高性能合成基鉆井液體系的研制及性能研究

趙春花， 羅健生， 夏小春， 孫強， 耿鐵， 劉剛

（中海油田服務股份有限公司油田化學研究院，河北燕郊 065201）

油基鉆井液具有優異性能，現已廣泛作為鉆深井、大斜度定向井等的重要手段。但隨著鉆探的開發，高溫、高壓井作業區域擴大，油基鉆井液面臨越來越嚴厲的挑戰[1-4]；高溫高壓井鉆井液性能設計一般將井眼復雜情況的預防和處理作為設計的基本出發點，重點關注高溫熱穩定性、高溫高壓濾失量、抗污染能力和重晶石沉降性能，如設計不合理或達不到要求，會導致重晶石沉降、井下漏失、井涌甚至井噴等[5-7]。尤其對高溫高壓復雜井，安全密度窗口較窄，降低鉆井液黏度能有效降低摩擦阻力，減少對ECD的影響；而傳統的油基/合成基鉆井液在高溫下會膠凝稠化，導致過高的激動壓力和ECD，易引發井塌、井漏等作業風險。因此，高性能合成基鉆井液除了滿足常規性能，還須滿足低黏度低切力、重晶石沉降穩定性好等要求；針對高溫高壓復雜井，應嚴格測試鉆井液的抗高溫能力和高溫高壓流變性，以保持合理的ECD和沉降穩定性[7-12]。針對傳統油基/合成基鉆井液的不足，從提高核心處理劑的熱穩定性和配伍性出發，研發了抗高溫乳化劑、抗高溫降濾失劑和抗高溫有機土，且在此基礎上構建了一套高性能合成基鉆井液體系，并詳細研究了該體系的高溫穩定性、高溫高壓濾失及高溫高壓下流變性，以滿足現場安全鉆井的需求。

1 高性能合成基鉆井液體系的構建

所謂高性能合成基鉆井液，是指其密度在2.0 g/cm3、溫度在200 ℃或以上時，鉆井液保持低黏度、低切力、濾失量小及重晶石沉降穩定性好。即該鉆井液在65 ℃下100 r/min讀數不宜太高（該轉速與鉆井過程中鉆井液在環空的上返速度相近）[13]，濾失量小于5 mL，且重晶石的沉降因子（SF）不大于0.52，能滿足安全密度窗口窄地層鉆井的技術需求。體系構建的關鍵因素是抗溫達200 ℃以上的乳化劑、有機土及降濾失劑等核心材料的開發，其中乳化劑是確保鉆井液在高溫下的乳化穩定性的核心材料，其對固相顆粒的油潤濕性、鉆井液的流變性和濾失性能起到協同增效作用。目前，國內外傳統的合成基鉆井液使用的乳化劑抗溫性不好，在高溫下容易降解，由此導致體系的穩定性下降，如高溫增稠，濾失量增大等，難以滿足高溫高壓井的現場的要求[14-19]。此外，高溫降濾失劑和有機土等其他核心材料的熱穩定性和配伍性也極為重要。

1.1 核心處理劑的研制

1.1.1 抗高溫乳化劑

合成基鉆井液主要為油包水乳液，其整體性能的好壞主要取決于使用乳化劑的效果是否良好，乳液是否穩定。目前，國內外合成基鉆井液中常用乳化劑主要有不同碳鏈長度的高級脂肪酸皂、氧化妥爾油及其衍生物、胺基類的乳化劑（如酰胺類和咪唑啉類），但當溫度大于232 ℃時，這些乳化劑容易受熱分解[10-12]。因此，在不引入酰胺基團或酸酐基團等不耐溫官能團的前提下，從分子結構水平上重新設計，合成了一種具有特殊結構的多羥基乳化劑DF-MOCOAT UT，可以作為高性能合成基鉆井液體系的乳化劑，其具有優異的乳化性能。對比了其與傳統乳化劑的乳化性能，結果見圖1。

圖1 不同乳化劑的乳化率隨時間的變化

由圖1可以看出，由DF-MOCOAT UT配制的油包水乳狀液，在232 ℃下老化16 h、常溫下靜置7 d，乳化率仍然高達95%，與國際一流公司抗高溫乳化劑MOEMUL-3的乳化率相當，而其他商業化乳化劑的乳化率都隨著放置時間的延長迅速下降，說明了DF-MOCOAT UT具有良好的耐高溫乳化性能。

