抗260℃超高温水基钻井液体系.pdf

第 3 2卷 第 4期 2 0 1 5年7月 钴井 液与 完井液 DRI L LI NG F LUI D COMPL ET I ON F LUI D Vl0 1 ． 3 2 NO． 4 J ul y 2 01 5 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 8 ． i s s n ． 1 0 0 1 - 5 6 2 0 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 0 2 抗 2 6 0 0 2 超高温水基钻井液体系 张丽君， 王旭， 胡小燕， 张滨， 李彬， 王中华 中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 张丽君等 ． 抗 2 6 0℃超高温水基钻 井液体 系 [ J ] ． 钻井液 与完井液 ，2 0 1 5 ，3 2 4 5 - 8 ． 摘要 通过引入抗高温降滤失剂 MP 4 8 8 、高温流型调节剂 C G W- 6 ，陡超高温钻井液流变性得到控制，通过呆用 抗盐高温高压降滤失剂 HT A S P C，使超高温钻井液高温高压滤失量得到有效控制，形成了抗温达2 6 0 、密度为2 ． 3 5 g ／ c m 的淡水钻井液配方，并对其进行了抗温机理分析和性能评价。结果表明，该淡水钻井液抗Na C I 污染可达饱和， 页岩滚动回收率达 9 4 ． 1 ％，抗钻屑、膨润土污染能力强，具有良好的沉降稳定性，在密度为2 ． 0 ～2 ． 5 g ／ c m 时表现出 较好的适应性 ，能够满足钻 井液抗 温 2 6 0 q C 性能要求。 关键词 超高温水基钻 井液 ；降滤失剂 ； 流变性 ； 高温高压滤失量 中图分类号 T E 2 5 4 - 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 50 4 0 0 0 5 0 4 近年来 ，超深井 、特殊井 和复杂井 的数 量逐渐 增多， 深井高温高密度钻井液的性能控制已成为制约 深部地层油气勘探 、开发的瓶颈难题之一 】 。前期已 在室内形成了抗温达 2 2 0 ～2 4 0 的高密度钻井液体 系口 ] 。 通过对前期研发的处理剂 、 钻井液体系在 2 6 0℃ 进行性能评 价发现 ，部分处理剂 降解严 重 ，出现了 钻 井液流变性 和滤 失量控制难 的问题 。利用 自主研 发的抗高温降滤失剂 MP 4 8 8 、抗盐高温高压降滤失 剂 H T A s P c、流型调节剂 C G W- 6 _6 一 】 ，配合使用其 他处理剂 ，形成 了抗温达 2 6 0 o C、密度为 2 ． 3 5 g ／ c m 的钻井液体系，并在室内对其性能进行了评价。 1实验材 料和仪 器 膨润土、重晶石、N a C l 、氯化钙，均取 自现场 ； 抗 高温 降 滤 失剂 MP 4 8 8 、抗盐 高温 高压 降滤 失 剂 HT AS P ． C、高温流型调节剂 C G W- 6 ，室 内开发。 高温滚动加热炉 5 0 ～3 0 0 o C ； Z NN D6 S型旋 转黏度计； Z N S 型失水仪； G G S 一 7 1 型高温高压失水仪； 变频高速搅拌机。 2 各 因素对钻井液性能的影响 考察各因素对抗温 2 6 0 o C、密度为 2 ． 3 5 g ／ c m。 淡 水钻井 液 的影 响，将 钻井液 在 2 6 0 o C老化 1 6 h后 ， 在 6 0℃测其性能 。实验用基浆配方如下。 1 ％～4 ％ 钠膨润土 1 ％～7 ％ C GW- 6 0 ． 3 ％ ～ 2 ％ MP 4 8 8 1 ％～7 ％ HT A S P C 1 ％Na 0 H 重晶石 2 ． 1 膨润土 膨润土对抗 2 6 0 o C 高温淡水钻井液性能的影响见 表 1 。由表 1 可知 ，随着膨润土加量 的增加 ，钻井液 的黏度 、切力逐渐增加 ，中压滤失量变化不大，说 明 膨润土在钻井液 中能提供较强的网架结构 ，但含量不 能太高，避免膨润土颗粒高温分散引起的钻井液流变 性 、热稳定性等性 能失控 ，控制含量在 2 ． 0 ％～3 ． 0 ％ 较合适 。实验引入 了流 型调节 剂 C G W- 6和抑 制剂 ， 可适 当降低黏度和切力 。 表 1 膨润土对超高温淡水钻井液性能的影响 基金项目 中原石油勘探局科技攻关项 目 “ 抗温2 6 0℃钻井液体系研究” 2 0 1 3 1 0 1 部分研究成果。 第一作者简介 张丽君，工程师，1 9 8 3年生，2 0 0 9年毕业于郑州大学环境科学专业，现在从事钻井液技术研究工作。