鉆井液用降粘劑研究進(jìn)展

劉 音，李風(fēng)光，蔡景超，常 青，于富美，袁 青

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院，天津 300457）

伴隨油氣資源的不斷開(kāi)發(fā)，鉆井遇地層條件日益復(fù)雜，對(duì)鉆井液工藝技術(shù)提出了更高的要求，尤其針對(duì)深井用高固相含量的鉆井液，綜合解決鉆井液的流變性、抗溫、抗鹽等之間的矛盾非常困難[1]。因此，研究新型的抗高溫鉆井液體系已成為當(dāng)今鉆井液技術(shù)的關(guān)鍵。鉆井液的流變性調(diào)整主要是調(diào)整鉆井液的表觀粘度、靜切力、動(dòng)切力等，而鉆井過(guò)程中，鉆井液的粘度、切力過(guò)大或過(guò)小都是保證鉆井液優(yōu)良性能的關(guān)鍵因素。當(dāng)鉆井液粘度和切力過(guò)大時(shí)，會(huì)使鉆井液流動(dòng)阻力過(guò)大，能耗過(guò)高，此時(shí)可能會(huì)引起鉆頭泥包、卡鉆、鉆屑在地面不易除去，甚至?xí)?yán)重影響轉(zhuǎn)速；而當(dāng)鉆井液粘度和切力過(guò)小時(shí)，會(huì)影響鉆井液攜巖和井壁的穩(wěn)定性[2]。

在鉆井液體系中通過(guò)調(diào)整固相含量來(lái)調(diào)整鉆井液的粘度和切力，在調(diào)整固含量的基礎(chǔ)上，還可用流變性調(diào)節(jié)劑來(lái)調(diào)整鉆井液的粘度和切力。降粘劑是鉆井過(guò)程中不可缺少的鉆井液處理劑，它可以起到降粘、調(diào)節(jié)鉆井液流變性等作用，對(duì)維護(hù)鉆井液的性能穩(wěn)定、保護(hù)油氣層起著重要的作用，是鉆井過(guò)程中不可缺少的核心處理劑[3]。本文綜述了三類(lèi)鉆井液用降粘劑的基本組成和性能，并討論了鉆井液用降粘劑的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 鉆井液用降粘劑產(chǎn)品

目前，針對(duì)國(guó)內(nèi)在進(jìn)行鉆井施工時(shí)所添加的降粘劑產(chǎn)品，有研究用改性單寧、改性木質(zhì)素磺酸鹽、烯類(lèi)單體聚合物等產(chǎn)品來(lái)調(diào)整鉆井液的表觀粘度和切力，不但能夠起到降粘作用，還能有效調(diào)節(jié)鉆井液的流變特性。

1.1 改性單寧

改性單寧是通過(guò)其結(jié)構(gòu)中的羥基與粘土表面的羥基形成氫鍵而吸附在粘土顆粒表面，其極性基團(tuán)-SO3Na、-COONa 在水中電離，形成的擴(kuò)散雙電層能提高粘土顆粒表面的電負(fù)性，并增加水化層厚度，起降低粘度和切力的作用。改性單寧中的一種栲膠堿液適合做鉆井液中的降粘劑。

卿鵬程[4]將栲膠與磺酸鹽木質(zhì)素在甲醛作用下聚合，再與鐵離子絡(luò)合得到降粘劑，研究表明，該降粘劑具有良好的降粘特性，同時(shí)具有良好的耐溫性，150 ℃下，降粘劑能有效地控制鉆井液的稠化。范洪富[5]以栲膠和腐殖酸為原料，通過(guò)磺甲基化和絡(luò)合反應(yīng)，得到降粘劑HKSF，其降粘能力優(yōu)于鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽，另外，該產(chǎn)品具有良好的抗鹽、耐溫能力。王傳富等[6]將改性單寧化學(xué)改性后，加入磷化合物和乙烯基單體，引發(fā)制備黑色降粘劑SY-1，將其與鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽比較得知，當(dāng)加量?jī)H為鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽量1/3 時(shí)，在淡水泥漿中的降粘效果達(dá)91 %，現(xiàn)已在勝利油田成功施工井次20 余口，且該產(chǎn)品耐溫可達(dá)160 ℃。

