三元共聚物降滤失剂在无侵害钻井液中的作用.pdf

第 2 5卷 第 1期 2 0 0 8年 1月 钻 井液与 完 井 液 DRI LLI NG FLUI D 8 乙C0MPLET1 0N F LUI D Vo 1 ． 2 5 No ． 1 J a n u ．2 0 0 8 文章 编 号 l O O l 一 5 6 2 O 2 0 o 8 O 1 0 0 1 5 0 3 三元共聚物降滤失剂在无侵害钻井液中的作用 孙绍春 邹长军 1 ． 辽河石油勘探局高升工程技术处 ， 辽宁盘锦 ； 2 ． 西南石油大学化学化工学院， 四川成都 摘要 以钻井液封堵理论为基础 ， 制备 了具有超低渗滤功能的十二烷基二 甲基烯丙基氯化铵／ 丙烯酰胺／ 丙烯酸 钠三元共聚物， 将其添加到含不同动态降滤失剂的钻井液中可形成无侵害钻井液。通过用砂床封堵 实验评价聚合物 对钻井液封堵性能的影响 ， 对聚合 物的合成条件进行 了优选。在最佳 合成条件下制备的该聚合物， 能够 降低钻井液 滤失量 ， 增强 内泥饼强度 ， 大幅度提高岩心的承压 能力 ， 其油气层保 护效果好， 由该聚合物配制的无侵害钻井液渗透 率 恢 复值 达 9 6 ． 9 。 关键词 降滤失剂 钻井液添加剂 共聚物 超低渗透钻井液 防止地层损害 中图分类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 超低渗透钻 井液 技术 又称无 渗透 或无 侵 害钻井 液技术[ 1 - 3 ] ， 其 应用 目的在于减少油层 伤 害 ， 提 高油气 井产能和解决钻井过程中钻遇深井长裸眼大段复杂 泥页岩 以及多套 压力 层 系或压力 衰竭 地层 时 易发生 的漏失、 卡钻、 坍塌等技术难题_ 4 ] 。以钻井液封堵理 论为基础 ， 制备 了具有超低渗滤功 能的十二烷 基二 甲 基烯丙基氯化铵 C 1 。 D MA AC ／ 丙烯酰胺 AM ／ 丙烯 酸钠 A AN a 三元共聚物 ， 将其添加到含不同动态降 滤失剂的钻井液中可形成超低渗透钻井液 ， 通过砂床 封堵实验对其降滤失性能进行 了研究 。 1 实验 部 分 1 ． 1 三元共聚物的制备与表征 十二烷基二 甲基烯 丙基 氯化铵 C 1 。 D MA AC ／ 丙 烯酰胺 A M ／ 丙 烯 酸钠 AA Na 三元 共 聚 物 的制 备 方法为 在搅拌条件下， 用氢氧化钠溶液滴定丙烯酸 至一定 p H值 ， 然后 倒人 三 口烧 瓶 中 ， 与预 先 溶解 的 C 1 。 D MA AC疏水单体和丙烯酰胺一起搅拌均匀 ， 再 加入一定量的丙酮， 并通氮气除氧 ， 然后加入过硫酸 铵溶液和亚硫酸氢钠溶液。该共聚物的合成条件为 引发剂用量为 0 ． 3 w／ w 氧 化剂 还原剂 一2 1 ， p H值 为 7 ， 温度 为 5 0℃， 反 应 时 间为 6 h ， 丙 烯酸 钠 AA Na 用量为 0 ～1 5 摩尔分数 ， A M 摩尔分数随 A AN a 的摩尔分数 的变化而变化 。随 C 1 。 D MA AC含 量增加依次得到不 同的聚合物。 图 1 为 C 1 。 D MAA C ／ 丙烯 酰胺／ 丙烯 酸钠 三元共 聚物的红外光谱 图 A AN a的用量 为 1 5 摩 尔分 数 ， C 1 。 D MA AC的用量为 0 ． 7 5 摩尔分数 ， 单体 总浓度为 1 5 。分析 图 1数据 可知 ， 所 得产物 确 为 A AN a 、 C l 。 D MA AC和 A M 的三元 共 聚物 ， 结 构 式如 图 2所示 。 图 1 C D MA A C ／ 丙烯酰胺／ 丙烯酸钠共聚物红外光谱 图 H 2 一 H ] c H 2 H 了 H z C H j i C H 2 亡o 亡o 图 2 C D MA A C ／ 丙烯酰胺／ 丙烯酸钠三元共 聚物结构式 三元共 聚物的物理特征主要测定 了特性黏数。 基金项 目 C N P C中青年创新基金资助项 目“ 新型油田化学助 剂的研究与开发” 2 0 0 2 4 0 4 。 第一作者简介 孙绍春 ， 工程师， 1 9 6 3年生， 毕业于西南石油学院 ， 主要从事油 田助 剂方面研 究与生产管理工作。