抗超高溫高密度油基鉆井液用新型降黏劑的性能

楊振周，　劉付臣，　周春，　李建成，　楊鵬，　燕松兵

（1.中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司，北京102206；2.中國石油休斯敦技術(shù)研究中心，北京100028；3.中國石油集團長城鉆探公司工程技術(shù)研究院，遼寧盤錦124000）

油基鉆井液具有強抑制性、潤滑性、抗溫及抗污染能力好等優(yōu)點，但油基鉆井液還具有成本高、環(huán)境保護性能差等問題[1-3]，因此以不斷改進配方、增加重復使用次數(shù)來降低成本[4]；也從油基鉆井液的毒性理論，設(shè)計和研制低毒、無毒的基液和添加劑來降低環(huán)境保護的壓力[5]。為了降低全油基鉆井液的使用成本，并改善鉆井液的基本性能，匹配油層的水活度，現(xiàn)場往往使用油包鹽水逆乳液鉆井液。在配制油包水鉆井液時，乳化劑是最關(guān)鍵的化學處理劑之一[7]，隨著鉆井液密度的增大，加重劑用量也隨之增加，使鉆井液黏度也隨著提高，對于密度大于2.3 g/cm3的油基鉆井液，降黏劑也成了關(guān)鍵的化學處理劑之一。目前中國有關(guān)油基鉆井液降黏劑的研究報道很少，國外也僅有少量的低溫油基鉆井液降黏劑的研究和應(yīng)用，如哈里伯頓的用于低溫的油基鉆井液降黏劑專利[8]，但國外油基降黏劑的抗溫能力不理想。通過采用抗溫有機土、聚合物降濾失劑等主要處理劑，形成了抗溫200℃、密度為2.0 g/cm3的全油基鉆井液體系[9]，其具有抗水、抗鹽、抗劣質(zhì)土污染能力強等優(yōu)點。隨著鹽水的加入，乳化劑的使用，油包水鉆井液普遍比全油基鉆井液具有更高的黏度，筆者所研制的降黏劑能有效地降低過稠的油基鉆井液黏度。

1　實驗部分

1.1　實驗材料及儀器

柴油，石蠟油，室內(nèi)合成的3種不同分子結(jié)構(gòu)的降黏劑A、B、C，北美市場降黏劑D、E、F，增黏劑，石灰，主、輔乳化劑，降濾失劑，氯化鈣和水。高速電動攪拌機，六速旋轉(zhuǎn)黏度計，滾子加熱爐，鉆井液濾失測定儀，高溫高壓失水儀，乳液電穩(wěn)定儀。

1.2　降黏劑的合成

為了提高降黏劑在鉆井液中的油溶性和抗高溫性，室內(nèi)合成降黏劑時，碳鏈長度和有機官能團是重點研發(fā)和比較的對象。對分子的碳鏈長度在C4～C30范圍進行篩選，最后確定碳鏈長度為C8～C18。對具有表面活性性能的醇、醚、酸、酯、酰胺、磺酸有機官能團進行比較，酰胺和磺酸更抗溫。考慮到磺酸的毒性，最后選擇了酰胺、酸、酯及其混合物。

降黏劑A為縮聚脂肪酸，是由十二羥基硬脂酸、聚羥基硬脂酸、硬脂酸及十二羥基硬脂酸與硬脂酸反應(yīng)后的產(chǎn)物和硬脂酸的均聚物中一種或幾種的組合共聚得到。降黏劑B是由脂肪酸或油與聚胺在100～200℃下反應(yīng)，再與馬來酸、酸酐在80～150℃反應(yīng)，用40%的油醇、脂肪酸或縮聚脂肪酸稀釋得到。降黏劑C為縮聚脂肪酸和多銨的衍生物，該衍生物是由縮聚脂肪酸與醇銨、聚氨反應(yīng)，最終得到酰胺和酯鍵共存的結(jié)構(gòu)。

2　油基鉆井液降黏劑性能的評價方法

2.1　降黏效率

關(guān)于油基鉆井液降黏劑的評價，目前還沒有標準或通用的方法，筆者提出了一種新的方法，采用動切力的變化來評價降黏效率，降黏效率越大，降黏能力越強。配制2份加了RevDust(一種模擬鉆屑的劣質(zhì)黏土)的鉆井液，一份用作空白樣。在另一份中加入0.5～1 mL待測降黏劑。將2份油基鉆井液樣品高速攪拌10～20 min，分別測試油基鉆井液樣品動切力。降黏效率計算公式如下。