1.2 改性木質(zhì)素磺酸鹽

木質(zhì)素磺酸鹽是亞硫酸鹽造紙法中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，它能與鐵、鉻等三價(jià)金屬離子配位，生成改性木質(zhì)素磺酸鹽，并通過(guò)氫鍵吸附在粘土顆粒表面，可提高粘土顆粒表面的負(fù)電性，將粘土顆粒形成的結(jié)構(gòu)拆散，從而起到了降低鉆井液體系粘度和切力的作用。

近年來(lái)，科研人員考慮到鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽中的鉻離子對(duì)環(huán)境存在污染問(wèn)題，研制出一系列的不含鉻木質(zhì)素磺酸鹽[7-8]。張黎明等[9]利用木質(zhì)素磺酸鹽與栲膠接枝共聚后，引入Fe2+絡(luò)合得到LGV 降粘劑。研究中發(fā)現(xiàn)，引入的Fe2+有助于增強(qiáng)LGV 在粘土上的吸附能力，而通過(guò)增大栲膠的加入量，粘土上的吸附量不斷提高，說(shuō)明栲膠的引入有助于加強(qiáng)LGV 在粘土上的吸附能力，二者的水化耐鹽性能和抑制熱降解功能共同協(xié)調(diào)起到體系降粘作用。

木質(zhì)素磺酸鹽分子中含有甲氧基、雙鍵、醚鍵、羥基等多個(gè)官能團(tuán)，在一定條件下，可以與乙烯類(lèi)單體、陰、陽(yáng)離子、金屬離子等發(fā)生改性反應(yīng)。尉小明等[10]將木質(zhì)素磺酸鹽接枝丙烯類(lèi)單體丙烯酰胺、馬來(lái)酸酐，得到的共聚物熱穩(wěn)定性良好，且降粘、降濾失效果良好，在加量0.5%時(shí)，表觀粘度下降50%，濾失量下降51%，動(dòng)、靜切力大幅度下降，是一種良好的鉆井液用降粘劑。楊碧如等[11]在木質(zhì)素磺酸鹽結(jié)構(gòu)中引入陰離子、陽(yáng)離子基團(tuán)，用其提高降粘性和抑制性，由于陰離子基團(tuán)能增加產(chǎn)品的水化能力，因此調(diào)節(jié)鉆井液流型起到顯著效果；而陽(yáng)離子能增強(qiáng)產(chǎn)品的抑制性能。該產(chǎn)品適用于聚合物、聚磺和分散性鉆井液體系。

1.3 烯類(lèi)單體低聚物

烯類(lèi)單體低聚物通過(guò)氫鍵吸附在粘土顆粒的羥基表面，其極性基團(tuán)通過(guò)增加粘土顆粒表面的負(fù)電性和水化層厚度，拆散粘土顆粒聯(lián)結(jié)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)，起降粘度和切力的作用。另外，對(duì)于由高聚物配制的鉆井液，低聚物還可以通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)使吸附在粘土表面的聚合物解吸下來(lái)，破壞粘土與聚合物組成的結(jié)構(gòu)，起降低粘度和切力的作用[12]。

