超高密度钻井液分散剂的合成及性能评价

2013-08-20谢建宇

精细石油化工进展 2013年4期

谢建宇，李彬，张滨

(中国石化中原石油勘探局钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001)

在深井、超深井钻井过程中，为了平衡地层压力，必须使用加重钻井液，以满足工程及地质方面的要求，如新疆油田南缘山前构造带上的安4井、独深1井，塔里木盆地迪那11井以及赤水官渡地区的官深1井等［1］。由于超高密度钻井液固相含量高(重晶石体积分数甚至可达50%以上)，加重材料及部分钻屑长期在高温高压环境下受高剪切速率作用及钻头研磨，致使钻井液中细小粒子增多，流变性不易控制，导致机械钻速降低。为解决这些难题，国内科研人员往往通过在超高密度钻井液中加入降黏剂来改善钻井液流变性。由于普通降黏剂对重晶石分散作用有限，超高密度钻井液的流变性仍然难以满足现场需求［2－6］。笔者利用天然材料与丙烯酸、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸和阳离子单体进行接枝共聚，研制出一种适用于超高密度钻井液的两性离子型接枝共聚物分散剂JZ－1，并对合成的分散剂进行了室内评价。

1 实验部分

1.1 试剂

丙烯酸(AA)、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸(AMPS)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、天然材料T，均为工业品;相对分子质量调节剂、过硫酸铵、氢氧化钠，均为分析纯。

1.2 分散剂JZ－1的合成

将反应单体AA、AMPS和DMDAAC溶解于清水中备用，将引发剂过硫酸铵溶解于清水中备用，然后将天然材料与一定量的相对分子质量调节剂溶解于清水中并加入到四口烧瓶中，加热至60℃后，将反应单体和引发剂溶液同时进行滴加，滴加结束后将体系加热至90℃反应1 h，最后将产物用NaOH中和，烘干，得到天然材料接枝共聚物分散剂JZ－1。

1.3 泥浆性能评价

1.3.1 基浆配制

1)淡水基浆。在1 L水中加入1 g碳酸钠和20 g膨润土，高速搅拌2 h，室温下放置养护24 h，即得2%淡水基浆。

2)盐水基浆。在2%淡水基浆中加入10%的氯化钠，高速搅拌5 min，于室温下放置养护24 h，即得盐水基浆。

3)含钙基浆。在2%淡水基浆中加入1%的氯化钙，高速搅拌5 min，于室温下放置养护24 h，即得含钙基浆。

1.3.2 性能测试

1)分散率测定。将合成的分散剂JZ－1加入到配制的基浆中，高速搅拌5 min，于室温下放置养护24 h或在一定温度下滚动老化16 h后，室温下高速搅拌5 min，用六速旋转黏度计测定泥浆的流变性。按下式计算分散剂的分散率:

式中，φ0，φ1分别为加分散剂前、后时基浆在黏度计为100 min－1时的读数。

2)页岩回收率测定。所用页岩样为马12井在井深2 700 m处的岩屑，取2.0～3.8 mm页岩于(105±3)℃下烘至恒重，降至室温。称取10 g页岩(m0)放入待测钻井液中，于150℃下滚动16 h，降温后取出，用孔径0.42 mm筛回收岩心，于(105±3)℃下烘至恒重，降至室温，称回收岩心质量(m1);然后将已称重的回收岩心放入清水中于120℃下滚动2 h，降温后取出，用孔径0.42 mm筛回收岩心，于(105±3)℃下烘至恒重，降至室温称回收岩心质量(m2)。以下式计算页岩回收率:

一次页岩回收率:R1=m1/m0×100%

二次页岩回收率:R2=m2/m0×100%

相对页岩回收率:R=R2/R1×100%

2 结果与讨论

2.1 分散剂在基浆中的性能评价

2.1.1 在淡水基浆中

淡水基浆配方:2%淡水基浆+重晶石，ρ=2.6 g/cm3。将分散剂(用量以基浆或钻井液的质量百分数计，下同)加入到基浆中，然后测定基浆在室温及150℃高温老化16 h后的流变性能，结果如表1所示。

表1 分散剂在淡水基浆中的分散性能

从表1可以看出，在淡水基浆中加入分散剂后，经室温养护24 h或150℃高温老化16 h后，分散剂的分散率随着分散剂用量增加而提高;当分散剂用量达到3%时，其分散率可达50%以上，表现出良好的分散性能。

