一種高密度無黏土低固相鉆井液體系研究

高陽　鄧亞慧　周書勝

摘????? 要： 為了滿足高溫高壓鉆井以及降低鉆井液對儲層巖心的傷害，研究了一種高密度無黏土低固相鉆井液體系，通過以丙烯酸和乙酸乙烯酯為原料制備一種分散劑FX-1來提高高密度無黏土低固相鉆井液體系的穩定性。結果表明：分散劑FX-1使碳酸鈣表面的Zeta電位的絕對值增大，其分子吸附在碳酸鈣表面，羧酸基團使Zeta 電位絕對值升高，提高了碳酸鈣顆粒（加重劑）的沉降穩定性和水化能力。含有2%分散劑FX-1的高密度無黏土低固相鉆井液體系在150 ℃下靜置3天后未出現沉降現象，表明該體系在高溫條件下具有優異的穩定性。另外，高密度無黏土低固相鉆井液污染巖心后采用直接返排的方式測試巖心滲透率恢復率為83.65%，表明該體系具有良好的儲層保護效果。

關? 鍵? 詞：低固相鉆井液；分散性能；儲層保護；沉降穩定性能；Zeta電位值

中圖分類號：TE254⁺.1?? ??文獻標識碼： A???? 文章編號： 1004-0935（2023）11-1561-04

隨著中淺層常規油氣資源大規模勘探開發，油氣田資源逐漸減少，促使鉆探工作向深部地層油氣資源投入。深部地層鉆井使鉆井液技術面臨著挑戰，尤其對于具有很高儲存保護要求的裸眼完井而言，對鉆井液技術要求更高^[1-5]。為了提高鉆井液的儲層保護性能，常采用無固相鉆井液，其主要成分為聚合物處理劑和可溶鹽（作為加重劑），解除了黏土和重晶石等固相堵塞儲層巖石孔隙的風險^[6-8]。基于可溶鹽與聚合物的配伍性以及經濟成本考慮，常選用甲酸鉀、甲酸鈉、氯化鈉和氯化鉀作為無固相鉆井液加重劑，其中甲酸鉀使鉆井液的密度最高為?? 1.6 g·cm^{-3 [9]}。為了進一步提高鉆井液密度，同時保證儲層保護性能，通常加入可酸溶碳酸鈣形成高密度無黏土低固相鉆井液體系來滿足鉆井要求，但大量碳酸鈣加入不利于鉆井液的沉降穩定性以及流變性控制，尤其在高溫條件下鉆井液中的碳酸鈣沉降問題更為明顯，嚴重影響鉆井安全，易造成鉆井?? 事故^[10]。

基于此，本文研究以丙烯酸和乙酸乙烯酯為原料制備分散劑，應用于高密度無黏土低固相鉆井液中，并評價該鉆井液的沉降穩定性能、流變性以及儲層保護性能。

1? 實驗方法

1.1? 主要材料和儀器

NaOH、Na₂CO₃、丙烯酸、乙酸乙烯酯、異丙醇，分析純，國藥集團化學試劑公司；過硫酸銨，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；甲酸鉀，工業級，成都市科隆化學品有限公司；碳酸鈣，工業級，常州碳酸鈣有限公司；改性黃原膠增黏劑VIS-B、改性淀粉STAR-FLO、聚合物高溫穩定劑MG-H、隱形酸HTA，工業級，荊州嘉華科技有限公司。

Nicolet710傅里葉變換紅外光譜儀，美國Nicolet公司；GJS-B12K高速攪拌機、ZNN-D6六速旋轉黏度計，青島海通達專用儀器有限公司; GW300型高溫滾子加熱爐，青島恒泰達機電設備有限公司；DGX型電熱恒溫干燥箱，上海福瑪實驗設備有限公司；LS-609激光粒度儀，珠海歐美克儀器有限公司；Zetaplus型Zeta電位儀，美國Brookhaven公司。