地 址 辽宁 省盘锦市辽河石油勘探局 高升工程技术处 邮政编码 1 2 4 0 1 0 电话 0 4 2 7 7 5 0 2 9 6 1 ； E - ma i l l h - s u n s h a o c h u n c n p c ． c o rn。 a ● 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 钻 井液与 完井液 2 0 0 8年 1月 固定丙烯酸钠 AA Na 的用 量为 1 5 ％ 摩尔 分数 ， 改 变 C 。 D MA A C的 含 量 ， 依 次 得 到 了不 同 的 聚合 物 。 参照 G B 1 2 0 0 5 ． 1 8 9标 准 测定 了共 聚 物 的特 性 黏 数 ， 结果见表 1 。 表 1 C D MA A O的摩尔分数对共聚物特性黏数的影响 从 表 1可以看出 随 C D MA AC含量 的增 加 ， 聚 合物的特性黏数 明显 降低 ， 这可能是 由于疏水单 体庞 大侧基所带来 的位阻效 应减 少 了 自由基 相互 接触 的 机会 。在实验 中发现 随 C 。 D MA A C含量 的增加 ， 聚 合反应变慢 ， 当其含量达 6 摩尔分数 时 ， 基本上不 聚合 ； 当 C 。 D MA AC含量达 2 摩 尔分 数 时 ， 得 到 的聚合物溶解性差。 1 ． 2 三元共聚物的降滤失性能 固定 A AN a 的用量 ， 改变 C 2 D MAAC的含量 ， 或 固定 C D MA AC的含量 ， 改变 A AN a的用量 ， 依次 得 到了不 同的聚合物 ， 然后将 该聚合物添加 到含不 同动 态降滤失剂的钻井液 中形成 超低渗透钻井 液 ， 利用砂 床封堵实验评价了聚合物的降滤失效果， 并 由此得出 了 C D MA A C和 AA N a的最佳用量 。砂床 由粒径 为 0 ． 4 5 ～O ． 9 mm 的砂粒制成 ， 实验用基浆配方如下 。 4 ％钠膨润 土 0 ． 3 F A 3 6 7 1 ． O J B2 ． O S MP - U 3 ． O S MC 2 结果与讨论 2 ． 1 C D MA A C含量对产品性能的影响 疏水单体 C D MAA C是一种含十二烷 基长链碳 的具有表 面活 性 的季铵盐 阳离 子单体 。其脂 肪长 链 在水 溶 液 中通过 范 德华 力形 成 非共 价键 疏 水缔 合 。 阳离子单体通 过离子 键 与分 子链 上 的阴离 子基 团形 成非共价键缔合， 这些缔合是保证聚合物形成大分子 胶团的必要条件。表 2 ～表 4为三元共聚物在含不同 动态降滤失剂钻井液 中的作用 。 由表 2 ～表 4 可 以看 出 ， 在加 有 2 ％O C L - B S T或 3 WS T体系 中， 随三元共聚物 中疏 水基 团含量 的增 加， 钻井液的封堵效果在变好 ， 但在加有 F L C 2 0 0 0的 体 系 中， 虽然加 入 该 三元共 聚物后 体 系封 堵效 果 变 差， 但是随聚合物中疏水基团含量的增加， 体系封堵 效果也趋于变好． 当聚合物中疏水基团含量在 0 ． 7 5 左右 时， 体 系封堵 效果 趋 于稳定 ， 所 以疏水单 体 的摩 尔分数最终选择 为 0 ． 7 5 。 表 2 改变 C 1 2 D MA A G含量得到的不同三元共聚物 对 o C L ． B S T钻井液砂床封堵性能的影响 注 钻井液配方 为 基浆 2 ％O C L - B S T0 ． 6 7 ％三元共 聚物 ， 其 中 O C L - B S T为北京奥凯立公 司产品。 表 3 改变 C 12 D M A A O含量得到的不同三元共 聚物对 wS T钻井液砂床封堵性能的影响 注 钻井液配方为 基浆3 ws TO ． 6 7 三元共聚物， 其 中 wS T为四川川 1 锋化学公 司产品。 表 4改变 C 2 D M A A O含量得到的不同三元共聚物 对 F L C 2 0 0 0 钻井液砂床封堵性能的影响 注 钻 井 液 配 方 为 基 浆 1 ． 3 3 F LC 2 0 0 00 ． 