两性离子聚合物在钻井液中的应用.pdf

22 精细石油化工进展 第14卷第2期 A D V A N CESI NFIN EPETR O CH EM IC A LS 两 性 离 子 聚 合 物 在 钻 井 液 中 的 应 用 廖辉，唐善法，田磊，王晓杰，雷小洋 长江大学石油工程学院，武汉430100 [摘要]综述了国内两性离子聚合物钻井液的研究进展及应用，并指出了今后的研究 方向。 [ 关键词]两性离子聚合物钻井液处理剂应用 石油勘探开发技术不断发展，钻遇地层日趋 复杂，深井、超深井J、多分支井等特殊工艺井增 多，这对钻井液的性能也提出了更高要求。普通 聚合物钻井液在现场应用中出现了许多问题，耐 温抗盐性能差，造壁性差，对泥页岩抑制能力差， 静结构力强，井壁稳定性差。而两性离子聚合物 用作钻井液处理剂既降低水眼能耗，抑制泥页岩 水化膨胀，又可提高机械钻速。大量钻井实践表 明，钻井液性能对保证深井和超深井的安全、快速 钻进起着重要作用。两性离子聚合物钻井液是以 两性离子聚合物为主处理剂配制的钻井液。两性 离子聚合物泥浆密度低、对泥页岩抑制性强、水眼 黏度低，高温下性能稳定，且能显著提高机械钻速 降低综合钻井成本旧j 。 目前，两性离子聚合物钻井液在全国各大油 田得到了推广与应用，并形成了两性离子无固相 聚合物钻井液、两性离子低固相聚合物钻井液、两 性离子聚磺体系钻井液及两性离子聚合物完井液 体系吲。 钻井液处理剂的研发推动了两性离子聚合物 钻井液体系的发展。普通聚合物处理剂不耐高 温，易交联HJ，而两性离子聚合物处理剂高温下 性能稳定。两性离子聚合物分子链上因含阳离子 和阴离子基团而与阴离子聚合物和阳离子聚合物 的配伍性较好怕j ，受到各大油田的青睐。两性离 子聚合物在钻井液中主要用作包被抑制剂、降滤 失剂、增黏剂和降黏剂。目前研究较多的是两性 离子聚合物处理剂的耐温抗盐和防坍塌性能。 1包被抑制剂 两性离子聚合物的分子链中含阳离子和阴离 子基团，阳离子基团以静电吸附方式快速地吸附 于黏土粒子表面，中和黏土表面部分负电荷，并形 成致密包被，有效地抑制黏土水化分散‘6| 。阴离 子基团水化形成水化基团，大量水化基团又形成 致密水化膜，使包被膜增厚，减弱了黏土颗粒的絮 凝能力，增强了体系的稳定性。 彭刚。刊在对两性离子聚合物抑制黏土水化 膨胀作用机理的研究基础上，以丙烯酰胺 A M 、 二甲基二烯丙基氯化铵 D M D A A C和2一丙烯酰 胺基一2一甲基一丙磺酸AM PS为聚合单体，合 成了一种性能优良的耐高温黏土稳定剂。该聚合 物分子中引入一定量的阴离子基团一s0卜，增强 了聚合物的耐温性能和抗二价离子性能 C a2， M 92，在黏土表面形成致密的水化层，防止黏土 水化膨胀。邵定波等旧1以丙烯酰胺AM 、二甲 基二烯丙基氯化铵 D M D AAC 、丙烯酸为单体， 合成了三元两性离子共聚物PA DA ，钻井液中加 入500m g／L的PA DA ，显著降低黏土水化膨胀， 膨胀率在42．7％以下，与清水中24h的膨胀率 78．3％相比，下降显著。 朱清泉等∽o以含阴离子、阳离子和非离子基 团的乙烯基或丙烯基单体为原料，采用水溶液聚 合法，合成多元共聚物BY一1，现场试验表明对泥 页岩的水化分散具有较强的抑制性，与钻井液中 其他处理剂调配具有良好的配伍性和较强的抗盐 抗钙污染能力。 杨小华等叫以2一丙烯酰氧一2一甲基丙磺 酸M A O PS、丙烯酰胺、丙烯酸为单体，共聚合成 了两性离子磺酸盐共聚物C PS一2000，其具有较 强的耐温抗盐和抗钙能力，热稳定性好，对泥页岩 具有较强的抑制性，有效地控制膨润土及固相含 量，其抑制黏土水化膨胀、防止地层坍塌的能力明 显优于乙烯基磺酸盐聚合物PA M S601。 收稿日期20121102。 作者简介廖辉，在读硕士研究生，研究方向为油气田开采技 术研究。 2013年3月廖辉等．两性离子聚合物在钻井液中的应用 23 2降滤失剂 两性离子聚合物含阴阳两种离子基团，与阴 离子或非离子聚合物比较，其用作降滤失剂可增 钻井液中处理剂间的配伍性和实现聚合物钻井液 的不分散和低固相。如两性离子无固相聚合物钻 井液和两性离子低固相聚合物钻井液。表1为近 强泥浆体系的抑制性和耐温抗盐性⋯3，还可改善3年国内文献报道的两性离子聚合物降滤失剂。 表1两性离子聚合物降滤失剂种类及主要性能 3增黏剂 表2在不同温度和矿化度条件下1．O ％NV 2P／ M A PTA C ／A M PS两性共聚物溶液的黏度m 3 老化温 溶液黏度／m Pas 度／℃蒸馏水 258．8 4011．3 708．8 9012．5 30％H C l 16．O 17．5 16．0 17．O 2．0m oV LC aCl ，3．4m oL／LN aCl 18．815．O 23．8 16．