降黏效率=（YP空白–YP降黏劑）/YP空白×100%

2.2　熱穩(wěn)定性能

測試加入降黏劑后老化前后φ100讀數(shù)的變化，φ100讀數(shù)變化率計算公式如下。

黏度變化率 =（φ100（老化前）–φ100（老化后））/φ100（老化前）×100%

考慮到實驗誤差，將黏度變化率不大于30%定為油基鉆井液的熱穩(wěn)定性能達標。

3　實驗結(jié)果與討論

在油基鉆井液的配制和使用過程中，都會遇到鉆井液流變性能超標的情況。同時考慮到使用成本，油基鉆井液被盡量重復使用。油基鉆井液過稠的流變性能，一方面源于過高和過多加重劑的加入，比如需要配制高密度鉆井液時，密度為1.9 g/cm3油基鉆井液通過加入重晶石將密度提高到2.4 g/cm3時，鉆井液的流變性能大多會超標。另一方面也源于多次重復使用油基鉆井液，導致鉆井液中的劣質(zhì)固相增多，如固控設(shè)備無法去除的鉆屑。通過測試一系列降黏劑產(chǎn)品，提出了添加一定量降黏劑的方法，達到降低鉆井液流變性能，使流變性能過高和超標的油基鉆井液達到再次使用的目的。

降黏劑的作用機理是破壞油基鉆井液體系中不必要的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，增強高密度油基鉆井液的容納固相的能力。室內(nèi)合成的降黏劑具有表面活性，通過改善固相（加重劑、鉆屑）的親油性，使固相能很穩(wěn)定地存在于鉆井液中。也就增強了鉆井液容納固相的能力；加入的降黏劑包裹吸附在固相上，減少了固體顆粒之間的相互作用，由于降黏劑的表面活性，也減少了固體與液體之間的摩擦和液體分子間的內(nèi)摩擦；降黏劑分子結(jié)構(gòu)中具有的孤對電子（分子中的氧有2對孤對電子、氮有1對孤對電子）或帶負電荷的官能團（羧酸在鉆井液中生石灰過量的情況下會生成羧酸根，帶負電荷），進一步和黏土顆粒結(jié)合，使體系無法形成過多的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從而達到改善流變性能的目的，具體表現(xiàn)為鉆井液的動切力減小。

3.1　鉆井液基漿的配制

應(yīng)用自主研發(fā)的乳化劑配制了密度為2.0、2.2和2.4 g/cm3的一系列油基鉆井液，其流變性能評價結(jié)果見表1。由表1可知，抗超高溫高密度鉆井液的流變性能隨著鉆井液密度的增大而變稠，當鉆井液密度為2.4 g/cm3時，其黏度在配制時就不能滿足要求。所以在配制高密度油基鉆井液時，需要加入降黏劑。降黏劑的加入，會使鉆井液具有更好的流變性能和抗污能力。表1中不同密度油基鉆井液的基本配方如下。

160 mL基油 +（1～5）g增黏劑 +（8～12）g石灰 +（2～15）g主乳化劑 +（4～10）g輔乳化劑 +（5～50）mL氯化鈣鹽水+（20%～30%）重晶石

表1　抗高溫高密度油包水鉆井液密度對流變性能的影響

需要的鉆井液的合理流變性能：塑性黏度在45～85 mPa·s范圍；動切力小于 20 Pa；初切為 1～6 Pa，終切為 3～12 Pa。

3.2　降黏劑的添加對基漿流變性能的影響

密度為2.0 g/cm3的該鉆井液的抗污染能力可高達20%（m/v），當該鉆井液密度為2.2 g/cm3時，鉆屑加入使鉆井液流變性能變差，鉆井液動切力和靜切力均超標，見表2。這時就需要加入降黏劑來調(diào)節(jié)鉆井液的流變性能，以達到重復使用的目的。為了模擬重復使用的油基鉆井液，在鉆井液中加入45 g用于模擬鉆屑的Rev Dust，對比評價不同降黏劑的效果，見表3。由于降黏劑D、E和F不耐高溫，因此在50℃對比了降黏劑的降黏效率。