利用顯微技術可以直接觀測乳狀液的液滴形貌和尺寸分布，更為直觀地表征乳液的穩定性。不同乳化劑配制的油包水乳狀液在232 ℃下老化16 h后，乳狀液液滴的尺寸大小及分布情況見圖2。由圖2可 知， 由DF-MOCOAT UT或MOEMUL-3配制的乳狀液液滴粒徑較小，分布也較為均勻，說明研發的乳化劑DF-MOCOAT UT與MOEMUL-3具有較高的乳化率，與上述測定的乳化率相一致。而由MOEMUL-2或MOEMUL-5配制的乳狀液經過高溫老化后，乳液滴的尺寸較大且分布不均勻，發生顯著的聚并，說明由M O E M U L-2或MOEMUL-5配制的乳狀液高溫老化后不穩定，乳化率隨時間急劇下降。可能的原因為高溫使得乳化劑分子在油/水界面上排列的有序性減弱，在油/水界面上發生解吸附，界面膜強度降低，導致乳狀液穩定性下降。由MOEMUL-1或MOEMUL-4配制的乳狀液液滴粒徑較大，且分布不均勻，因此其乳化率也較低；但由于MOEMUL-1的黏度較高，因而析出油相的速度較慢，但在放置1 d后，析出油相的速度增加，其乳狀液的穩定性也要低于使用DF-MOCOAT UT配制的乳狀液。

圖2 不同乳化劑配制的乳狀液液滴的顯微鏡照片

1.1.2 抗高溫降濾失劑的研發

目前國內外合成基鉆井液用降濾失劑主要為腐植酸酰胺類、瀝青類和高分子聚合物類降濾失劑。腐植酸酰胺主要是通過腐植酸與有機胺反應生成有機酰胺，使腐植酸由水溶性變為油溶性，但該類產品在油相中分散不均勻，且耐溫性不好[20]。瀝青類產品高溫下吸油膨脹和部分分解，通常導致流變性變差和高溫高壓濾失量增加[21]。哈里伯頓公司研發了一種油溶性聚合物甲基苯乙烯/丙烯酸酯共聚物作為油基鉆井液降濾失劑，在抗高溫、易分散等方面具有突出的優勢[22]。但中國關于高分子聚合物類降濾失劑的研究報道較少。因此利用剛性單體與柔性單體，合成了一種新型的交聯共聚物降濾失劑DF-MOTROL，其具有一定的油分散性和較高的抗溫性能，在較低的加量下顯著地降低高溫高壓合成基鉆井液體系的濾失量。基礎配方如下。

315 mL Saraline185V氣制油+35 mL CaCl2（25%）+3%主乳化劑+2%輔乳化劑+2.0%有機土+3.0%CaO+重晶石（加重至2.0 g/cm3）。

在基礎配方中加入DF-MOMOTROL，配制成待測試合成基鉆井液，測試合成基鉆井液在200 ℃老化前后的流變參數和高溫高壓濾失量，結果見表5。由此可知，隨著DF-MOTROL加量的增大，合成基鉆井液的濾失量明顯降低，電穩定性提高；當DF-MOTROL加量從0～1.0%時，合成基鉆井液的濾失量從23 mL降至2.9 mL，且流變參數基本不變，破乳電壓增高，表明DF-MOTROL在較低的加量下就能顯著地降低合成基鉆井液的濾失量，并且提高乳化劑的乳化穩定性。這可能是因為DFMOTROL分散在油相中形成微米級或納米級的膠體顆粒，能夠吸附在油水界面上，與乳化劑分子協同穩定乳液。但當DF-MOTROL的加量為1.5%和2.0%時，流變參數φ100讀數、PV和YP顯著增加，因此DF-MOTROL的推薦加量為1.0%。

