一種含有動力學抑制劑的深水水基鉆井液的研制*

劉衛紅，俞 玲，許明標，王 鼎

（1.長江大學石油工程學院，湖北武漢430100；2.非常規油氣湖北省協同創新中心（長江大學），湖北武漢430100）

目前，用于海洋深水作業的鉆井液體系主要有水基鉆井液、油基鉆井液及合成基鉆井液體系［1-3］。無論采用哪種鉆井液體系，其性能除了滿足常規的鉆井液體系性能外，還必須保證在深水低溫高壓的環境下對氣體水合物的抑制性能以及良好的流變性能［4-5］。為保證鉆井作業過程中不產生氣體水合物，鉆井液體系中往往加入一定量的水合物抑制劑［6-7］；同時通過在體系中加入流型調節劑來保證低溫環境下體系流變性的穩定。在深水水基鉆井液體系中，高鹽/聚合物體系是目前最常用的鉆井液體系，該體系對水合物的抑制性能主要通過高濃度的鹽類以及醇類等熱力學抑制劑來實現，常用的鹽有NaCl、KCl 等，醇類則以乙二醇、聚合醇等多元醇為主。熱力學抑制劑的作用機理主要為：在氣-水雙組分系統中加入熱力學抑制劑，可以降低水的活度系數，改變氣體分子和水分子之間的熱力學平衡條件，使得水合物的相平衡曲線向較低溫度或較高壓力的方向移動，從而可以在更高的壓力和更低的溫度下避免水合物的形成［8］。但熱力學抑制劑有加量大、成本高的缺點，為此研究者們開發了動力學抑制劑［9-10］。動力學抑制劑一般為水溶性聚合物，在水合物成核和生長的過程中會吸附在水合物的表面上，從而阻止水合物的進一步生長。例如，動力學抑制劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的單體結構中含有1個五元內酰胺環，通過環上的氧在水合物表面上形成兩個氫鍵，從而吸附到水合物表面上，吸附在水合物上的若干五元內酰胺環協同作用，可防止水合物晶體的進一步生長。本文采用NaCl 及聚合醇（GLYCOL）作為水合物熱力學抑制劑，同時配以動力學抑制劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP）來控制氣體水合物的生成；鉆井液的低溫流變性則通過反相微乳液聚合物增黏劑UFLOW 和改性生物聚合物增黏劑VIS-HX來調節，為控制鉆井液的濾失性能，體系中加入了改性淀粉Flocat，建立了一套含有動力學抑制劑的深水水基鉆井液體系，并研究了該鉆井液體系的水合物抑制性能、黏溫性能、抗溫性能、抗污染性能和頁巖抑制性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

改性淀粉降濾失劑Flocat，中海油田服務股份有限公司；聚乙烯吡咯烷酮（PVP），安徽海豐精細化工股份有限公司；反相微乳液聚合物增黏劑UFLOW、聚合醇GLYCOL、改性生物聚合物增黏劑VIS-HX，荊州嘉華科技有限公司。

ZNN-D6A 型六速旋轉黏度計、GJS-B12K 型高頻高速攪拌器、ZNS-5A 型中壓濾失儀、XGRL-4 型滾子加熱爐，青島海通達專用儀器廠；SHD-1 型水合物模擬實驗裝置，湖北江漢石油技術有限公司。

1.2 鉆井液性能測試

在處理海水中加入預水化搬土、聚合物類外加劑，攪拌30 min左右；然后再加入其它外加劑及鹽，再充分攪拌30 min，采用六速旋轉黏度計測定體系的流變參數；然后將鉆井液轉入老化罐，在設定的溫度下熱滾16 h，冷卻至25℃后高速攪拌5 min，按照API標準測試鉆井液的流變參數及濾失量。

1.3 氣體水合物相平衡點測試

采用SHD-1 型水合物模擬實驗裝置測定氣體水合物的相平衡點。該實驗裝置主要由可精確測量溫度和壓力的高壓反應釜以及可程序控溫的水浴系統構成。測試開始時，將加有鉆井液的高壓反應釜置于水浴中，釜內通入甲烷氣體至一定壓力，設定水浴的起始溫度（通常為35℃左右），然后以1℃/min 的速度降溫，同時實驗裝置的數據采集系統開始自動記錄反應釜的溫度和壓力，并作出反應釜的溫度壓力曲線。隨著溫度的下降，釜內的壓力會緩慢下降，當釜內的壓力出現突降時，意味著生成了氣體水合物。待壓力下降到一定程度后，再以1℃/min 的速度開始逐步升溫，此時氣體水合物開始分解，釜內壓力逐漸升高，當水合物的分解曲線與生成曲線相交時，此時的交點所對應的溫度和壓力即為所測鉆井液體系的一個相平衡點。通過測定多個相平衡點，即可繪制鉆井液體系的相平衡曲線。

2 結果與討論

2.1 鉆井液體系的水合物抑制性能

在室內研究的基礎上得到配方為：3%搬土+處理海水+6%UFLOW+0.05%VIS-HX+20%NaCl+7%GLYCOL+3%Flocat+0.5%PVP的鉆井液體系。

無動力學抑制劑PVP 的鉆井液體系的水合物生成分解的相平衡曲線如圖1。從圖1可以看出，若海底泥線附近的水溫為3℃，則對應的水合物生成壓力為15 MPa 左右，意味著該體系在約1500 米水深，海底溫度為3℃的環境下，可以抑制氣體水合物的生成；但是如果水深進一步增加，則有可能產生氣體水合物。