地址 河南省濮阳市中原路 4 6 2号 ；邮政编码 4 5 7 0 0 1；电话 0 3 9 34 8 9 9 5 4 8； E - ma i l b o l e 一0 3 7 1 1 6 3 ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 钴井液与 完井液 2 0 1 5 年 7月 2 ． 2 抗高温降滤失剂MP 4 8 8 从表 2可以看出， MP 4 8 8 加量 由0 ． 3 ％ 增至 2 ． O ％， 钻井液黏度 由 6 0 ． 0 mP a S 增至 7 0 ． 0 mP a S ，中压滤 失量由5 ． 6 mL降至 3 ． 8 m L ，说明MP 4 8 8 具有良好的 高温降滤失能力，加量为 1 ．5 ％时， 钻井液性能较优。 表 2 抗高温降滤失剂 MP 4 8 8对超高温钻井液性能的影响 2 ． 3 抗盐高温高压降滤失剂HT AS P ． C 表 3是抗盐高温高压降滤失剂 H T AS P ． C加量对 抗温 2 6 0℃淡水钻 井液性能 的影响 。从表 3可 以看 出，随着 HT AS P C加量 的增加 ，钻井液黏度逐渐增 加 ，中压滤失量 变化不大 ，加量为 5 ． O ％ 时 ，表观黏 度为 1 1 9 ． 5 mP a S ，塑性黏度为 7 7 ． 0 mP a S ，动切力 为 4 2 ． 5 P a ，中压滤失量为 4 ． 4 mL，高温高压滤失量 为 1 4 ． 0 m L，说明H T A S P ． C能有效降低高温高压滤 失量，但加量不能太高，在 3 ．0 ％～5 ．0 ％较为合适。 表 3 抗盐高温高压降滤失剂 H T AS P ． C 对超高温钻井液性能的影响 注 F L H T H P 在 1 8 O 测定 。 2 ． 4 抗高温流型调节剂C GW一 6 抗高温流型调节剂对抗温 2 6 0℃淡水钻井液性能 的影响见表 4 。从表 4 可以看出，随着抗高温流型调 节剂 C G W- 6 加量从 1 ％增加至 7 ％，表观黏度逐渐降 低 ，由 7 5 ． 5 m P a S 降低至 6 5 m P a S ，高温后钻井 液流变性得到一定的改善。 2 ． 5 氯 化钙 为提高钻井液的抑制性 ，在钻井液 中引入 C a C 1 ， 考察 C a C 1 ， 加量对抗温 2 6 0 o C 淡水钻井液性能的影响， 结果 见表 5 。从表 5可 以看 出，加入 0 ． 3 ％C a C 1 ， 后 ， 钻井液的切力、滤失量及膨润土含量均降低，表观黏 度和塑性黏度略有增加，钻井液整体的流变性和滤失 性较好 ； 继续增 加 C a C 1 加量 至 0 ． 9 ％，钻井液 的黏 度和切力增加 ，滤失量增大 ，并且老化后 出现增稠 、 结块等现象。说 明在 2 6 0 o C 高温下 C a C 1 ， 对膨润土颗 粒 的高温分散和重晶石中碱土金属的分散起到了一定 的抑制作用 ， 但加量较大时 ， 由于 C a 2 絮凝作用较强 ， C a C 1 对钻井液中的膨润土过度抑制 ，造成钻井液絮 凝、结块，因此加入 0 ． 3 ％C a C 1 ， 较合适。 表 4 抗高温流型调节剂 C GW- 6对超高温钻井液性能的影响 表 5 C a C 1 加量对超高温钻井液性能的影响 2 ． 6 钻井液配方确定 通过设计正交实验，根据高温高压滤失量和表观 黏度值 ， 分析得 出抗 2 6 0 高温淡水钻井液配方如下。 2 ％～4 ％ 钠 膨 润 土 3 ％～8 ％ CG W- 6 1 ％ ～ 2 ％ MP 4 8 8 3 ％ ～ 7 ％ HT AS P C1 ％Na OH 0 ． 0 5 ％～0 ． 5 ％ C a C 1 ， 重晶石 其 中优化配方如下。 3 ％ 钠 膨 润 土 5 ％C G w一 6 1 ％MP 4 8 8 1 ％Na O H 5 ％HT AS P C 0 ． 3 ％C a C 1 ， 4 - 重晶石 钻井液性能见表 6 。从表 6可 以看出，形成 的优 化配方性能较好 。 表 6 抗 2 6 0 o C 高温淡水钻井液的性能 0 2 ． 3 5 g ／ c m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2 卷 第4 期 张丽君等 L 2 6 0 ℃超高温水基钻井液体系 7 3 抗 2 6 0 o C高温淡水钻井度性能评价 3 ． 1 抗Na C I 污染能力 从表 7可 以看 出，当 Na C 1 加至饱 和后 ，钻井液 仍具有 良好的流变性和较低的滤失量 ，表明该钻井液 具有 良好的抗 Na C 1 污染能力 。 表 7 抗温 2 6 0 o C 淡水钻井液抗 Na C 1 污染实验 2 ． 