徐燕莉[13-14]以丙烯酸、丙烯酰胺、二烯丙基二甲基氯化銨（DMDAAC）為原料，通過(guò)自由基聚合反應(yīng)，得到降粘劑AMTA，它表現(xiàn)出良好的降粘效果，很容易吸附在粘土表面，飽和吸附量達(dá)50 mg/g，當(dāng)添加量為0.1 %時(shí)，該降粘劑在粘土泥漿和聚合物泥漿中的降粘率分別為90 %和60 %，另外，AMTA 具有一定的抗高溫性能，150 ℃下熱滾老化16 h，流變性保持良好。Hale 等[15]將苯乙烯磺酸鈉和順丁烯二酸酐反應(yīng)，得到共聚物SSMA，經(jīng)測(cè)試其相對(duì)分子質(zhì)量在5 000 左右，該烯類(lèi)單體低聚物作為鉆井液用降粘劑，能起到改性單寧和木質(zhì)素磺酸鹽所達(dá)不到的降低粘度和切力的作用。曹曉春等[16]用丙烯酸、丙烯酰胺和DMDAAC 共聚，制備陽(yáng)離子聚合物降粘劑DSAA，經(jīng)研究表明，加量0.1 %的DSAA 在淡水泥漿中的降粘率達(dá)到84 %，在4 %的鹽水泥漿中降粘率達(dá)到60 %，且抗鈣污染性能良好。王中華[17-18]通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，制備AA/AMPS 共聚物，用其作為鉆井液降粘劑具有較高的降粘效果，且具有良好的抗溫、抗鹽、抗高價(jià)金屬離子污染的能力。

目前，聚合物鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中暴露出一些問(wèn)題，如在強(qiáng)造漿泥頁(yè)巖地層時(shí)，鉆井液的粘度和切力上升快、抑制性不夠強(qiáng)、鉆井液的靜結(jié)構(gòu)力強(qiáng)、形成的泥餅質(zhì)量差等問(wèn)題。針對(duì)該類(lèi)需要，劉平德等[19]將聚合物分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，將陽(yáng)離子、非離子基團(tuán)引入到聚合物中得到兩性離子聚合物，它不但表現(xiàn)出較好的流變性、較強(qiáng)的抑制性，且鉆井液濾失性也得到調(diào)節(jié)，當(dāng)加量為0.2 %時(shí)，XY-27 降粘劑可有效降低水眼粘度，解決了體系聚合物濃度增加與降粘效果之間的矛盾。針對(duì)鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽降粘劑中存在有害的鉻離子，且加入體系產(chǎn)生大量泡沫等問(wèn)題，楊光勝等[20]研制了一種含陰離子、季銨鹽陽(yáng)離子為吸附基團(tuán)的低分子聚合物降粘劑，依靠多個(gè)陰離子基團(tuán)來(lái)拆散鉆井液中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，研究表明，復(fù)合離子型降粘劑PX 在聚合物鉆井液、高密度鉆井液和膨潤(rùn)土漿中降粘效果良好，一般加量為0.1 %左右，表明了PX 是調(diào)整聚合物鉆井液流變性有效的降粘劑之一。尉小明等[21]將烯類(lèi)單體與木質(zhì)素磺酸鹽接枝共聚，得到烯類(lèi)單體聚合物后，絡(luò)合金屬離子，合成降粘劑MGBM-1，它具有良好的降粘效果，當(dāng)加量為0.5 %時(shí)，表觀粘度下降50 %，動(dòng)切力、靜切力下降80 %以上，還具有一定的降濾失作用，將其與傳統(tǒng)的鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽（FCLS）比較，抗鹽、耐溫能力均高于FCLS。

此外，對(duì)由聚合物配得的鉆井液，低聚物還可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)吸附使吸附在粘土表面的聚合物解析下來(lái)，破壞粘土和聚合物組成的結(jié)構(gòu)，起降低粘度和切力的作用。因此，烯類(lèi)單體低聚物是特別適用的降粘劑，能起到改性單寧和改性木質(zhì)素所起不到的降低粘度和切力的作用。

2 結(jié)論

伴隨國(guó)內(nèi)油田的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，常規(guī)的降粘劑已不能滿足油田開(kāi)發(fā)的需要，因此，研究高效實(shí)用、價(jià)格低廉的降粘劑產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境友好雙贏，已成為適應(yīng)深部油氣層鉆探的必然趨勢(shì)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究了抗高溫、高壓的鉆井液用降粘劑-含硅、氟基團(tuán)的降粘劑，它具有降粘效果好、抗溫、抗鹽性能好、用量少等優(yōu)點(diǎn)。本院致力于設(shè)計(jì)新型的含硅、氟元素的抗高溫降粘劑，將其引入新的修飾基團(tuán)，接枝共聚后能提高聚合物的抗高溫性能，現(xiàn)正努力使已完成的研究成果向生產(chǎn)力方面轉(zhuǎn)化。用該產(chǎn)品作為新型降粘劑添加到抗高溫、高壓的鉆井液體系中，其應(yīng)用效果必然會(huì)越來(lái)越受到關(guān)注。

［1］ 劉四海，蔡麗山.深井超深井鉆探工藝技術(shù)［J］.鉆井液與完井液，2002，19（6）：116-121.

