钻井液用降粘剂研究进展

2014-04-07李风光蔡景超于富美

石油化工应用 2014年9期

刘音，李风光，蔡景超，常青，于富美，袁青

（中国石油集团渤海钻探工程技术研究院，天津 300457）

伴随油气资源的不断开发，钻井遇地层条件日益复杂，对钻井液工艺技术提出了更高的要求，尤其针对深井用高固相含量的钻井液，综合解决钻井液的流变性、抗温、抗盐等之间的矛盾非常困难[1]。因此，研究新型的抗高温钻井液体系已成为当今钻井液技术的关键。钻井液的流变性调整主要是调整钻井液的表观粘度、静切力、动切力等，而钻井过程中，钻井液的粘度、切力过大或过小都是保证钻井液优良性能的关键因素。当钻井液粘度和切力过大时，会使钻井液流动阻力过大，能耗过高，此时可能会引起钻头泥包、卡钻、钻屑在地面不易除去，甚至会严重影响转速；而当钻井液粘度和切力过小时，会影响钻井液携岩和井壁的稳定性[2]。

在钻井液体系中通过调整固相含量来调整钻井液的粘度和切力，在调整固含量的基础上，还可用流变性调节剂来调整钻井液的粘度和切力。降粘剂是钻井过程中不可缺少的钻井液处理剂，它可以起到降粘、调节钻井液流变性等作用，对维护钻井液的性能稳定、保护油气层起着重要的作用，是钻井过程中不可缺少的核心处理剂[3]。本文综述了三类钻井液用降粘剂的基本组成和性能，并讨论了钻井液用降粘剂的未来发展趋势。

1 钻井液用降粘剂产品

目前，针对国内在进行钻井施工时所添加的降粘剂产品，有研究用改性单宁、改性木质素磺酸盐、烯类单体聚合物等产品来调整钻井液的表观粘度和切力，不但能够起到降粘作用，还能有效调节钻井液的流变特性。

1.1 改性单宁

改性单宁是通过其结构中的羟基与粘土表面的羟基形成氢键而吸附在粘土颗粒表面，其极性基团-SO3Na、-COONa 在水中电离，形成的扩散双电层能提高粘土颗粒表面的电负性，并增加水化层厚度，起降低粘度和切力的作用。改性单宁中的一种栲胶碱液适合做钻井液中的降粘剂。

卿鹏程[4]将栲胶与磺酸盐木质素在甲醛作用下聚合，再与铁离子络合得到降粘剂，研究表明，该降粘剂具有良好的降粘特性，同时具有良好的耐温性，150 ℃下，降粘剂能有效地控制钻井液的稠化。范洪富[5]以栲胶和腐殖酸为原料，通过磺甲基化和络合反应，得到降粘剂HKSF，其降粘能力优于铁铬木质素磺酸盐，另外，该产品具有良好的抗盐、耐温能力。王传富等[6]将改性单宁化学改性后，加入磷化合物和乙烯基单体，引发制备黑色降粘剂SY-1，将其与铁铬木质素磺酸盐比较得知，当加量仅为铁铬木质素磺酸盐量1/3 时，在淡水泥浆中的降粘效果达91 %，现已在胜利油田成功施工井次20 余口，且该产品耐温可达160 ℃。

1.2 改性木质素磺酸盐

木质素磺酸盐是亚硫酸盐造纸法中产生的副产物，它能与铁、铬等三价金属离子配位，生成改性木质素磺酸盐，并通过氢键吸附在粘土颗粒表面，可提高粘土颗粒表面的负电性，将粘土颗粒形成的结构拆散，从而起到了降低钻井液体系粘度和切力的作用。

近年来，科研人员考虑到铁铬木质素磺酸盐中的铬离子对环境存在污染问题，研制出一系列的不含铬木质素磺酸盐[7-8]。张黎明等[9]利用木质素磺酸盐与栲胶接枝共聚后，引入Fe2+络合得到LGV 降粘剂。研究中发现，引入的Fe2+有助于增强LGV 在粘土上的吸附能力，而通过增大栲胶的加入量，粘土上的吸附量不断提高，说明栲胶的引入有助于加强LGV 在粘土上的吸附能力，二者的水化耐盐性能和抑制热降解功能共同协调起到体系降粘作用。

木质素磺酸盐分子中含有甲氧基、双键、醚键、羟基等多个官能团，在一定条件下，可以与乙烯类单体、阴、阳离子、金属离子等发生改性反应。尉小明等[10]将木质素磺酸盐接枝丙烯类单体丙烯酰胺、马来酸酐，得到的共聚物热稳定性良好，且降粘、降滤失效果良好，在加量0.5%时，表观粘度下降50%，滤失量下降51%，动、静切力大幅度下降，是一种良好的钻井液用降粘剂。杨碧如等[11]在木质素磺酸盐结构中引入阴离子、阳离子基团，用其提高降粘性和抑制性，由于阴离子基团能增加产品的水化能力，因此调节钻井液流型起到显著效果；而阳离子能增强产品的抑制性能。该产品适用于聚合物、聚磺和分散性钻井液体系。

1.3 烯类单体低聚物

烯类单体低聚物通过氢键吸附在粘土颗粒的羟基表面，其极性基团通过增加粘土颗粒表面的负电性和水化层厚度，拆散粘土颗粒联结所产生的结构，起降粘度和切力的作用。另外，对于由高聚物配制的钻井液，低聚物还可以通过竞争使吸附在粘土表面的聚合物解吸下来，破坏粘土与聚合物组成的结构，起降低粘度和切力的作用[12]。

