抗高溫水基鉆井液研究現狀

李佳欣 楊雙春 潘一 等

摘 要： 井下復雜的地層狀況（如高溫）決定了鉆井的深度，水基鉆井液是鉆井液的一種，鉆井液處理劑的優化對深井的開采意義尤其重大，處理劑耐高溫的性質往往決定鉆探是否成功。論述了水基鉆井液中處理劑耐高溫性的研究現狀，對耐高溫水基鉆井液中試劑進行比較和評價，并指明了今后的研究方向。

關 鍵 詞：抗高溫；水基鉆井液；降粘劑；降濾失劑；抗鹽

中圖分類號：TE 357.9 文獻標識碼： A 文章編號：1671-0460（2016）03-0630-03

Abstract： The complex conditions of downhole decide the depth of the drilling.Water-based drilling fluid is an important kind of drilling fluid. Its treating agent is the key to the exploitation of deep well， and high temperature resistance of the treating agent is very important. In this paper， the current status and progress of high temperature resistance research of the treating agent were discussed， and some suggestions about the future research were put forward.

Key words： High temperature resistance；Water-based fluid；Viscosity agent；Fluid loss agent；Resistance to salinity

深井的數量和深度日益增加，2015年我國鉆井深度已達到了8 038 m，而現在井深普遍超過6 000 m，達到超深井的水平。普通鉆井液試劑在8 000 m井下的高溫中變形，無法達到耐高溫的要求。因此水基鉆井液的耐高溫性是國內外學者研究的主要方向之一[1，2]。國內外進行抗高溫鉆井液處理劑的耐高溫研究和各試劑的配伍性實驗早在上個世紀70年代就開始進行。本文即是對降粘劑等各類處理劑在水基鉆井液中的耐高溫性的綜述，并對鉆井液以后的研究方向提出了建議，為有關人員的研究提供參考。

1 降粘劑

降粘劑分子局部與高分子化合物上的原子團配位，阻止高分子化合物吸附黏土，從而控制其對黏土的聚合作用，起到降低粘稠度的作用。耐高溫水基鉆井液的流動性取決于降粘劑的效率，因此高溫下要保證降粘劑的活性，國內外近幾年研究較多。艾關林[3]等對一種新研制出的高分子降粘劑THIN進行了實驗分析，得出了THIN能夠約束黏土擴張和離散，從而達到降粘的效果，實驗測得THIN在220 ℃下仍能束縛黏土，且抗鹽、抗鈣，它的降粘效果優于其他試劑，通過控制合成泥漿內部凝膠網狀結構和粘滯系數，保證了高溫高密度的水基鉆井液的粘稠性。王富華等[4]將反應物、相對分子質量調節劑在引發劑溶劑中引發反應，制得JNL-1抗高溫聚合物降粘劑。在JNL-1與其他兩種抗高溫降粘劑的對比實驗中發現，JNL-1在多種條件下降粘效果比另兩種降粘劑的降粘效果更好。JNL-1能夠抗240 ℃的高溫。X射線衍射實驗表明這是因為JNL-1分子具有穩定的磺酸基團。此外即使高溫影響JNL-1的水合反應，鉆井液中剩余的JHL-1足夠為黏土顆粒提供水化膜。降粘劑JNL-1性質優越全面，適合實際鉆井應用。由趙曉非[5]等自行研制的三元聚合物降粘劑能耐240 ℃的高溫。這種三元聚合物是由MAH（順丁烯二酸酐）、SAS（烯丙基磺酸鈉）、AMPS（甲基丙烯酰胺）按一定比例在水溶液中聚合而成的。該三元聚合物是一種羥基氧化物，羥基氧的電子云密度大，使AMPS具有良好的吸附性，增強了產物的穩定性。馬來酸酐溶解在醇中脫水縮合生成酯，在水溶液中生成順丁烯酸，為降粘劑提供了所需要的水合基團，增強其溶解性。三元共聚物MAH/SAS/AMPS在常溫下平均降粘率為80%，在高溫240 ℃熱滾16 h后降粘率有所下降，但仍達到了65%，但還能夠保證高溫深井及復雜井隊鉆井鉆井的安全。由喻霞等[6]自行研制的高分子降粘劑JN-1是以馬來酸酐、石油磺酸鈉、甲醛、丙烯酰胺等為原料合成的，在pH值1～2下、溫度45 ℃，將十二烷基磺酸鈉鹽與甲醛混合攪拌，混合均勻后加入丙烯酰胺溶液和馬來酸酐MAH單體，再加入引發劑硝酸鈰銨反應4～6 h即可。在200 ℃高溫的恒溫箱內熱老化24 h JN-1仍具有較好的降黏效果，和不錯的抗鈣抗鹽能力。王松等[7]以木質素磺酸鈉為主要原料，通過磺化、絡合、共聚、及縮合等一系列改性反應，得到的PNK耐200 ℃高溫，有良好的降粘性，且耐鹽。PNK降低水基鉆井液粘度的同時，也降低了降粘劑的切力。Hui Mao在《Hydrophobic Associated Polymer Based Silica Nanoparticles Composite with Core-shell Structure as a Filtrate Reducer for DrillingFluid at Utra-high Temperature》[8]中提到一種新型二氧化硅納米微粒復核殼結構降粘劑，在井下高溫低于220 ℃的環境下，在超高壓力和鹽度的復雜地形中，仍具有良好的熱穩定性、流動性、潤滑性，可以減少流動損失。