1.2? 分散劑的制備與表征

采用自由基水溶液聚合方式制備分散劑FX-1，具體制備步驟：在裝有溫度計、回流冷凝管、攪拌器的圓底燒瓶中，加入一定量的蒸餾水和異丙醇（鏈轉移劑），恒溫水浴加熱至70 ℃，再稱取一定量的丙烯酸單體、乙酸乙烯酯加入圓底燒瓶中，采用NaOH顆粒調至pH為7～8，攪拌條件下充分混合，通30 min氮氣使圓底燒瓶處于無氧狀態，向圓底燒瓶中逐步滴加少量的過硫酸銨（引發劑），攪拌下恒溫反應3 h，反應完后通過減壓蒸餾進行提純，最后得到一種黏性的、淡黃色的透明液體即分散劑FX-1，通過紅外光譜儀中的反射法對分散劑FX-1進行結構表征。

1.3? 分散劑對加重劑表面Zeta電位的影響

將不同粒徑大小的碳酸鈣作為高密度無黏土低固相鉆井液的加重劑，為了評價分散劑對碳酸鈣在鉆井液中的分散穩定性。將碳酸鈣配制成質量分數為10%的懸浮液（懸浮液配方：淡水+0.25%NaOH +0.4%VIS-B+分散劑FX-1），因此采用Zeta電位儀測試碳酸鈣表面Zeta電位值。

1.4? 高密度無黏土低固相鉆井液配制與性能測試

高密度無黏土低固相鉆井液基礎配方：淡水+0.25%NaOH+0.25%Na₂CO₃+0.4%VIS-B+2.0%MG-H+4.0%STAR-FLO，采用甲酸鉀加重至1.6 g·cm^-3，再通過碳酸鈣加重至1.9 g·cm^-3。高密度無黏土低固相鉆井液的密度、流變性、濾失性能參考《石油天然氣工業 鉆井液現場測試 第1部分：水基鉆井液》 （GB/T16783.1—2014）。評價其儲層保護性能參照石油天然氣行業標準《鉆井液與完井液損害油層室內評價方法》（SY/T 6540—2002）。

2? 結果與討論

2.1? 分散劑FX-1結構表征

采用紅外光譜儀測試分散劑FX-1的外紅光譜，結果見圖1。由圖1可知，2 931 cm^-1出現羧酸中的羥基的強吸收峰，為羧酸的最主要特征峰，可與其他羰基化合物區分，同時能與其他羥基化合物如醇、酚的區別（后者的羥基強吸收峰在3 300 cm^-1）；??? 1 752 cm^-1出現羧酸中羰基的伸縮振動峰；1 190、?? 1 014 cm^-1出現酯基中—C—O—C的不對稱伸縮振動峰和對稱伸縮振動峰；目標分子官能團的吸收峰均在圖中顯示。分析表明，合成產物為分散劑FX-1分子。

2.2? 分散劑對碳酸鈣表面Zeta電位的影響

采用激光粒度儀對不同型號的碳酸鈣粒徑大小進行測試，數據見圖2，并將3種不同粒徑的碳酸鈣分散在懸浮液中（懸浮液配方：淡水+0.25%NaOH +0.4%VIS-B+分散劑FX-1），采用Zeta電位儀測試碳酸鈣表面Zeta電位值，數據見圖3。

由圖2和圖3可知，碳酸鈣TSG-1、TSG-2、TSG-3的中值粒徑D₅₀分別為43.22、22.97、6.55 μm，隨著分散劑FX-1加量增加，碳酸鈣表面的Zeta電位的絕對值逐漸增大，分散劑分子吸附在碳酸鈣表面，使其表面通過表面基團的電離或帶電粒子的吸附而獲得表面電荷^[11]。由于分散劑分子含有大量的羧酸基團，提高了碳酸鈣顆粒單位面積內帶電電荷，使Zeta 電位絕對值升高，表明分散劑FX-1有助于碳酸鈣顆粒（加重劑）的沉降穩定性和水化能力^[12]。

2.3? 碳酸鈣加重時分散劑對鉆井液性能的影響

以不同粒徑的碳酸鈣作為加重劑，按照上述基礎配方配制鉆井液，分別加入2%FX-1，評價該分散劑對高密度無黏土低固相鉆井液的流變性能以及濾失量的影響，實驗結果見表1。由表1可知，采用不同粒徑的碳酸鈣作為加重劑配制的1.9 g·cm^-3鉆井液，隨著碳酸鈣的粒徑逐漸變小，使鉆井液的濾失量逐漸降低，但鉆井液黏度、切力上漲明顯，鉆井液流動性變差。另外，分散劑FX-1加入，均使不同粒徑碳酸鈣配制的鉆井液的濾失量降低以及黏度、切力下降，表明分散劑FX-1提高了碳酸鈣加重劑的分散性能，從數據綜合分析，選用TSG-2作為高密度無黏土低固相鉆井液的加重劑。

