液的穩(wěn)定性也要低于使用DF-MOCOAT UT配制的乳狀液。

圖2 不同乳化劑配制的乳狀液液滴的顯微鏡照片

1.1.2 抗高溫降濾失劑的研發(fā)

目前國(guó)內(nèi)外合成基鉆井液用降濾失劑主要為腐植酸酰胺類、瀝青類和高分子聚合物類降濾失劑。腐植酸酰胺主要是通過腐植酸與有機(jī)胺反應(yīng)生成有機(jī)酰胺，使腐植酸由水溶性變?yōu)橛腿苄?，但該類產(chǎn)品在油相中分散不均勻，且耐溫性不好[20]。瀝青類產(chǎn)品高溫下吸油膨脹和部分分解，通常導(dǎo)致流變性變差和高溫高壓濾失量增加[21]。哈里伯頓公司研發(fā)了一種油溶性聚合物甲基苯乙烯/丙烯酸酯共聚物作為油基鉆井液降濾失劑，在抗高溫、易分散等方面具有突出的優(yōu)勢(shì)[22]。但中國(guó)關(guān)于高分子聚合物類降濾失劑的研究報(bào)道較少。因此利用剛性單體與柔性單體，合成了一種新型的交聯(lián)共聚物降濾失劑DF-MOTROL，其具有一定的油分散性和較高的抗溫性能，在較低的加量下顯著地降低高溫高壓合成基鉆井液體系的濾失量。基礎(chǔ)配方如下。

315 mL Saraline185V氣制油+35 mL CaCl2（25%）+3%主乳化劑+2%輔乳化劑+2.0%有機(jī)土+3.0%CaO+重晶石（加重至2.0 g/cm3）。

在基礎(chǔ)配方中加入DF-MOMOTROL，配制成待測(cè)試合成基鉆井液，測(cè)試合成基鉆井液在200 ℃老化前后的流變參數(shù)和高溫高壓濾失量，結(jié)果見表5。由此可知，隨著DF-MOTROL加量的增大，合成基鉆井液的濾失量明顯降低，電穩(wěn)定性提高；當(dāng)DF-MOTROL加量從0～1.0%時(shí)，合成基鉆井液的濾失量從23 mL降至2.9 mL，且流變參數(shù)基本不變，破乳電壓增高，表明DF-MOTROL在較低的加量下就能顯著地降低合成基鉆井液的濾失量，并且提高乳化劑的乳化穩(wěn)定性。這可能是因?yàn)镈FMOTROL分散在油相中形成微米級(jí)或納米級(jí)的膠體顆粒，能夠吸附在油水界面上，與乳化劑分子協(xié)同穩(wěn)定乳液。但當(dāng)DF-MOTROL的加量為1.5%和2.0%時(shí)，流變參數(shù)φ100讀數(shù)、PV和YP顯著增加，因此DF-MOTROL的推薦加量為1.0%。

表1 DF-MOTROL加量對(duì)合成基鉆井液性能的影響

在上述基礎(chǔ)配方中加入1.0%的DF-MOTROL，考察DF-MOTROL的降濾失效果隨老化溫度的變化，結(jié)果如表2所示。由表2可知，在密度為1.8～2.4 g/cm3、溫度在180～232 ℃范圍內(nèi)，合成基鉆井液具有較小的濾失量和良好的電穩(wěn)定性（破乳電壓大于1 000 V）；密度為2.4 g/cm3的體系在232 ℃老化16 h后，高溫高壓濾失量仍然小于4 mL，形成的泥餅較薄且堅(jiān)韌，表明DF-MOTROL在232 ℃內(nèi)具有良好的降濾失性能。這主要的原因是：①溶解的部分DF-MOTROL和乳液滴侵入固體顆粒之間的空隙并在壓差下產(chǎn)生變形，參與內(nèi)泥餅的形成；②DF-MOTROL在合成基鉆井液中形成了可變形的微凝膠顆粒，能夠填充在乳化液滴和固體顆粒之間的界面區(qū)域，阻止油相通過泥餅流入地層；且隨著濾液的侵入，越來越多的微凝膠顆粒吸附沉積在井壁表面上形成外泥餅，進(jìn)一步阻止液相向地層的滲入，有良好的降濾失效果。

表2 DF-MOTROL在合成基鉆井液中的熱穩(wěn)定性

1.1.3 抗高溫有機(jī)土的研發(fā)