表1 DF-MOTROL加量對合成基鉆井液性能的影響

在上述基礎配方中加入1.0%的DF-MOTROL，考察DF-MOTROL的降濾失效果隨老化溫度的變化，結果如表2所示。由表2可知，在密度為1.8～2.4 g/cm3、溫度在180～232 ℃范圍內，合成基鉆井液具有較小的濾失量和良好的電穩定性（破乳電壓大于1 000 V）；密度為2.4 g/cm3的體系在232 ℃老化16 h后，高溫高壓濾失量仍然小于4 mL，形成的泥餅較薄且堅韌，表明DF-MOTROL在232 ℃內具有良好的降濾失性能。這主要的原因是：①溶解的部分DF-MOTROL和乳液滴侵入固體顆粒之間的空隙并在壓差下產生變形，參與內泥餅的形成；②DF-MOTROL在合成基鉆井液中形成了可變形的微凝膠顆粒，能夠填充在乳化液滴和固體顆粒之間的界面區域，阻止油相通過泥餅流入地層；且隨著濾液的侵入，越來越多的微凝膠顆粒吸附沉積在井壁表面上形成外泥餅，進一步阻止液相向地層的滲入，有良好的降濾失效果。

表2 DF-MOTROL在合成基鉆井液中的熱穩定性

1.1.3 抗高溫有機土的研發

在合成基鉆井液中，有機土既可提高體系的黏度和切力，又能降低體系的濾失量，因此有機土是合成基鉆井液中不可缺少的核心處理劑之一[23]。當溫度超過175或200 ℃時，傳統的有機土在高溫下不能夠有效地提高低剪切黏度，從而導致懸浮性能變差，不能有效懸浮重晶石等固相顆粒[24-25]，因此研發性能優良的抗高溫有機土是配制高性能合成基鉆井液的前提。通過分析影響有機土制備的因素：黏土的類型、制備方法、改性劑的類型及含量、反應的前處理和后處理等因素[24]，研發了一種性能優良的抗高溫有機土DF-MO GEL HT，其有機改性劑含量較高，且抗溫性能好，在高溫下能提高低剪切黏度和懸浮性能。

利用同步熱分析儀對比了不同種類的有機土的抗溫性能，結果見圖3（a）。由圖3（a）可以看出，在熱重曲線上， 商業化的有機土MOGEL 1和MOGEL 2分別在250、238 ℃附近失重率開始增大，且整個升溫過程幅度較大，樣品質量急劇減小，而DF-MOGEL HT是在321 ℃附近失重率開始增大，且整個過程幅度較小，證明DF-MOGEL HT熱穩定性明顯高于MOGEL 1和 MOGEL 2有機土。

進一步考察不同種類的有機土在合成基鉆井液中的φ6讀數，結果見圖3（b）。由圖3（b）可知，MOGEL 1和MOGEL 2配制的合成基鉆井液隨著老化溫度的升高，φ6讀數逐漸減小，尤其當老化溫度超過175 ℃后，其φ6讀數急劇地減小，可能由于高溫導致了季銨鹽類的改性劑在有機土MOGEL 1和MOGEL 2上的脫附，破壞了高溫有機土的結構，使其在高溫下不能夠有效地提高低剪切黏度和懸浮性能。而由DF-MOGEL HT 配制的合成基鉆井液隨著老化溫度的升高，對應的φ6讀數先小幅度增大，后又小幅度減小，合成基鉆井液體系的流變性能保持穩定，所以DF-MOGEL HT的抗溫性能最好。

圖3 不同種類有機土的同步熱分析結果

1.2 高性能合成基鉆井液體系的構建

以乳化劑DF-MOCOAT UT、降濾失劑DFM O T R O L為核心材料，結合抗高溫有機土D FMOGEL HT等，構建了具有低塑性黏度和低切力的高性能合成基鉆井液，配方如下。

基液（Saraline185V氣制油+25%CaCl2，油水比 為 90∶ 10）+2.0%有 機 土 DF-MOGEL HT+5%乳化劑DF-MOCOAT UT（主乳化劑與輔乳化劑的比例為3∶2）+3%氧化鈣+1%降濾失劑DFMOTROL+重晶石（密度為2.0 g/cm3）。

2 高性能合成基鉆井液體系的性能

2.1 常規性能評價

高性能合成基鉆井液的常規性能見表3。由表3可知，該鉆井液具有塑性黏度低、動切力低的特點，且破乳電壓大于800 V，乳化穩定性好，高溫高壓濾失量小于3 mL。隨著老化溫度的升高，該體系的流變性穩定，濾失量基本不變，沉降因子也都小于0.51，表明所研制的高性能合成基鉆井液體系在200和232 ℃老化后具有較好的穩定性。