徐燕莉[13-14]以丙烯酸、丙烯酰胺、二烯丙基二甲基氯化铵（DMDAAC）为原料，通过自由基聚合反应，得到降粘剂AMTA，它表现出良好的降粘效果，很容易吸附在粘土表面，饱和吸附量达50 mg/g，当添加量为0.1 %时，该降粘剂在粘土泥浆和聚合物泥浆中的降粘率分别为90 %和60 %，另外，AMTA 具有一定的抗高温性能，150 ℃下热滚老化16 h，流变性保持良好。Hale 等[15]将苯乙烯磺酸钠和顺丁烯二酸酐反应，得到共聚物SSMA，经测试其相对分子质量在5 000 左右，该烯类单体低聚物作为钻井液用降粘剂，能起到改性单宁和木质素磺酸盐所达不到的降低粘度和切力的作用。曹晓春等[16]用丙烯酸、丙烯酰胺和DMDAAC 共聚，制备阳离子聚合物降粘剂DSAA，经研究表明，加量0.1 %的DSAA 在淡水泥浆中的降粘率达到84 %，在4 %的盐水泥浆中降粘率达到60 %，且抗钙污染性能良好。王中华[17-18]通过优化实验条件，制备AA/AMPS 共聚物，用其作为钻井液降粘剂具有较高的降粘效果，且具有良好的抗温、抗盐、抗高价金属离子污染的能力。

目前，聚合物钻井液在现场应用过程中暴露出一些问题，如在强造浆泥页岩地层时，钻井液的粘度和切力上升快、抑制性不够强、钻井液的静结构力强、形成的泥饼质量差等问题。针对该类需要，刘平德等[19]将聚合物分子结构进行修饰，将阳离子、非离子基团引入到聚合物中得到两性离子聚合物，它不但表现出较好的流变性、较强的抑制性，且钻井液滤失性也得到调节，当加量为0.2 %时，XY-27 降粘剂可有效降低水眼粘度，解决了体系聚合物浓度增加与降粘效果之间的矛盾。针对铁铬木质素磺酸盐降粘剂中存在有害的铬离子，且加入体系产生大量泡沫等问题，杨光胜等[20]研制了一种含阴离子、季铵盐阳离子为吸附基团的低分子聚合物降粘剂，依靠多个阴离子基团来拆散钻井液中的网状结构，研究表明，复合离子型降粘剂PX 在聚合物钻井液、高密度钻井液和膨润土浆中降粘效果良好，一般加量为0.1 %左右，表明了PX 是调整聚合物钻井液流变性有效的降粘剂之一。尉小明等[21]将烯类单体与木质素磺酸盐接枝共聚，得到烯类单体聚合物后，络合金属离子，合成降粘剂MGBM-1，它具有良好的降粘效果，当加量为0.5 %时，表观粘度下降50 %，动切力、静切力下降80 %以上，还具有一定的降滤失作用，将其与传统的铁铬木质素磺酸盐（FCLS）比较，抗盐、耐温能力均高于FCLS。

此外，对由聚合物配得的钻井液，低聚物还可通过竞争吸附使吸附在粘土表面的聚合物解析下来，破坏粘土和聚合物组成的结构，起降低粘度和切力的作用。因此，烯类单体低聚物是特别适用的降粘剂，能起到改性单宁和改性木质素所起不到的降低粘度和切力的作用。

2 结论

伴随国内油田的进一步开发，常规的降粘剂已不能满足油田开发的需要，因此，研究高效实用、价格低廉的降粘剂产品，实现经济与环境友好双赢，已成为适应深部油气层钻探的必然趋势。近年来国内研究了抗高温、高压的钻井液用降粘剂-含硅、氟基团的降粘剂，它具有降粘效果好、抗温、抗盐性能好、用量少等优点。本院致力于设计新型的含硅、氟元素的抗高温降粘剂，将其引入新的修饰基团，接枝共聚后能提高聚合物的抗高温性能，现正努力使已完成的研究成果向生产力方面转化。用该产品作为新型降粘剂添加到抗高温、高压的钻井液体系中，其应用效果必然会越来越受到关注。

［1］刘四海，蔡丽山.深井超深井钻探工艺技术［J］.钻井液与完井液，2002，19（6）：116-121.

［2］赵福麟.油田化学［M］.山东：中国石油大学出版社，2010.

［3］鲍允纪，李芬芬，张文郁.硅氟类降粘剂的降粘机理及应用［J］.有机氟工业，2010，38（4）：42-45.

［4］卿鹏程.对环境无害的钻井液降粘剂XL-1［J］.钻井液与完井液，1997，14（6）：24-25.

［5］范洪富.钻井液降粘剂HKSF 的室内研究［J］.石油与天然气化工，1995，24（2）：130-133.

［6］王传富，赵志斌.聚合物钻井液降粘剂SY-1 的研制与应用［J］.钻采工艺，1997，20（2）：51-56.

［7］ PARK L S. A New Chrome-free Lignosulfonate Thinner Performance without Environmental Concerns［J］.SPE Drilling Engineering，1988，3（3）：311-314.

［8］ MIANO F，LOCKHART T P. Chrome-free Lignosulfonate Mud：Zirconium Additives Provide Extended High-temperature Performance［R］.SPE 28305，1994.

［9］张黎明，尹代益，杨世光，等.新型无铬木质素磺酸盐降粘剂LGV 研究［J］.天然气工业，1992，12（3）：53-59.

［10］尉小明，刘喜林，王卫东.木质素磺酸盐接枝共聚物的合成及应用［J］.钻采工艺，2002，25（3）：81-84.

［11］杨碧如，王柯.木质素磺酸盐接枝共聚物的研究与应用［J］.石油与天然气化工，1996，25（3）：162-166.

［12］张春光，侯万国，王果庭，等.海泡石泥浆SSMA 对海泡石-HPAM体系的稀释作用［J］.油田化学，1988，5（1）：1-5.