在合成基鉆井液中，有機(jī)土既可提高體系的黏度和切力，又能降低體系的濾失量，因此有機(jī)土是合成基鉆井液中不可缺少的核心處理劑之一[23]。當(dāng)溫度超過175或200 ℃時(shí)，傳統(tǒng)的有機(jī)土在高溫下不能夠有效地提高低剪切黏度，從而導(dǎo)致懸浮性能變差，不能有效懸浮重晶石等固相顆粒[24-25]，因此研發(fā)性能優(yōu)良的抗高溫有機(jī)土是配制高性能合成基鉆井液的前提。通過分析影響有機(jī)土制備的因素：黏土的類型、制備方法、改性劑的類型及含量、反應(yīng)的前處理和后處理等因素[24]，研發(fā)了一種性能優(yōu)良的抗高溫有機(jī)土DF-MO GEL HT，其有機(jī)改性劑含量較高，且抗溫性能好，在高溫下能提高低剪切黏度和懸浮性能。

利用同步熱分析儀對(duì)比了不同種類的有機(jī)土的抗溫性能，結(jié)果見圖3（a）。由圖3（a）可以看出，在熱重曲線上， 商業(yè)化的有機(jī)土MOGEL 1和MOGEL 2分別在250、238 ℃附近失重率開始增大，且整個(gè)升溫過程幅度較大，樣品質(zhì)量急劇減小，而DF-MOGEL HT是在321 ℃附近失重率開始增大，且整個(gè)過程幅度較小，證明DF-MOGEL HT熱穩(wěn)定性明顯高于MOGEL 1和 MOGEL 2有機(jī)土。

進(jìn)一步考察不同種類的有機(jī)土在合成基鉆井液中的φ6讀數(shù)，結(jié)果見圖3（b）。由圖3（b）可知，MOGEL 1和MOGEL 2配制的合成基鉆井液隨著老化溫度的升高，φ6讀數(shù)逐漸減小，尤其當(dāng)老化溫度超過175 ℃后，其φ6讀數(shù)急劇地減小，可能由于高溫導(dǎo)致了季銨鹽類的改性劑在有機(jī)土MOGEL 1和MOGEL 2上的脫附，破壞了高溫有機(jī)土的結(jié)構(gòu)，使其在高溫下不能夠有效地提高低剪切黏度和懸浮性能。而由DF-MOGEL HT 配制的合成基鉆井液隨著老化溫度的升高，對(duì)應(yīng)的φ6讀數(shù)先小幅度增大，后又小幅度減小，合成基鉆井液體系的流變性能保持穩(wěn)定，所以DF-MOGEL HT的抗溫性能最好。

圖3 不同種類有機(jī)土的同步熱分析結(jié)果

1.2 高性能合成基鉆井液體系的構(gòu)建

以乳化劑DF-MOCOAT UT、降濾失劑DFM O T R O L為核心材料，結(jié)合抗高溫有機(jī)土D FMOGEL HT等，構(gòu)建了具有低塑性黏度和低切力的高性能合成基鉆井液，配方如下。

基液（Saraline185V氣制油+25%CaCl2，油水比 為 90∶ 10）+2.0%有 機(jī) 土 DF-MOGEL HT+5%乳化劑DF-MOCOAT UT（主乳化劑與輔乳化劑的比例為3∶2）+3%氧化鈣+1%降濾失劑DFMOTROL+重晶石（密度為2.0 g/cm3）。

2 高性能合成基鉆井液體系的性能

2.1 常規(guī)性能評(píng)價(jià)

高性能合成基鉆井液的常規(guī)性能見表3。由表3可知，該鉆井液具有塑性黏度低、動(dòng)切力低的特點(diǎn)，且破乳電壓大于800 V，乳化穩(wěn)定性好，高溫高壓濾失量小于3 mL。隨著老化溫度的升高，該體系的流變性穩(wěn)定，濾失量基本不變，沉降因子也都小于0.51，表明所研制的高性能合成基鉆井液體系在200和232 ℃老化后具有較好的穩(wěn)定性。