3 5 g ／ c m3 Na Cl ／ ％AV ／ mPa S凡 ／ mL Na C1 ／ ％AV ／ mP a S F L／ mL 0 1 2 0 7 ． 6 1 5 1 4 0 9 ．0 1 1 05 6． 0 2 0 1 3 6 8 _ 4 3 l 3 O 6 ． 4 2 5 1 4 2 6 ． 0 5 1 46 9． 2 35 1 4 4 5 ． 4 1 0 1 4 8 9 ． 6 3 ． 2 沉降稳定性 将密度为 2 ． 3 5 g ／ c m 的淡水钻井液经 2 6 0℃老化 1 6 h后 ，测得静置 4 8 h后 上下密度差为 0 ． 0 2 g ／ c m 。 为确 切考察上 下密度 差 ，将 钻井液再 次高速搅 拌 5 mi n后 ，放置 7 2 h ，测得上下密度差仍为 O ． 0 2 g ／ c m ， 说 明该钻井液体系具有较好的悬浮稳定性 。 3 ． 3 页岩回收率 用马 1 2井井深 2 7 0 0 m处岩心进行实验 ， 结果表 明，在 2 6 0℃滚动老化 1 6 h后 ，清水 的岩心 回收率 为 1 0 ． 8 ％，该钻井液体系的岩心回收率高达 9 4 ． 1 ％。 3 ． 4 抗钙土 、岩屑污染能力 如表 8 所示，在钻井液中加入 7 ％钙膨润土和 1 0 ％岩屑粉后 ，钻井液仍具有良好的流变性和较低 的滤失量 ，说明该钻井液具有较强的抑制能力 。 表 8 抗温 2 6 0℃淡水钻井液抗污染实验 2 6 0℃、1 6 h 注 凡 在 1 8 0℃下测定 。 3 ． 5 钻井液适应性 按优化配方配制密度为 2 ． 0 ～2 ， 5 c m 的淡水 钻 井液 ，于 2 6 0℃老化 1 6 h后 ，在 6 0 测其性能 。从 表 9可知 ，随着密度的增加 ，钻井液表观黏度 、塑性 黏度及切力均增大 ，而中压 和高温高压滤失量变化不 大 ； 密度为 2 ． 5 g ／ c m 时，钻井液仍具有 较好 的流变 性和滤失量，说明该钻井液体系具有较好的适应性。 表 9 不同密度抗温 2 6 0℃淡水钻井液眭能 2 6 0℃、1 6h 注 凡 H ， 在 1 8 0℃下测定 。 4 机 理 分 析 抗高温降滤失剂 MP 4 8 8由丙烯酰氧丁基磺酸、 2 ． 丙烯酰氧 ． 2 一 乙烯基 甲基丙磺酸钠和 N，N． 二 甲基丙 烯酰胺 ，与丙烯酰胺、丙烯酸共聚合成，为梳型聚合 物降滤失剂， 梳型结构能保护分子中的吸附基团和水 化基团，使其具有良好的高温稳定性，保证其在高温 条件下有较强的降滤失和提黏度 、切力的作用 ，性能 评价显示 MP 4 8 8在淡水、盐水和饱 和盐水钻井液中 均具有较好的降滤失作用。抗盐高温高压降滤失剂 H T A S P ． C是由苯酚、对胺基苯磺酸、甲醛、接枝剂、 链增长剂等在一定温度、条件下反应生成，性能评价 显示 H T AS P ． C热稳定性好 ，在超高温钻井液 中具有 较好的控制钻井液流变性及高温高压滤失量的能力。 高温流型调节剂 C GW- 6是 由褐煤、接枝剂 、链增长 剂等在一定温度、条件下反应生成，具有良好的抗高 温 、 分散能力 ， 在高密度钻井液中能有效改善流变性。 4 ． 1 抑制膨润土颗粒高温分散，改善流变性 黏土的高温分散随着温度的升高越来越严重，甚 至重晶石中的劣质固相也会高温分散，2 6 0 下黏土 的分散作用很强 ，需要引入强抑制剂 ，如高价金属离 子 C a 、Mg 、A 1 、C r 和 F e 等。低价金属离子 抑制效果不能满足要求，因此在钻井液中引入适量的 C a C 1 ，抑制膨润土颗粒高温过度分散 ，控制钻井液 流变性能。考察 C a C 1 加量对钻井液中膨润土含量的 影响。当 C a C 1 加量分别为 0 、 0 ． 3 ％、 0 ．6 ％、 0 ．9 ％时， 膨润土含量分别为 4 2 ． 9 、3 0 ． 3 、2 8 ． 0 、2 7 ． 0 g m ，钙加 量在 O ． 6 ％ 时已经能够满足流变性控制的要求。随着 C a C I 加量的增加，膨润土含量逐渐降低，当加量达 0 ． 3 ％后膨润土含量变化不大 ，说 明氯化钙能抑制膨 润土、劣质 固相 的高温分散 ，改善钻井液流变性。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 钴井 液与 完井液 2 0 1 5年 7月 4 ． 2 MP 4 8 8 提高聚合物高温胶体稳定性 抗高温降滤失剂 MP 4 8 8 为梳型聚合物， 分子中侧 链 梳齿较长且密集 ， 对主链具有体积排斥和电性排 斥作用， 使主链刚性增强、 高温不易断裂、 热稳定性好 ； 其分 子侧链上的酰胺基 、 磺酸基 、 酰氧基 、 长链烷基 等基团排列比较密集 ， 形成梳子状， 接枝密度高， 分子 中所有侧链 梳齿等长且短于主链， 空间位阻大，能 够有效保护基团的热稳定性 ； 良好的基团稳定性使聚 合物分 子高温下能有效吸附在膨润土表面， 具有较强 的吸附能力和足够的水化膜能力， 起到高温护胶作用。 