［2］ 趙福麟.油田化學(xué)［M］.山東：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2010.

［3］ 鮑允紀(jì)，李芬芬，張文郁.硅氟類(lèi)降粘劑的降粘機(jī)理及應(yīng)用［J］.有機(jī)氟工業(yè)，2010，38（4）：42-45.

［4］ 卿鵬程.對(duì)環(huán)境無(wú)害的鉆井液降粘劑XL-1［J］.鉆井液與完井液，1997，14（6）：24-25.

［5］ 范洪富.鉆井液降粘劑HKSF 的室內(nèi)研究［J］.石油與天然氣化工，1995，24（2）：130-133.

［6］ 王傳富，趙志斌.聚合物鉆井液降粘劑SY-1 的研制與應(yīng)用［J］.鉆采工藝，1997，20（2）：51-56.

［7］ PARK L S. A New Chrome-free Lignosulfonate Thinner Performance without Environmental Concerns［J］.SPE Drilling Engineering，1988，3（3）：311-314.

［8］ MIANO F，LOCKHART T P. Chrome-free Lignosulfonate Mud：Zirconium Additives Provide Extended High-temperature Performance［R］.SPE 28305，1994.

［9］ 張黎明，尹代益，楊世光，等.新型無(wú)鉻木質(zhì)素磺酸鹽降粘劑LGV 研究［J］.天然氣工業(yè)，1992，12（3）：53-59.

［10］ 尉小明，劉喜林，王衛(wèi)東.木質(zhì)素磺酸鹽接枝共聚物的合成及應(yīng)用［J］.鉆采工藝，2002，25（3）：81-84.

［11］ 楊碧如，王柯.木質(zhì)素磺酸鹽接枝共聚物的研究與應(yīng)用［J］.石油與天然氣化工，1996，25（3）：162-166.

［12］ 張春光，侯萬(wàn)國(guó)，王果庭，等.海泡石泥漿SSMA 對(duì)海泡石-HPAM體系的稀釋作用［J］.油田化學(xué)，1988，5（1）：1-5.

［13］ 徐燕莉.兩性離子降粘劑AMTA 性能研究［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，26（1）：80-83.

［14］ 徐燕莉.兩性離子降粘劑AMTA 合成［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，25（4）：85-90.

［15］ HALE A H. Well Drilling Fluids and Process for Drilling Wells：US，4728445［P］.1988.

［16］ 曹曉春，劉雨晴，張克勤.鉆井液降粘劑DSAA 的合成與評(píng)價(jià)［J］.油田化學(xué)，1995，12（1）：9-12.

［17］ 王中華.AMPS/AA 共聚物泥漿降粘劑的合成［J］.精細(xì)石油化工，1994，11（3）：25-27.

［18］ 孫舉，王中華，李旭東，等.合成條件對(duì)AMPS/AA 共聚物鉆井液降粘劑降粘性能的影響［J］.石油與天然氣化工，1996，25（2）：103-105.

［19］ 劉平德，牛亞斌，張梅.兩性離子聚合物鉆井液體系PL 的研制［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（3）：71-73.

［20］ 楊光勝，樊世忠，邢偉亮.復(fù)合離子聚合物降粘劑PX 的研制與應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，1995，12（2）：24-28.

［21］ 尉小明，劉喜林，夏炎，等.鉆井液用降粘降濾失劑MGBM-1 的研制［J］.鉆井液與完井液，2002，19（1）：7-9.