鉆井液用高分子中空微珠減輕劑的生產及應用

王建宇 趙素麗 石秉忠 陳鋮 李勝(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

鉆井液用高分子中空微珠減輕劑的生產及應用

王建宇 趙素麗 石秉忠 陳鋮 李勝(中國石化石油工程技術研究院，北京 100101)

研制生產了一種高性能高分子中空微珠減輕劑，其外觀呈圓球形顆粒、表面光滑、殼層密閉、平均粒徑76μm、平均密度0.39g/ cm3，90℃下抗壓高達50MPa。在鄂爾多斯杭錦旗錦96井等進行了現場應用，結果表明高分子中空微珠對鉆井液降密度效果明顯、在鉆井液中分散性好；鉆井施工過程中鉆井液密度穩定、低密度維持時效長、對現場固控設備適應性好、不發生吸附團聚現象，抗沖擊耐研磨能力強，綜合性能完全滿足鉆井液的應用要求。

高分子中空微珠；減輕劑；低密度；鉆井液

0 引言

目前，許多老油田都陸續進入開發中后期，逐漸成為低壓或衰竭油氣層，油氣層保護需求及欠平衡鉆井技術的廣泛應用，促使低密度鉆井液技術隨之迅速發展，在防止低壓地層漏失、保護油氣層、提高機械鉆速方面效果明顯，已成為低壓鉆井和欠平衡鉆井的核心技術之一[1,2]?，F場中常用的低密度鉆井液(密度≤1.0g/cm3)技術主要有混油、充氣及泡沫等。但混油鉆井液污染環境且影響地質錄井；充氣與泡沫鉆井液設備投資巨大、影響隨鉆測量儀器應用、腐蝕鉆具、水力計算困難。前期的實踐表明，使用中空微珠作為減輕劑的低密度鉆井液技術可有效解決上述混油、充氣及泡沫鉆井液存在的技術問題，是迄今為止使用最簡單、受限最少的技術。

1 玻璃中空微珠的缺陷及新型微珠的創新課題

截至目前，國內外使用最多的減輕劑是美國3M公司生產的玻璃中空微珠，但從資料來看，實際使用效果并未達到滿意的效果。存在的主要問題是，由于玻璃中空微珠殼層為脆性大且不可變形的玻璃材料，在鉆井液動態循環過程中受到鉆頭水眼高速剪切、沖擊以及與鉆具、井壁等之間發生摩擦、碰撞，容易發生破碎。同時玻璃殼體密度大(2.4g/cm3)，破碎后反而加重鉆井液密度，在應用中鉆井液密度難以控制、消耗率大、成本高(10萬元/噸)。以國內DP-3井三開水平井段施工為例，1201米的井段因破碎消耗玻璃中空微珠近70噸，耗資高達700萬元，鉆井液初始密度為0.95g/cm3，至三開中完，密度上升到1.05g/cm3，中空微珠日破損率高達50%以上[3-5]。玻璃中空微珠減輕劑存在的上述嚴重制約了其在石油工程領域的進一步推廣應用。

為研發一種高性能、高性價比的新型中空微珠材料作為新型鉆井液減輕劑。中國石化石油工程技術研究院率先提出利用高強度彈韌性高分子中空微珠替代玻璃中空微珠作為鉆井液減輕劑的技術思路。圍繞如何設計并研制生產出中空度、密度、粒度可控，抗壓、抗溫、耐研磨、抗沖擊、對鉆井條件適應性強的鉆井液用中空微珠減輕劑開展了系統的創新性攻關研究[6]，突破了關鍵技術瓶頸，填補了國內外該領域的技術空白。基于“簡便、高效、低成本、安全、綠色”的技術思路，創新提出了中空微珠反應成型及表面改性同步完成的技術工藝策略，成功研制出性能優異、可回收再利用的高分子中空微珠減輕劑，研發了產業化核心技術，成功實現了規模化工業生產；并以此構建了一套完型低密度鉆井液體系與應用技術，建立了分散穩定性控制計算模型，開展了現場應用并取得了良好的效果。

2 鉆井液用高分子中空微珠減輕劑的生產

鉆井液用高分子中空微珠減輕劑生產技術屬于世界性技術難題，截止目前，國內外尚無生產和應用的報道。用于降低鉆井液密度的高分子中空微珠減輕劑。本體性質方面，要求密度低、耐溫抗壓、抗沖擊、耐研磨，殼層密閉性好，高溫、高壓、高剪切的苛刻條件下中空微珠殼層不破碎不滲水；表面性質方面，要求表面親水性好，在水溶液中易于形成完整、有序、強度高的溶劑化膜和ζ電位較大的雙電層結構，高分子中空微珠之間及與鉆井液中其它固相顆粒之間不易發生吸附和團聚。由于上述特殊的應用要求，現有常規高分子中空微珠產品的性能無法達到實際的應用需要[7-12]，因此，對鉆井液用高分子中空微珠減輕劑的殼層結構和材料性能進行了特殊設計：殼層為雙殼層復合結構，內層為厚度較大且本體密度低、強度高、耐溫抗壓、耐沖擊、密閉性高的疏水性高分子材料；外層則為很薄的親水性分子層、在水溶液中可部分電離形成雙電層結構。其結構示意圖如圖1所示。