2.4? 分散劑對鉆井液沉降穩定性的影響

以TSG-2作為加重劑，按照上述基礎配方配制鉆井液，評價不同加量的分散劑FX-1對高密度無黏土低固相鉆井液沉降穩定性的影響，實驗條件為：鉆井液在150 ℃下靜置3天，實驗結果見表2。由表2可知，在未加分散劑FX-1條件下，碳酸鈣顆粒在較高溫度下由于分子間作用力易出現聚集，出現嚴重的沉降現象^[13]。隨著分散劑的加入，提高了碳酸鈣顆粒的Zeta電位的絕對值，使顆粒之間的斥力增大，降低了顆粒之間的聚集，提高了鉆井液的穩定性能。

2.5? 高密度無黏土低固相鉆井液的儲層保護性能

將高密度無黏土低固相鉆井液（配方：淡水+0.25%NaOH+0.25%Na₂CO₃+0.4%VIS-B+2.0%MG-H+4.0%STAR-FLO+2.0%FX-1+甲酸鉀+TSG-2至密度1.9 g·cm^-3）以高溫高壓動態污染的方式對露頭巖心進行污染后，分別采用直接返排的方式、簡易隱形酸完井液（3%HTA）完井測試巖心滲透率恢復率，實驗數據見表3。

由表3可知，高密度無黏土低固相鉆井液污染巖心后采用直接返排的方式測試巖心滲透率恢復率為83.65%，表明該體系具有良好的儲層保護效果；采用簡易隱形酸完井液溶解以碳酸鈣為主的泥餅，能夠進一步解除傷害，保護儲層，使巖心滲透率恢復率提高至96.31%。

3? 結 論

1）分散劑FX-1使碳酸鈣表面的Zeta電位的絕對值增大，分散劑分子吸附在碳酸鈣表面，使其表面通過表面基團的電離或帶電粒子的吸附而獲得表面電荷，由于分散劑分子含有大量的羧酸基團，提高了碳酸鈣顆粒單位面積內帶電電荷，使Zeta 電位絕對值升高，表明分散劑FX-1有助于碳酸鈣顆粒（加重劑）的沉降穩定性和水化能力。

2）碳酸鈣的粒徑變小使鉆井液的濾失量逐漸 降低，提高了鉆井液的封堵性能，但鉆井液黏度、切力上漲明顯，鉆井液流動性變差，選擇適中粒徑的碳酸鈣有助于鉆井液性能的調控，含有分散劑的高密度無黏土低固相鉆井液在較高溫度下有效避免碳酸鈣顆粒聚集沉降問題，且具有良好的儲層保護性能。

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Study on a Clay-free Drilling Fluid System With High Density and Low Solid Content

GAO Yang， DENG Ya-hui ， ZHOU Shu-sheng

（Jingzhou Jiahua Technology Co.， Ltd.， Jingzhou Hubei 434000， China）

Abstract：? In order to meet the requirements of HPHT drilling and reduce the damage of drilling fluid to reservoir core， a clay-free drilling fluid system with high density and low solid content was studied. A dispersant FX-1 was prepared by using acrylic acid and vinyl acetate as raw materials to improve the stability of the clay-free drilling fluid system with high density and low solid content. The experimental results showed that the dispersant FX-1 increased the absolute value of Zeta potential on the surface of calcium carbonate， its molecules adsorbed on the surface of calcium carbonate， carboxylic acid group increased the absolute value of Zeta potential， and improved the settlement stability and hydration ability of calcium carbonate particles （the weight agent）. The clay-free drilling fluid system with high density and low solid content containing 2% dispersant FX-1 did not settle after standing at 150 ℃ for 3 d， indicating that the system had excellent stability at high temperature. In addition， the permeability recovery rate of core polluted by the clay-free drilling fluid system with high density and low solid content was 83.65% by direct flowback test， indicating that the system had good reservoir protection effect.

Key words： Drilling fluid with low solid content; Dispersion performance; Reservoir protection; Settlement stability performance;? Zeta potential value