2.1.2 在盐水基浆中

盐水基浆配方:2%淡水浆+10%NaCl+重晶石，ρ=2.6 g/cm3。将分散剂加入到盐水基浆中，测定基浆在室温养护24 h后的流变性能，结果如表2所示。

表2 分散剂在盐水基浆中的分散性能

从表2可以看出，在盐水基浆中加入分散剂，经室温养护24 h，分散剂的分散率随着分散剂用量增加而提高，当分散剂用量达到2%时，其在盐水基浆中的分散率可以达到56%以上，这说明分散剂在盐水基浆中具有较好的抗盐性能。

2.1.3 含钙基浆

含钙基浆配方:2%淡水浆+1%CaCl2+重晶石，ρ=2.6 g/cm3。将分散剂加入到含钙基浆中，测定基浆在室温养护24 h后的流变性能，结果如表3所示。

表3 分散剂在含钙基浆中的分散性能

从表3可以看出，在含钙基浆中加入分散剂后，经室温养护24 h，分散剂的分散率随着分散剂用量增加而提高，当分散剂用量达到2%时，其在含钙基浆中的分散率可以达到55%以上，这说明分散剂在含钙基浆中具有较好的抗钙性能。

2.2 分散剂在超高密度钻井液中的性能评价

实验考察了分散剂JZ－1对超高密度钻井液性能的影响。超高密度钻井液基浆配方:1.25%土浆+4%SMP(磺化酚醛树脂)+6%SMC(磺化褐煤)+0.1%LV－CMC(低黏度羧甲基纤维素)+1%润滑剂+重晶石。

2.2.1 分散剂用量对体系性能的影响

将不同量的分散剂JZ－1分别加入到超高密度钻井液(ρ=2.8 g/cm3)中，经150℃老化16 h后进行性能评价，结果如表4所示。当分散剂JZ－1用量为2%时，就可以在超高密度钻井液中发挥出较好的分散作用，体系漏斗黏度由不加分散剂的282 s降低至130 s，有效改善了体系流变性。由表4还可看出，体系经室温24 h静置后，上下层密度差由不加分散剂的0.56 g/cm3降低至0.03 g/cm3，显著提高了体系的悬浮稳定性能。

表4 分散剂用量对钻井液性能影响

2.2.2 分散剂对不同密度钻井液性能的影响

在不同密度的钻井液基浆中加入2%的分散剂JZ－1，经150℃老化16 h后进行性能评价，结果如表5所示。

表5 分散剂对不同密度钻井液性能的影响

从表5可看出，在密度为2.5～2.8 g/cm3的超高密度钻井液中，加入2%分散剂JZ－1后，体系流变性有了明显改善，说明JZ－1可以在超高密度钻井液体系中有效发挥对重晶石的分散作用。

2.2.3 老化时间对分散剂性能的影响

在密度为2.8 g/cm3的钻井液基浆中加入2%的分散剂JZ－1，在150℃下老化，考察钻井液流变性能，结果如表6所示。

表6 老化时间对分散剂性能的影响

从表6可以看出，经72 h高温老化后，超高密度钻井液流变性能变化不大，这说明分散剂可经受长时间的高温老化，抗温性能较好，可满足现场施工需求。

2.2.4 钻井液游离水量

钻井液中能够提供钻井液流动性的液相称为游离水。由于其流动能力很强，可用高速离心机将稳定钻井液中的游离水分离出来［7］。通过在超高密度钻井液中加入分散剂，考察分散剂对超高密度钻井液游离水量的影响。

准确量取15 mL密度为2.8 g/cm3超高密度钻井液并将其放进入离心机，在4 000 min－1下离心分离20 min后关闭离心机电源，然后将离心管上层液体(即为游离水)倒入量筒测体积。

表7 分散剂对游离水量的影响

从表7可以看出，在超高密度钻井液基浆中加入分散剂JZ－1后，游离水量增加。这说明分散剂可以释放钻井液中束缚的游离水，有利于改善超高密度钻井液的流变性。

2.2.5 分散剂抑制性

由于分散剂含有阳离子基团，为此对分散剂的抑制性能进行了评价。在密度为2.8 g/cm3的超高密度钻井液中加入部分页岩，考察加入分散剂后超高密度钻井液对页岩的抑制、防塌性能，结果见表8。加有分散剂的钻井液的页岩回收率明显高于清水及未加分散剂的钻井液，前者的一次页岩回收率达93.3%，相对回收率达到94.6%，表现出较好抑制泥页岩水化分散性能。