2 降濾失劑

能降低鉆井液濾失量的鉆井液處理劑稱為降濾失劑。降濾失的方式大體分為兩類：一類是提高了粘度、減少水分的濾失量，另一類通過（膠態粒子）物理的封堵作用減少濾失量。王永吉等人[9]提到的試劑DHL-1是由含飽和烴鏈或飽和環烴的穩定有機物在150～180 ℃下制成。乳白色膏狀的DHL-1在鉆井液中通過第二種原理實現降濾的。DHL-1對油層沒有傷害，且能起到降粘的作用。DHL-1中的粒徑不同，滲入地層孔隙時形成了“內泥餅”，具有降濾的作用；顆粒還可分散到“外泥餅”中，封堵孔隙，降低外泥餅的滲透性，進一步達到降濾的目的。目前油田內使用降濾失劑大致分為三類，淀粉類降濾失劑耐高溫性較差，耐溫基本達不到150 ℃，而纖維素衍生物類耐溫性亦不能滿足井下需求；天然高分子類降濾失劑的耐溫雖較高，但仍然基本低于180 ℃。所以，現場鉆探需求的耐高溫性更高的降濾失劑基本為人工合成的高分子材料。王松[10]合成的降濾失劑抗溫到達210 ℃， 且具有優異的抗鈣鎂鹽的能力，因此在淡水、鹽水、海水及含鹽的鉆井液體系中降濾失性均優于國外的降濾失劑，應用前景廣泛。夏小春等[11]開發的FRT-2正是由以上三種物質AM、DMAM、AMPS共聚形成的新型耐高溫降濾試劑。FRT-2是由反應物氫氧化鈉、硝酸銨、丙烯酰胺甲基丙磺酸和二甲基丙烯酰胺在適當劑量的引發劑過硫酸銨中反應30 min得到聚合物膠凝，再將其剪切、造粒，并在105 ℃下烘干碾壓，得到白色的粉末態的三元共聚物。實驗表明，FRT-2有很好的降濾失性能，且具有耐高溫、降粘性等能力。還有一種耐高溫抗鹽新合成降濾試劑RSTF，RSTF是兩種以上的聚合物單體以及腐殖酸，接枝共聚制成，耐溫可達220 ℃。周向東[12]合成了三元聚合物的高分子降濾失劑WH-1，能抗240 ℃高溫，并抗鹽抗鈣，在50多口井上的測試實驗表明，地層溫度階梯較大的情況下WH-1仍有較好的濾失量。王中華[13]合成聚合物降濾失劑P（AMPS—AM—AA）/SMP。最優制備條件下合成的P（AMPS—AM—AA）/SMP可耐240 ℃高溫，且降濾失作用較好。可以同時優化鉆井液的流動性和高溫高壓下的濾失量。Lewis 等[14]以褐煤為主體在化學鍵上接枝，合成了AMPS/AM/AA/DMDAAC接枝聚合物，能抗260 ℃的高溫。降濾失時還能保護油氣層，是一種高效優異的實用降濾失劑。還有學者通過實驗，優選出一種新型抗高溫抗鹽降濾失劑 JZA-1[15]，對其降濾失機理進行了研究發現，JZA-1 能契合地附著在粘土粒子表面，吸附效果優于SMP-1，增大了粘土表層水化膜厚度，從而使粘土粒子具有更強的穩定性。可耐220 ℃高溫。