6 7 三 元 共聚物， 其 中 F L C 2 0 0 0为美 国环保钻井技术公司生产的动态 降滤失剂 。 2 ． 2 A A N a含量对产品性能的影响 确定 C 1 D MA AC的摩 尔分 数为 0 ． 7 5 ， 通 过改 变 AA Na 的摩尔分数 AM 的摩 尔分数随 A AN a 摩尔 分数 的变化而变 化 ， 可 得到 不 同 AA N a含量 的聚合 物 。表 5 ～表 7为不 同 A ANa 含量 三元 共 聚物 的砂 床封堵实验结果 。不 同 AA N a含量 对三元 共 聚物特 性黏数的影响见表 8 。 表 5改变 ,t u t q a含量 得 到 的不 同三元 共 聚 物 对 O C L ． B s T钻井液砂床封堵性能的影响 注 钻井液配方为基浆 2 0 c L _ B s T O ． 6 7 三元共聚 物， 其 中 O C L - B S T为北京奥凯立公司产 品。 表 6改变 A A N a含量得到的不同三元共聚物 对 WS T钻井液砂床封堵性能的影响 AAN_ a ／ O 5 ． O 滤失量／ mL完全絮凝 2 2 ． 6 1 0． O 1 5． 0 2 0 ． O 25 ． O 2 8 ． 5 2 4 ． 5全滤失 全滤失 注 钻井 液配方为 基浆3 ws TO ． 6 7 三元共聚物， 其中 WS T为四川川锋化学公司产品 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 5卷 第 1 期 孙绍春 等 三元共聚物 降滤 失剂在 无侵 害钻 井液 中的作 用 1 7 表 7 改变 A A N a 用量得到的不同三元共聚物 对 F L C 2 0 0 0 钻井液砂床封堵性能的影响 AANa ／ 0 5 ． 0 1 0 ． 0 1 5 ． 0 2 0 ． 0 2 5 ． 0 滤失量／ m L 完全絮凝 3 2 ． 6 1 7 ． 5 2 0 ． 6 2 0 ． 8 2 0 ． 9 注 钻井液配方 为 基 浆1 ． 3 3 F L C 2 0 0 0 0 ． 6 7 o, 4 三元 共聚物 ， 其 中 F L C 2 0 0 0为美 国环保钻井技术公司生产的动态 降滤失剂 。 表 8 不同 A A N a含量对三元共聚物特性黏数的影响 AANa ／ O 5 ． 0 1 0 ． 0 1 5 ． 0 2 0 ． 0 2 5 ． 0 特性黏数／ L ／ g 3 ． 4 8 2 ． 8 9 2 ． 5 5 1 ． 6 8 1 ． 5 2 1 ． 5 1 由表 5 ～表 7可看 出 ， 当 AA Na 含 量 为零 时 ， 得 到的聚合物会使钻井液絮凝 。这是 因为聚合物分子 链上 只有吸附基 团～ C O NH 和疏水 基 团 ， ～ C O NH 上的氢与黏土表面的氧产生氢键吸附， 且 由于其分子 链很 长， 一个 聚合 物分子链可以同时 吸附几个黏 土颗 粒 ， 将几个 黏土颗 粒连接在一起 ， 形成 团块状 絮凝 物 ， 造成动力上的沉降不稳定而絮沉。另外 ， 从表 8可以 看 出 ， 聚合 物 的特 性黏 数 随 A ANa 含 量 的增 加 而 下 降， 当 A AN a的含量增加至 2 O 时， 聚合物的特性黏 数趋于稳 定 。引入一C O O N a基 团后 ， 其 在 水 中可 以 电离成一c O O 一和 N a ， 使其分子链带负电荷， 且还 起到水化作用 ， 由于静 电引 力 和水化 膜斥 力 ， 将 与疏 水性阳离子基团形成离子键缔合， 使分子链卷 曲， 不 利于一C O NH 的吸 附和 絮凝 ， 从 而避 免 了聚 合 物 的 絮凝作用 。 2 ． 3 岩心承压能 力 表 9 为将所 制备 的聚合 物加 入钻井 液后 对 岩心 承压能力的影响 。 表 9共聚物对岩心承压 能力的影响 配方 基 浆 1 ． 3 3 F L C2 0 0 0 2 ． 8 6 ． 8 0 基浆1 ． 3 3 F L C 2 0 0 0 O ． 6 7 三元共聚物1 ． 2 1 5 ． 3 5 由表 9可知， 制备的共聚物不但能够降低钻井液 的滤失量， 还能增强岩心内泥饼强度 ， 大幅度提高岩 心 的承压 能力 。