圖1 雙殼層復合結構高分子中空微珠示意圖

通過6年技術攻關，研選出彈韌性高分子材料PSF、發泡劑、表面改性劑、催化劑等關鍵材料并自主研發出獨創的噴霧反應成型及表面改性同步完成的高分子中空微珠生產技術，該生產技術分為四個主要工藝單元，即原料預反應系統、噴霧反應成型系統、產品收集系統及尾氣除塵系統。顯微鏡下觀察，發現生產的高分子中空微珠外觀形貌呈圓球形顆粒、表面光滑、殼層密閉，產品平均粒徑76μm、平均密度0.39g/cm3，90℃下抗壓高達50MPa，生產成本僅為進口3M玻璃中空微珠的1/3，具有很高的性價比。

3 鉆井液用高分子中空微珠減輕劑的現場應用方法

高分子中空微珠減輕劑的現場應用方法如下：

步驟1)：根據擬使用目標井的鉆井液設計方案，優選各種配套處理劑如增黏劑、流型調節劑、降濾失劑、抑制劑、封堵防塌劑等；

步驟2)：確定合理的基液粘度/切力參數，使之能夠維持高分子中空微珠在基液中穩定懸浮和分散；

步驟3)：根據目標區塊地層壓力和鉆井液設計，確定高分子中空微珠適宜加量；

步驟4)：采用循環加料方式向基液中逐漸加入高分子中空微珠；

步驟5)：根據鉆井液性能要求，補充降濾失劑、流型調節劑等處理劑；

步驟6)：充分攪拌循環后，測定鉆井液體系的密度、流變性、濾失量等參數。

4 現場應用效果

本文以內蒙古鄂爾多斯地區的錦96井和錦111井為應用目標，按照上述鉆井液用高分子中空微珠減輕劑使用方法，研選了配套處理劑，構建了一套高分子中空微珠低密度鉆井液體系，體系配方為：清水+0.1%NaOH+0.3%XC+1%改性淀粉+2%天然改性瀝青+1%SMJA-1+1%RH-1+高分子中空微珠減輕劑。隨著高分子中空微珠減輕劑加量的增加，鉆井液體系的密度顯著降低，且熱滾老化前、后鉆井液密度變化幅度很小。

現場應用中通過直接配制低密度鉆井液和循環加入鉆井液的方式驗證高分子中空微珠減輕劑的實際應用效果。配制低密度鉆井液時，加入高分子中空微珠后無起泡現象，按質量體積比加入4%高分子中空微珠后，鉆井液密度可由1.02g/cm3降至0.98g/cm3。通過加量漏斗直接加入循環系統時，泵壓平穩、對鉆井參數無影響、固控設備未篩出高分子中空微珠。每次循環加入高分子中空微珠不僅可有效降低鉆井液密度，而且對現場鉆井液流變性未產生不良影響。在整個試驗井段中，鉆井液密度一直保持在0.97g/cm3～0.99g/cm3之間，表明高分子中空微珠鉆井液低密度維持時效良好。

將現場收集的經振動篩、除砂器、離心機處理后的鉆屑進行烘干處理，并采用掃描電鏡在不同放大倍數下觀察鉆屑表面表明，經振動篩、除砂器、離心機等固控設備處理后的鉆屑表面未發現球狀物存在，表明經固控設備處理后的鉆屑中不含有高分子中空微珠，高分子中空微珠在施工中未發生吸附、團聚現象，對現場的鉆井液固控設備具有良好的適應性。

將現場鉆井液經清水稀釋后在燒杯中靜止放置24h，并收集燒杯液面漂浮的高分子中空微珠，然后將收集的高分子中空微珠經80℃烘干，用掃描電鏡觀測其在不同放大倍數下的狀態，結果顯示，鉆井液中的高分子中空微珠顆粒完整性好，破碎率低，表明高分子中空微珠能經受住鉆頭水眼的高速剪切沖擊和研磨，耐研磨、抗沖擊、抗剪切性能良好。

現場應用結果表明，自主研制生產的高分子中空微珠減輕劑綜合性能完全滿足了鉆井液應用要求效果良好。

5 結語

根據鉆井液減輕劑的特殊使用要求，自主研制綜合性能滿足鉆井液應用要求的高分子中空微珠減輕劑產品，其外觀呈圓球形顆粒、表面光滑、殼層密閉，產品平均粒徑76μm、平均密度0.39g/cm3，90℃下抗壓高達50MPa，生產成本僅為進口3M玻璃中空微珠的1/3?，F場應用結果表明，自主研制生產的高分子中空微珠減輕劑，在鉆井液中分散穩定性好，其鉆井液低密度維持時效長，與鉆屑不發生吸附、團聚現象，具有良好的耐研磨、抗沖擊及抗剪切能力，而且對現場固控設備適應性良好?？赏〈F有玻璃中空微珠而成為新一代鉆井液減輕劑，具有廣闊的推廣應用前景。

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王建宇（1974.7-），男，博士，高級工程師，從事鉆井液研究與開發工作。

中國石化科技部重點科技攻關項目，項目編號：P10036、P13008。