3 護膠劑

護膠劑應具有熱穩定性較高的化學鍵，通常帶有能提高抗溫抗鹽特性的強水化基團。由王富華等[4]研究得到的護膠劑GHJ-1與磺化處理劑一起使用，可抗240 ℃，在含鹽含鈣的環境中都有良好的溶解性，可以很好地調節鉆井液體系的流動變性。常晨等[16]研究的護膠劑MG-H可耐240 ℃高溫，具有適度盤繞、連接、水合等多重作用，護膠劑MG-H吸附黏土，有良好的護膠性，可以提高其他配伍試劑的耐高溫性。

4 抑制劑

抑制劑是水基鉆井液中一種特別的添加劑，抑制水化、分解、膨脹。聚胺抑制劑XJA-1[16]能夠有效地抑制泥頁巖的水化分散和黏土的水化膨脹，且耐150 ℃高溫，優于傳統抑制劑氯化鉀。包被抑制劑SDE[17]，是一種小分子的帶正電性的PAM，抑制作用明顯。Zhong Hanyi[18]在國際石油大會提到自行開發了一種抑制劑SDJA-1，通過實驗在200 ℃老化4 h后抑制率仍能達到70%，可用于深井鉆探。

5 成膜封堵防塌劑

成膜封堵防塌劑是一種能夠封堵井壁、地層縫隙的試劑，從而防止井壁坍塌，同時能夠保護油層。HOSEAL[16]是一種是由不同大小分子、原子、離子配合而成的成膜封堵防塌劑。經實驗測得，當HOSEAL與其他處理劑配合使用時可耐240 ℃高溫。新型的封堵防塌劑HA-1[17]是通過化學作用實現防塌的。HA-1是由多聚鋁酸鹽和醋酸乙脂聚合而成的。在進入層狀巖石時，酸性的地中水會使兩性化合物HA-1生成氫氧化鋁沉淀，在頁巖和縫隙中沉積，增強井壁穩定性。同時鋁基聚合物的親電性可以抑制黏土的分解，十分適于泥頁巖的防塌，可耐120 ℃的溫度。

6 穩定劑

高溫條件下，鉆井液水分減少，可能會表現出高溫變稠，嚴重時黏土會發生膠凝聚沉，甚至固化。新型高溫穩定劑STBHT[19]由球狀高分子的柔性鏈接構成，提高了硫酸鋇（重晶石）的懸浮性，還有潤滑、濾失的特性。實驗表明在180 ℃的高溫下連續加熱16 h后鉆井液還具有明顯的流動性，沒有使黏土失活，穩定劑STBHT有效。高溫穩定劑XP[3]為一種多元共聚物， 有護膠、協同增效的作用；且能夠抑制泥巖與頁巖間巖石的水化膨脹，阻止油氣逸散，穩定井壁，防止塌陷。不僅自身耐高溫，當它與其他處理劑搭配使用時，形成新的配位化合物，提高了其他處理劑的耐高溫限度，高溫穩定劑XP[20]由維生素C鈉鹽、1，3，5-三戊烷和檸檬酸按比例系數聚合而成的，配合著表面活性劑使用，分別在TW-80和SJ-1這2種鉆井液中實驗證實，這種穩定劑可耐250 ℃高溫，耐高溫性極強。

7 增黏劑

增黏劑在鉆井液、完井液中用量較多，除了基本的增黏作用外，還可以調整鉆井液內部凝膠網狀結構的強度、粘滯塑形彈性、濾失量和失水量、保護井壁的穩定和油層完好。閆麗麗[21]制取了新型增粘劑PADA，是用具有抗鹽性的AMPS、有側基效應的二氮二甲基丙烯酰胺DMAM和基本不水合、熱穩定性好的丙烯腈AN，這3種物質為原料單體，在一定條件下制得的。實驗測得新型增粘劑分解溫度為350 ℃，在200 ℃的深井下性質不變，且在鉆井液體系中發揮出了良好的增黏性，是一種優良的耐高溫耐鹽降濾增粘劑劑，可以在鹽膏地層和復合鹽層的深井鉆探中得到應用。