表2　油基鉆井液的流變性能受鉆屑污染的影響

表3　添加降黏劑前后油基鉆井液的流變性能

由表 3 可知，在350 mL的鉆井液中加入1 g（濃度為0.28%）降黏劑A，其動切力為7.7 Pa，靜切力為2.3/3.6 Pa/Pa，達到流變性能的要求，降黏效率為62.4%。降黏劑A是縮聚脂肪酸，分子結(jié)構(gòu)中的羧酸官能團與鉆井液中的鉆屑黏土顆粒結(jié)合，破壞了鉆井液中過多的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低了動切力。1 g降黏劑B（濃度0.28%）的加入，可以降低超標的流變性能，但不足以調(diào)節(jié)到要求范圍；在同樣加量情況下，對于由RevDust（一種用于模擬鉆屑的劣質(zhì)土）所引起的鉆井液變稠問題，降黏劑A比降黏劑B的降黏性能好。由于在合成降黏劑B的過程中，合成原料中的羧酸結(jié)構(gòu)大都轉(zhuǎn)化為酰胺或酯的結(jié)構(gòu)，所以降黏劑B沒有帶負電荷的官能團，且降黏劑B的極性官能團結(jié)構(gòu)中的親水部分體積較大，在實驗攪拌的情況下不能很好地與固體顆粒結(jié)合，或即使通過孤對電子結(jié)合，這種結(jié)合力也較弱，不能很好地破壞鉆井液中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。0.5 g降黏劑C的加入，可以將超標的靜切力調(diào)節(jié)到設(shè)定的范圍。降黏劑C是在降黏劑A的基礎(chǔ)上引入了酰胺和酯的基團，保留降黏劑A的羧酸官能團，能有效破壞鉆井液中過多的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，新引入的氮、氧孤對電子稍微增加了一些降黏效率。市場降黏劑D的加入可以將鉆井液的動切力調(diào)到要求范圍（25 Pa 降到 17.1 Pa），但靜切力（8.4/9.9 Pa）仍偏高。降黏劑E的添加使油基鉆井液的動切力和靜切力都達到流變性能要求。降黏劑F的加入可以稍微降低超標的流變性能，但不足以調(diào)節(jié)到要求范圍。降黏劑的降黏性能比較結(jié)果是：降黏劑C＞降黏劑A＞降黏劑E＞降黏劑D＞降黏劑F＞降黏劑B。

在配制高密度油基鉆井液時，少量降黏劑的加入，可更好地調(diào)節(jié)鉆井液的流變性能。使用85∶15的油水比，重晶石作加重劑，配制密度為2.4 g/cm3的油基鉆井液，考察降黏劑在高密度鉆井液中的流變性能，結(jié)果見表 4。由表 4可知，高密度鉆井液的動切力和靜切力超標，使用 1 g（濃度0.28%）的降黏劑 B和 C就可以將動切力調(diào)至小于20 Pa，由于降黏劑 B和降黏劑 C的分子結(jié)構(gòu)有不同的地方，降黏劑B在高密度鉆井液中的降黏性能比降黏劑C更好。而降黏劑C在降低由劣質(zhì)黏土引起增黏效應(yīng)時比降黏劑B更好。降黏劑B分子結(jié)構(gòu)中有體積更大的極性基團（分支狀），與加重劑的表面結(jié)合，形成更厚和多點的結(jié)合層，減少固體顆粒間的相互作用。降黏劑C長鏈狀的極性部分和重晶石結(jié)合更弱，在這里就表現(xiàn)為較小的降黏效率。為了降低表觀黏度和塑性黏度，重新調(diào)整配方。5#配方達到了降低表觀黏度和塑性黏度的目的，同時也降低了動切力（13.1 Pa），但是靜切力仍偏高，1 g（濃度 0.28%）降黏劑 B的加入進一步降低了表觀黏度和塑性黏度，同時將靜切力調(diào)到了要求范圍，此時降黏劑B的降黏效率高達77.0%。

表4　降黏劑在高密度鉆井液中的使用效果

3.3　添加降黏劑的油基鉆井液的熱穩(wěn)定性能

配制密度為2.4 g/cm3的鉆井液，考察其添加降黏劑老化前后的熱穩(wěn)定性，結(jié)果見表5。由表5可知，加入降黏劑B和降黏劑C配制的油基鉆井液都具有很好的熱穩(wěn)定性和抗溫性能。

表5　加降黏劑老化前后油基鉆井液的熱穩(wěn)定性

4　結(jié)論與認識

1.室內(nèi)研制出了一種新型的油基鉆井液降黏劑，該降黏劑適用于高溫高密度油基鉆井液的降黏，加入少量的該降黏劑，就可有效地降低高密度油基鉆井液的黏度，使增稠的高密度油基鉆井液變稀，降低對泵壓的要求。

2.添加了降黏劑的油基鉆井液的降黏效率可高達70%以上，同時添加了降黏劑的油基鉆井液還具有更好的抗溫能力，達到225℃以上。