在现 场应用 中， 用加有该 聚合物 的钻 井液钻井 ， 能提高地层漏失压力和破裂压力梯度， 扩 大安全密度窗 口。 2 ． 4 渗透率恢复值 使用 辽河 油 田储 层 岩 心 ， 在模 拟 现 场 条件 1 0 0 ℃ 、 3 ． 5 MP a、 1 5 0 s 下 ， 评 价了钻井液损害 岩心的 渗透率 恢 复值 。实 验 结 果 表 明，基 浆 1 ． 3 3 F L C 2 0 0 0钻井 液 和 基 浆 1 ． 3 3 F L C 2 0 0 0 0 ． 6 7 三元共 聚物钻井液 的渗透率恢 复值 分别 为 8 9 ． 4 9 ／ 6 和 9 6 ． 9 ％， 可见含有三元共聚物钻井液的渗透率恢复值 较高 ， 有 利于保 护油气层 。 3 结 果 将 C l D MAA C ／ 丙烯酰胺／ 丙烯酸钠三元共聚物 添加到不 同钻井液体 系中 ， 通过 利用砂床封 堵实验及 封堵层 的密封 性实验 评价 合成 聚合物 对钻 井液 封堵 性能的影响， 对聚合物的合成条件进行了优选 ， 得到 聚合物 的最佳合成条件 为 C l 。 D MA AC为 0 ． 7 5 摩 尔分数 ，A AN a 为 1 5 摩尔分数 ， 单体总浓度为 1 5 ， 反应温 度为 5 O℃， 引 发剂浓 度为 0 ． 3 9 ／ 6 w ／ w 氧化 剂 还原 剂一2 1 ， p H 值为 7 ， 反 应时间为 6 h 。 参 考 文 献 [ 1 ] He l l o S a n t o s ， J e s u s O l a y a ．N o - D a ma g e D r il l i n g H o w t o Ac h i e v e t h i s Ch a l l e n g i n g Go a l I ADC／ S PE 7 7 1 8 9 [ 2 ]L i r i o Q u i n t e r o ，T o m A J o n e s ．A n Ah e ma t i v e D r i l l i n Fl u i d S y s t e m f o r Lo w- Pr e s s ur e Re s e r v o i r s ． SPE 8 22 8 0， 2 00 3 1 - 6 C a ] San t o s H，Qu e i r o z J ．H o w E f f e c t i v e i s Un d e r b a l a n c e d Dr i l l i n g a t Pr e v e n t i n g Fo r ma t i o n Da ma ge SPE 5 87 3 9， 1 99 9， 3 9 1 1 E 4 ] He l i o San t o s ．Wh a t H a v e w e b e e n d o i n g w r o n g i n w e l l b or e s t a b i l i t y SPE 6 9 49 3，2 0 01， 3 E 5 ] R e id P ， San t o s H．No v e l D r i l l i n g ， C o m p l e t i o n a n d Wo r k o ve r Fl u i d s fo r De p l e t e d Zo n e sAv o i d i ng Lo s s e s，Fo r ma t io n Da ma g e a n d S t u c k Pi p e ．S PE 7 ／ ADC 8 5 3 2 6， 2 0 0 3 1 9 [ 6 ]He l io San t o s ．I n c r e a s i n g L e a k o f f P r e s s u r e Wi t h N e w Cl a s s o f D r i l l i n g F l u i d ．S PE 7 ／ ADC 7 8 2 4 3 2 0 2 3 收 稿 日期 2 0 0 7 0 7 3 1 ； HGF0 8 1 W8 ； 编 辑 汪 桂娟 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m