8 結束語

筆者論述了水基鉆井液中處理劑耐高溫性的研究現狀，對耐200 ℃左右高溫水基鉆井液中的各類試劑進行比較和評價。作者認為以下幾個方面可以多進行研究：①抗熱氧化降解、熱穩定性的提高；②處理劑可以增強高溫超高溫條件下粘土粒子水化膜水化能力為技術新思路，提高普通鉆井液聚合物材質的抗溫極限；③在傳統鉆、完井液體系中加入高溫穩定劑等處理劑增加其應用溫度范圍。

參考文獻：

[1]孫今聲，楊澤星. 超高溫（240℃）水基鉆井液體系研究[J]. 鉆井液與完井液， 2006， 23（1）：15-18.

[2]單文軍，陶士先，付帆，等. 抗240℃高溫水基鉆井液體系的室內研究[J]. 鉆井液與完井液，2014，31（5）：19-22.

[3]艾關林. 抗高溫高密度水基鉆井液研究[J]. 內蒙古石油化工， 2013（4）：136-138.

[4]王富華. 抗高溫高密度水基鉆井液作用機理及性能研究[D]. 北京：中國石油大學，2009.

[5]趙曉非，陳娟娟，婁剛，等. MA/SAS/AM PS共聚物耐高溫鉆井液降粘劑的研制[J] . 化工科技，2014，22（2）：3841.

[6]喻霞，王松，盛金春， 等. 新型抗高溫降粘劑JN-1研究[J]. 精細石油化工進展，2010， 11（3）：4-5.

[7]王松，胡三清. 抗高溫降粘劑PNK 的研制與評價[J].石油鉆探技術， 2003， 31（2）：24-26.

[8]Hui Mao .Hydrophobic Associated Polymer Based Silic Nanoparticles Composite with Core-shell Structure as a Filtrate Reducer for Drilling Fluid at Utra-high Temperature [J] . Journal of Petroleum Science and Engineering， 2015， 03（3）：1-14.

[9]王永吉， 于興東， 林士楠， 等. 高溫降濾試劑DHL-1的研究及應用[J] . 油田化學，1997，14（1）：1-3.

[10]王松. 抗高溫鉆井液降濾失劑JHW的評價與應用[J] . 精細石油化工進展，2001， 2（8）：10-12.

[11]夏小春，易勇，郭磊. 鉆井液用耐高溫降濾失劑FRT-2的合成及性能研究[D].北京：中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，2012.

[12]周向東.AM/AMPS/NVP三元共聚物降濾失劑WH—l的研制[J].油田化學，2007，24（4）：293-295.

[13]王中華.超高溫鉆井液降濾失劑P（AMPS—AM—AA）/SMP的研制[J].石油鉆探技術，2010，38（3）：8-12.

[14]Lewis S.Method of using lignite grafted fluid loss control additives in cementing operations：US，7360598[P].2007.

[15]劉江華. 高密度水基鉆井液抗高溫作用機理及流變性研究[D]. 北京：中國石油大學，2009.

[16]常晨. 超高溫水基鉆井液的室內研究[J]. 鉆井液與完井液， 2012， 29（3）： 23-26.

[17]張國. 新型聚胺水基鉆井液研究及應用[J]. 鉆井液與完井液， 2013， 30（3）： 23-26.

[18]Zhong Hanyi.Successful Application of Unique Polyamine High Performance Water-Based Drilling Fluid in Bohai Bay Shale Formation[C] .International Petroleum Technology Conference.

[19]趙文，張榮，徐博韜， 等. 深井高溫水基鉆井液體系研究[J]. 石油天然氣學報，2013， 35（9）： 23-26.

[20]盧明. 提高水基鉆井液高溫穩定性的實驗研究[J]. 鉆井液與完井液，2013，30（1）：17-21.

[21]閆麗麗，孫金聲，王建華， 等. 新型抗高溫抗鹽鉆井液增黏劑PADA的制備與性能[J] . 石油學報， 2013， 29（3）： 464-469.