2 22．616．0 24．618．8 注老化时I 司4h，冷却至室温，用Brookf ield黏度计测定。 国外对钻井液增黏剂的研究较多，1987年， Peiff er等Ⅲ1首次对Ⅳ一乙烯基一2一吡咯烷酮 NV 2P 用于两性离子聚合物钻井液增黏剂进行 了报道。此三元聚合物由N V2P、甲基丙烯酰氧 丙基三甲基氯化铵M A PTA C、SSS或A M PS共 聚合成。此三元共聚物分子链上含季铵盐型阳离 子基团和磺酸根阴离子基团，因此，其具有较好的 pH 稳定性。此类聚合物属强碱强酸型，与常用的 阴离子或非离子型聚合物降黏剂比较，其增黏、耐 高温和抗盐性能好，可用于高温，高矿化度水基钻 井液的增稠剂。表2为此类三元共聚物中 N v2P／M A门A C／A M Ps在不同温度和矿化度条件 下的黏度。 4降黏剂 阴离子型降黏剂降黏效果好，但对黏土的抑 制作用差，阳离子型降黏剂虽满足泥浆对泥页岩 的抑制性，利于井壁稳定，但耐温性能差。而含阴 阳离子基团的两性离子聚合物降黏剂兼具有两种 降黏剂的特性，既降低泥浆的黏度和切力，控制泥 浆的流变性，提高机械钻速，又增强泥浆体系的抑 制性，且耐温抗盐。 王中华列以丙烯酰氧乙基二甲基氯化铵 AO DA C、AA、烯丙基磺酸钠AS为原料采用水溶 液聚合法，共聚制得了两性离子共聚物降黏剂，其 耐温抗盐抗钙污染能力强，且对泥页岩水化分散 具有一定的抑制作用。 高长虹∽叫以烯类单体为主要原料，采用水溶 液聚合方法合成了一种新型的两性离子聚合物钻 井液降黏剂GC H 一11，其在膨润土钻井液、聚合 物钻井液及高密度聚合物钻井液中的降黏效果优 于G D一18和XY 一27，是高密度聚合物钻井液的 理想降黏剂。 24 精细石油化工进展 A D V A N C ESINFIN EPE7rRO CH EM I C A LS 第14卷第2期 杨小华旧川以2一羟基一3一甲基丙烯酰氧丙 基三甲基氯化铵、丙烯酸、烯丙基磺酸钠为原料， 采用水溶液聚合，用氧化还原体系引发，合成了一 种两性离子型共聚物钻井液降黏剂，其在淡水泥 浆、盐水泥浆、饱和盐水泥浆中均具有较好的降黏 和耐温能力，同时还具有较强的抗盐和抗钙镁离 子污染的能力，对泥页岩也具有较强的抑制性。 张翔宇忸。从分子设计的角度，以A M PS、马来 酸、阳离子单体为原料，在38qc下反应0．52．0h， 制得两性离子共聚物降黏剂VR A 。VR A在淡水、 盐水和含钙钻井液中均具有较强的耐温抗盐和降 黏作用，且防止地层坍塌的能力明显优于乙烯基 磺酸盐聚合物PA M S一601，对泥页岩有较好的抑 制作用。 5结论 两性离子聚合物钻井液在油田钻井中发挥了 重要的作用，其性能好坏及能否推广应用，关键是 研制出耐高温抗盐的两性离子聚合物处理剂。 1新型两性离子聚合物处理剂要求保证该 钻井液体系在超深井的高温、高压、高矿化度等复 杂情况下的稳定性及良好性能，并快速钻进从而 降低钻井综合成本。 2两性离子聚合物钻井液处理剂的研究仍 应着重于耐高温、抗盐、防坍塌等，并向超高温发 展，以充分发挥两性离子聚合物钻井液的性能。 参考文献 [1]孙举，王中华，王善举，等．强抑制性高钙盐聚合物钻井液体 系的研究与应用[J]．断块油气田，2011，184541544． [ 2]张建斌，杨呈德，雷跃州．两性离子聚合物泥浆在长庆油田 的应用[ J]．钻井液与完井液，1994，1113745． [ 3]杨金荣，马喜平．两性离子聚合物钻井液降滤失剂PA D A M 的合成研究[J]．钻采工艺，2010，332101104． [4]陈安猛．耐高温聚合物钻井液降滤失剂的合成及作用机理 研究[D]．济南山东大学，2008． [51齐从丽，马喜平，吴建军．新型两性离子聚合物在油田的应 用现状[J]．化工时刊，2004，18 62023． [6]何振奎，常洪超，赵善波，等．两性离子聚合物泥浆的推广应 用[J]．河南石油，1996，1023943． [ 7]彭刚．耐高温两性离子粘土稳定剂．I ．r A的制备及性能评价 [J]．石油与天然气化工，2010，39 3 238241． [ 8]邵定波，马喜平．一种两性离子聚合物的合成性能及应用分 析[J]．钻采工艺，1998，2166669． [9]朱清泉，蒲德华，李德贵，等．两性离子聚合物BY 一1及其 钻井液体系[ J]．油田化学，1996，13 3193196． [10]杨小华，王厚燕．两性离子磺酸盐聚合物处理剂CPS一 2000研究[J]．钻井液与完井液，2002，196912． [11]彭瑞平．抗盐抗钙降滤失剂AO D I的研制及应用[J]．石 油钻探技术，2005，33 45153． 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