4 ． 3 H T AS P C 降低高温高压滤失量 抗盐高温高压降滤失剂 H T AS P C分子中含有苯 环 ，分子链刚性较强 ，热稳定性好 ，但 由于侧链或大 侧基较少 ，对水化基团 磺甲基 的保护不够 ，导致 高温条件下磺酸基脱落，使抗温性能变差 ； 且过多的 磺酸基提供大量 的活性位 ，在高温下易过度交联 。因 此通过分子修饰，引人接枝剂、链增长剂等，形成 树枝型结构的抗盐高温高压降滤失剂 H T A S P C 。在 HT AS P ． C分子链 中适度控制活性基 团数量 ，避免活 性位高温过度交联 ； 并引入带苯环的单体及能引入更 长侧链 的单体 ， 增加分子的支化程度 ， 提高接枝密度， 保护基团的热稳定性，提高分子链的抗高温能力。 在高温下保证泥饼质量的关键是保证钻井液中有 合理的粒子级配关系，在多级分散的钻井液中，亚微 颗粒越 多 ，泥饼 质量 越好 ，滤失量越低 。HT AS P ． C 分子中拥有大量亲水性强的磺甲基一c H ， 一s 0 一 ，当 大量聚阴离子吸附在黏土颗粒表面以后，使黏土颗粒 Z e t a电位提高 ，颗粒表面吸附溶剂化膜增厚 ，从而大 大提高了聚结稳定性 ，更有利于提高钻井液 中亚微颗 粒的比例，同时也更有利于膜的堵孔作用，改善泥饼 质量 ，降低泥饼渗透性和高温高压滤失量。 5 结论 1 ． 通过引入抗高温降滤失剂 MP 4 8 8 、抗高温流 型调节剂 C G W- 6 ， 使超高温钻井液流变性得到控制， 通过采用抗盐高温高压降滤失剂 H T A S P ． C， 使超高温 钻井液高温高压滤失量得到控制， 形成了抗温 2 6 0 oC、 密度为 2 ． 3 g ／ c m 的淡水钻井液配方 ， 钻井液性能 良好。 2 ． 抗温 2 6 0℃、密度为 2 ． 3 5 g ／ c m 的淡水钻井液 抗 N a C I 污染可达饱和， 页岩回收率达 9 4 ． 1 ％， 抗钻屑、 膨润土污染能力强，具有良好的沉降稳定性，在密度 为 2 ． 0 ～2 ． 5 g ／ c m。 表现出较好的适应性 。 3 ． 室内研究表明，钻井液体系能够满足钻井液抗 温 2 6 0 o C 性能要求。 参 考 文 献 [ 1 】 梁大川，汪世国，余加水，等 ． 抗高温高密度水基钻井 液体系研究 [ J ] ． 西南石油大学学报 自然科学版 ，2 0 0 8 ， 3 0 1 1 3 3 1 3 6 ． Li a n g Da c h u a n， W a n g S h i g u o， Yu J i a s h u i ． Hi g h t e mp e r a t u r e a n d h i g h d e n s i t y - -r e s i s t a n c e wa t e r -- ba s e d d r i l l i n g flu i d s y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y S c i e n c e＆ T e c h n o l o g yEd i t i o n ， 2 0 0 8，3 011 3 3 1 3 6 ． [ 2 ] 王旭，周乐群，张滨，等 ． 抗高温高密度水基钻井液室 内研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 9 ，2 6 2 4 3 4 5 ． W a n g Xu，Zh o u Le q u n，Zh a n g Bi n，e t a 1 ．La b o r a t o r y r e s e a r c h e s o n h i g h t e mp e r a t u r e h i g h d e n s i t y wa t e r b a s e d d r i l l i n g f l u i d s [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ．2 0 0 9 ． 2 6 2 4 3 ． 4 5 ． [ 3 ] 王旭，王中华，周乐群，等 ． 2 4 0 超高温饱和盐水钻井 液室内研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 1 ，2 8 4 1 9 ． 2 1 ． W a ng Xu，W a ng Zho ng hua，Zh ou Le q u n，e t a 1 ．