圖1 無動力學抑制劑時鉆井液體系水合物相平衡曲線

為了使該鉆井液體系能適用于更深的深水環境，在體系中加入了0.5%的動力學抑制劑PVP，并對加入PVP 前后的鉆井液體系進行了水合物的模擬生成實驗，實驗溫度3℃，體系的起始壓力25 MPa，鉆井液壓力隨時間變化見圖2。從圖2可以看出，在3℃的低溫環境下，沒加動力學抑制劑PVP的鉆井液體系，在約5 h后出現了壓力突降，說明此時有大量的氣體水合物生成；而加有動力學抑制劑PVP的鉆井液在約20 h后才出現壓力突降，說明動力學抑制劑PVP能控制氣體水合物的生成速率，延緩氣體水合物的生成。該體系在正常的鉆井液循環過程中，在水溫3℃左右、水深2000 m左右的環境下可有效地抑制水合物的生成。

圖2 添加動力學抑制劑PVP前后的鉆井液壓力隨測試時間變化（起始壓力25 MPa）

2.2 鉆井液體系的黏溫性能

在深水鉆進過程中，泥線附近的溫度最低，鉆井液的循環會經歷高溫和低溫的循環變化。在泥線附近的低溫環境下，如果鉆井液的黏度變化過大會引起鉆井液的當量循環密度偏高，從而引起鉆井液循環漏失、糊篩等問題。基于此原因，要求深水鉆井液的流變性在全溫度段的循環過程中變化較小。本體系的流變性能主要是通過反相微乳液聚合物微球UFLOW 以及天然生物改性聚合物VIS-HX 來進行調節。將鉆井液體系在130℃下熱滾16 h，然后考察不同溫度下鉆井液流變參數的變化情況，結果見圖3。從圖3可以看出，鉆井液體系的流變參數隨溫度的變化波動較小，尤其是與鉆井液的結構黏度有關的動切力YP值基本維持恒定，說明該體系具有較好的黏溫性能，具有恒流變的特性，能夠滿足深水鉆井對鉆井液流變性的要求。

圖3 鉆井液體系的黏溫特性

2.3 鉆井液體系的抗溫性能

鉆井液在不同層位鉆進時，其溫度會發生變化，因此鉆井液必須具有一定的抗溫性能以保證其性能的穩定。將鉆井液在不同溫度（60數130℃）下熱滾16 h，流變參數和API 濾失量的測試結果見表1。從表1可以看出，該鉆井液體系在60℃數130℃的范圍內熱滾老化16 h后，鉆井液的塑性黏度PV及Φ6/Φ3等流變參數變化較小，同時濾失量也變化不大，說明該體系能滿足不同溫度層位的鉆井需求。

表1 鉆井液體系的抗溫性能（測試溫度25℃）

2.4 鉆井液體系的抗污染性能

鉆井液在循環過程中有可能受到高價金屬離子、鉆屑等的侵污，從而影響鉆井液的性能，為考察鉆井液體系的抗污染性能，室內研究了鉆井液體系抗鈣離子、鉆屑污染的性能。

2.4.1 抗鈣侵污性能

在鉆井液體系中加入不同量的氯化鈣，在130℃下熱滾16 h，考察氯化鈣加量對鉆井液體系性能的影響，結果見表2。從表2可以看出，氯化鈣侵污對鉆井液體系的流變性能和濾失性能都有一定的影響，當侵污量達到3%時，體系的塑性黏度YP仍能保持在6 Pa 以上，而體系的API 失水只有6 mL。這說明該體系具有一定的抗鈣侵污的能力。

表2 鉆井液體系的抗鈣侵污性能（測試溫度25℃）

2.4.2 抗鉆屑侵污性能

在鉆井液體系中加入不同質量的粒徑80數180 μm 的現場鉆屑，130℃熱滾 16 h 后考察鉆屑加量對鉆井液體系性能的影響，實驗結果見表3。從表3可以看出，隨著鉆屑侵污量的增加，體系的黏度有所增加，但增加幅度較小；同時鉆井液的API失水量有所下降。說明該體系具有較好的抗鉆屑侵污的能力。

表3 鉆井液體系抗鉆屑侵污性能（測試溫度25℃）

2.5 鉆井液體系的頁巖抑制性能

將干燥的泥頁巖樣品粉碎、過篩后，稱取50 g的粒徑 2360數 3350 μm 的巖樣，加入 350 mL 的水或鉆井液，然后置于老化罐中，于130℃下滾動老化16 h，冷卻后倒出鉆井液與巖樣，過40目篩，取篩上部分巖樣干燥稱重，計算滾動回收率；然后再將剛剛干燥的巖樣和過濾所得鉆井液繼續放入老化罐中，滾動16 h，按上述方法計算滾動回收率，得到二次滾動回收率。巖樣在清水中一次滾動回收率僅為12.34%，而巖樣在鉆井液體系中一次滾動回收率為96.13%、二次滾動回收率為90.4%，說明該鉆井液體系具有很好的頁巖抑制性能。

3 結論

配方為3%搬土+處理海水+6% UFLOW+0.05% VIS-HX+20% NaCl+7% GLYCOL+3%Flocat+0.5%PVP 的深水水基鉆井液體系，在2000 m 左右水深、3℃左右水溫的深水環境下，能夠有效地防止天然氣水合物的生成。該鉆井液體系在低溫下仍能保持良好的流變性能，具有恒流變的特性；同時鉆井液體系的抗溫性能、抗侵污性能及抑制性能良好，能夠滿足海洋深水鉆井作業需求。