表3 高性能合成基鉆井液的基本性能

2.2 高溫熱穩定性

在上述研究基礎上，進一步研究了高性能合成基鉆井液體系的抗污染性和重晶石沉降性。按照API標準[26]，當密度大于1.8 g/cm3，推薦在合成基鉆井液體系中加入20 000 mg/L鈣土模擬污染的情況，因此在相同密度、油水比、鈣土Revdust污染的條件下，對比研究了傳統合成基鉆井液與高性能合成基鉆井液的性能，結果如圖4所示。由圖4可知，與高性能合成基鉆井液體系相比，傳統的合成基鉆井液體系在200 ℃動態老化16 h后，流變性能變化不大，但高溫高壓濾失量較大，接近10 mL；尤其在200 ℃靜置老化72 h后，發生嚴重的沉降，沉降因子為0.59，且塑性黏度和動切力等流變參數急劇增大，φ100讀數由38增加到61，高溫高壓濾失量驟增，約為35 mL，說明傳統的合成基鉆井液體系在高溫下其結構遭到破壞。而高性能合成基鉆井液體系在200 ℃老化16 h 之后，流變性幾乎不變，且濾失量很小；繼續靜置老化72 h后仍無沉降，沉降因子為0.52，仍然保持較低的塑性黏度和結構強度，φ100讀數由22增加到28，且高溫高壓濾失量小于4 mL，從而表明高性能合成基鉆井液體系在鈣土污染的情況下仍然具有較強的高溫穩定性。可能的原因為：①抗高溫乳化劑具有較強的乳化性能、稀釋性能和油潤濕性能；②抗高溫降濾失劑能有效降低濾失量，且與抗高溫有機土一起輔助流型調控。同時，低的塑性黏度和結構強度說明高性能合成基鉆井液高溫后，依然可以通過很小的驅動力破壞其形成的空間結構，從而解決高密度鉆井液因結構強度太大而造成憋泵、啟動泵壓過高、ECD過大誘發的井漏問題。

圖4 不同合成基鉆井液性能的對比

2.3 高溫高壓流變性能

利用Grace 7500型高溫高壓流變儀，測量不同合成基鉆井液體系在高溫高壓下的流變性能，測試的溫度范圍為65～232 ℃，壓力為34.48～206.90 MPa，結果如圖5所示。從圖5a）可以看出，當測試溫度在65～200 ℃范圍內，傳統合成基鉆井液體系的動切力隨壓力的升高而增大，隨溫度的升高急劇地減小，變化幅度較大，但是當測試溫度超過232 ℃時，傳統合成基鉆井液體系的動切力又突然急劇地增大；且經過高溫高壓流變儀測試后的合成基鉆井液體系發生明顯地兩相分離，上層是清澈的油相，下層是黏稠的固相，表征傳統的合成基鉆井液體系在高溫高壓下穩定性遭到破壞[27-31]，可能的原因為傳統合成基鉆井液體系中的化學處理劑在高溫下迅速降解，不能再有效發揮作用。由圖5b）可知，在65～232 ℃范圍內，高性能合成基鉆井液體系的動切力隨溫度的升高而降低，隨壓力的增加而增大，且測試后沒有發生兩相分離，從而表明高性能合成基鉆井液體系具有良好的流變性能和高溫穩定性。

圖5 不同合成基鉆井液高溫高壓下的流變性能

3 結論

1.研發了抗溫達232 ℃的抗高溫乳化劑DFMOCOAT UT、抗高溫有機土DF-MOGEL HT和抗高溫降濾失劑DF-MOTROL，3種核心材料相互協同作用，確保合成基鉆井液在高溫下的乳化穩定性、固相顆粒的油潤濕性、流變性能及濾失性能。

2.與傳統的合成基鉆井液體系相比，高性能合成基鉆井液在高密度、高溫下具有低黏度、低切力、濾失量低、沉降因子小和高溫高壓流變性能穩定等特點。從而可以滿足安全密度窗口較窄的高溫高壓復雜井鉆井需求，具有推廣應用前景。