La bo r a t o r y s t u d y o n t h e 2 4 0 o C u l t r a h i g h t e mp e r a t u r e s a t u r a t e d b r i n e d r i l l i n g fl u i d [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ．2 0 1 1 ， 2 8 41 9 2 1 ． [ 4 ] 王中华 ， 王旭， 杨小华 ． 超高温钻井液体系研究 Ⅳ 盐水钻井液设计与评价 [ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 0 9 ， 3 7 6 1 - 5 ． W a n g Z h o n g h u a ，W a n g Xu，Ya n g Xi a o h u a ．A s t u d y o n u l t r a h i g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g flu i d s y s t e m 4 b r i n e d r i l l i n g fl u i d d e s i g n a n d e v a l u a t i o n [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 0 9 ，3 7 6 1 - 5 ． [ 5 ] 王 中华 ． 超高温钻井液体系研究 I 抗高温钻井液 处理剂设计思路 石油钻探技术，2 0 0 9 ，3 7 3 1 ． 6 ． W a n g Zh o n g h u a ． S t u d i e s o n u l t r a - h i g h - t e mp e r a t u r e d r i l l i n g flu i d s y s t e m 1d e s i g n u l t r a h i g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g fl u i d a d d i t i v e s [ J ] ．P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ，2 0 0 9 ，3 7 3 1 - 6 ． [ 6 ] 王中华， 王旭 ， 杨小华 ． 超高温钻井液体系研究 1 I 聚合物降滤失剂的合成与性能评价 [ J ] ． 石油钻探技术， 2 0 0 9 ，3 7 4 1 - 6 ． W a n g Zh o n g h u a ，W a n g Xu，Ya n g Xi a o h u a ． Ul t r a h i g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g flu i d s y s t e m s tud y 2 s y n t h e s i s a n d e v a l u a t i o n o f a p o l y me r f l u i d l o s s a d d i t i v e s [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ，2 0 0 9，3 7 41 - 6 ． [ 7 ] 王中华，王旭 ． 超高温钻井液体系研究 Ⅲ 抗盐高 温高压降滤失剂研制 [ J 1 ． 石油钻探技术， 2 0 0 9 ， 3 7 5 5 9 ． W a n g Zho n gh u a， W a n g Xu．S t ud i e s o n u l t r a h i g h t e mp e r a t u r e d r i l l i n g fl u i d s y s t e m 3d e v e l o p me n t o f t h e s a l t - r e s i s t a n t h i g h t e mp e r a tur e a n d h i g h p r e s s u r e flu i d l o s s r e a g e n t [ J ] ． P e t r o l e u m Dr i l l i n g T e c h n i q u e s ， 2 0 0 9 ， 3 7 5 5 - 9 ． 收稿 日期2 0 1 5 ． 2 1 2 ；HG F 1 5 0 3 N3 ；编辑3 i d , 娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m