表3 高性能合成基鉆井液的基本性能

2.2 高溫?zé)岱€(wěn)定性

在上述研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了高性能合成基鉆井液體系的抗污染性和重晶石沉降性。按照API標(biāo)準(zhǔn)[26]，當(dāng)密度大于1.8 g/cm3，推薦在合成基鉆井液體系中加入20 000 mg/L鈣土模擬污染的情況，因此在相同密度、油水比、鈣土Revdust污染的條件下，對(duì)比研究了傳統(tǒng)合成基鉆井液與高性能合成基鉆井液的性能，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，與高性能合成基鉆井液體系相比，傳統(tǒng)的合成基鉆井液體系在200 ℃動(dòng)態(tài)老化16 h后，流變性能變化不大，但高溫高壓濾失量較大，接近10 mL；尤其在200 ℃靜置老化72 h后，發(fā)生嚴(yán)重的沉降，沉降因子為0.59，且塑性黏度和動(dòng)切力等流變參數(shù)急劇增大，φ100讀數(shù)由38增加到61，高溫高壓濾失量驟增，約為35 mL，說明傳統(tǒng)的合成基鉆井液體系在高溫下其結(jié)構(gòu)遭到破壞。而高性能合成基鉆井液體系在200 ℃老化16 h 之后，流變性幾乎不變，且濾失量很小；繼續(xù)靜置老化72 h后仍無沉降，沉降因子為0.52，仍然保持較低的塑性黏度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，φ100讀數(shù)由22增加到28，且高溫高壓濾失量小于4 mL，從而表明高性能合成基鉆井液體系在鈣土污染的情況下仍然具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性?？赡艿脑?yàn)椋孩倏垢邷厝榛瘎┚哂休^強(qiáng)的乳化性能、稀釋性能和油潤(rùn)濕性能；②抗高溫降濾失劑能有效降低濾失量，且與抗高溫有機(jī)土一起輔助流型調(diào)控。同時(shí)，低的塑性黏度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度說明高性能合成基鉆井液高溫后，依然可以通過很小的驅(qū)動(dòng)力破壞其形成的空間結(jié)構(gòu)，從而解決高密度鉆井液因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度太大而造成憋泵、啟動(dòng)泵壓過高、ECD過大誘發(fā)的井漏問題。

圖4 不同合成基鉆井液性能的對(duì)比

2.3 高溫高壓流變性能

利用Grace 7500型高溫高壓流變儀，測(cè)量不同合成基鉆井液體系在高溫高壓下的流變性能，測(cè)試的溫度范圍為65～232 ℃，壓力為34.48～206.90 MPa，結(jié)果如圖5所示。從圖5a）可以看出，當(dāng)測(cè)試溫度在65～200 ℃范圍內(nèi)，傳統(tǒng)合成基鉆井液體系的動(dòng)切力隨壓力的升高而增大，隨溫度的升高急劇地減小，變化幅度較大，但是當(dāng)測(cè)試溫度超過232 ℃時(shí)，傳統(tǒng)合成基鉆井液體系的動(dòng)切力又突然急劇地增大；且經(jīng)過高溫高壓流變儀測(cè)試后的合成基鉆井液體系發(fā)生明顯地兩相分離，上層是清澈的油相，下層是黏稠的固相，表征傳統(tǒng)的合成基鉆井液體系在高溫高壓下穩(wěn)定性遭到破壞[27-31]，可能的原因?yàn)閭鹘y(tǒng)合成基鉆井液體系中的化學(xué)處理劑在高溫下迅速降解，不能再有效發(fā)揮作用。由圖5b）可知，在65～232 ℃范圍內(nèi)，高性能合成基鉆井液體系的動(dòng)切力隨溫度的升高而降低，隨壓力的增加而增大，且測(cè)試后沒有發(fā)生兩相分離，從而表明高性能合成基鉆井液體系具有良好的流變性能和高溫穩(wěn)定性。

圖5 不同合成基鉆井液高溫高壓下的流變性能

3 結(jié)論

1.研發(fā)了抗溫達(dá)232 ℃的抗高溫乳化劑DFMOCOAT UT、抗高溫有機(jī)土DF-MOGEL HT和抗高溫降濾失劑DF-MOTROL，3種核心材料相互協(xié)同作用，確保合成基鉆井液在高溫下的乳化穩(wěn)定性、固相顆粒的油潤(rùn)濕性、流變性能及濾失性能。

2.與傳統(tǒng)的合成基鉆井液體系相比，高性能合成基鉆井液在高密度、高溫下具有低黏度、低切力、濾失量低、沉降因子小和高溫高壓流變性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。從而可以滿足安全密度窗口較窄的高溫高壓復(fù)雜井鉆井需求，具有推廣應(yīng)用前景。