钻井液用高分子中空微珠减轻剂的生产及应用

王建宇 赵素丽 石秉忠 陈铖 李胜(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

钻井液用高分子中空微珠减轻剂的生产及应用

王建宇 赵素丽 石秉忠 陈铖 李胜(中国石化石油工程技术研究院，北京 100101)

研制生产了一种高性能高分子中空微珠减轻剂，其外观呈圆球形颗粒、表面光滑、壳层密闭、平均粒径76μm、平均密度0.39g/ cm3，90℃下抗压高达50MPa。在鄂尔多斯杭锦旗锦96井等进行了现场应用，结果表明高分子中空微珠对钻井液降密度效果明显、在钻井液中分散性好；钻井施工过程中钻井液密度稳定、低密度维持时效长、对现场固控设备适应性好、不发生吸附团聚现象，抗冲击耐研磨能力强，综合性能完全满足钻井液的应用要求。

高分子中空微珠；减轻剂；低密度；钻井液

0 引言

目前，许多老油田都陆续进入开发中后期，逐渐成为低压或衰竭油气层，油气层保护需求及欠平衡钻井技术的广泛应用，促使低密度钻井液技术随之迅速发展，在防止低压地层漏失、保护油气层、提高机械钻速方面效果明显，已成为低压钻井和欠平衡钻井的核心技术之一[1,2]。现场中常用的低密度钻井液(密度≤1.0g/cm3)技术主要有混油、充气及泡沫等。但混油钻井液污染环境且影响地质录井；充气与泡沫钻井液设备投资巨大、影响随钻测量仪器应用、腐蚀钻具、水力计算困难。前期的实践表明，使用中空微珠作为减轻剂的低密度钻井液技术可有效解决上述混油、充气及泡沫钻井液存在的技术问题，是迄今为止使用最简单、受限最少的技术。

1 玻璃中空微珠的缺陷及新型微珠的创新课题

截至目前，国内外使用最多的减轻剂是美国3M公司生产的玻璃中空微珠，但从资料来看，实际使用效果并未达到满意的效果。存在的主要问题是，由于玻璃中空微珠壳层为脆性大且不可变形的玻璃材料，在钻井液动态循环过程中受到钻头水眼高速剪切、冲击以及与钻具、井壁等之间发生摩擦、碰撞，容易发生破碎。同时玻璃壳体密度大(2.4g/cm3)，破碎后反而加重钻井液密度，在应用中钻井液密度难以控制、消耗率大、成本高(10万元/吨)。以国内DP-3井三开水平井段施工为例，1201米的井段因破碎消耗玻璃中空微珠近70吨，耗资高达700万元，钻井液初始密度为0.95g/cm3，至三开中完，密度上升到1.05g/cm3，中空微珠日破损率高达50%以上[3-5]。玻璃中空微珠减轻剂存在的上述严重制约了其在石油工程领域的进一步推广应用。

为研发一种高性能、高性价比的新型中空微珠材料作为新型钻井液减轻剂。中国石化石油工程技术研究院率先提出利用高强度弹韧性高分子中空微珠替代玻璃中空微珠作为钻井液减轻剂的技术思路。围绕如何设计并研制生产出中空度、密度、粒度可控，抗压、抗温、耐研磨、抗冲击、对钻井条件适应性强的钻井液用中空微珠减轻剂开展了系统的创新性攻关研究[6]，突破了关键技术瓶颈，填补了国内外该领域的技术空白。基于“简便、高效、低成本、安全、绿色”的技术思路，创新提出了中空微珠反应成型及表面改性同步完成的技术工艺策略，成功研制出性能优异、可回收再利用的高分子中空微珠减轻剂，研发了产业化核心技术，成功实现了规模化工业生产；并以此构建了一套完型低密度钻井液体系与应用技术，建立了分散稳定性控制计算模型，开展了现场应用并取得了良好的效果。

2 钻井液用高分子中空微珠减轻剂的生产

钻井液用高分子中空微珠减轻剂生产技术属于世界性技术难题，截止目前，国内外尚无生产和应用的报道。用于降低钻井液密度的高分子中空微珠减轻剂。本体性质方面，要求密度低、耐温抗压、抗冲击、耐研磨，壳层密闭性好，高温、高压、高剪切的苛刻条件下中空微珠壳层不破碎不渗水；表面性质方面，要求表面亲水性好，在水溶液中易于形成完整、有序、强度高的溶剂化膜和ζ电位较大的双电层结构，高分子中空微珠之间及与钻井液中其它固相颗粒之间不易发生吸附和团聚。由于上述特殊的应用要求，现有常规高分子中空微珠产品的性能无法达到实际的应用需要[7-12]，因此，对钻井液用高分子中空微珠减轻剂的壳层结构和材料性能进行了特殊设计：壳层为双壳层复合结构，内层为厚度较大且本体密度低、强度高、耐温抗压、耐冲击、密闭性高的疏水性高分子材料；外层则为很薄的亲水性分子层、在水溶液中可部分电离形成双电层结构。其结构示意图如图1所示。

图1 双壳层复合结构高分子中空微珠示意图

通过6年技术攻关，研选出弹韧性高分子材料PSF、发泡剂、表面改性剂、催化剂等关键材料并自主研发出独创的喷雾反应成型及表面改性同步完成的高分子中空微珠生产技术，该生产技术分为四个主要工艺单元，即原料预反应系统、喷雾反应成型系统、产品收集系统及尾气除尘系统。显微镜下观察，发现生产的高分子中空微珠外观形貌呈圆球形颗粒、表面光滑、壳层密闭，产品平均粒径76μm、平均密度0.39g/cm3，90℃下抗压高达50MPa，生产成本仅为进口3M玻璃中空微珠的1/3，具有很高的性价比。

3 钻井液用高分子中空微珠减轻剂的现场应用方法

高分子中空微珠减轻剂的现场应用方法如下：

步骤1)：根据拟使用目标井的钻井液设计方案，优选各种配套处理剂如增黏剂、流型调节剂、降滤失剂、抑制剂、封堵防塌剂等；

步骤2)：确定合理的基液粘度/切力参数，使之能够维持高分子中空微珠在基液中稳定悬浮和分散；

步骤3)：根据目标区块地层压力和钻井液设计，确定高分子中空微珠适宜加量；

步骤4)：采用循环加料方式向基液中逐渐加入高分子中空微珠；

步骤5)：根据钻井液性能要求，补充降滤失剂、流型调节剂等处理剂；

步骤6)：充分搅拌循环后，测定钻井液体系的密度、流变性、滤失量等参数。

4 现场应用效果

本文以内蒙古鄂尔多斯地区的锦96井和锦111井为应用目标，按照上述钻井液用高分子中空微珠减轻剂使用方法，研选了配套处理剂，构建了一套高分子中空微珠低密度钻井液体系，体系配方为：清水+0.1%NaOH+0.3%XC+1%改性淀粉+2%天然改性沥青+1%SMJA-1+1%RH-1+高分子中空微珠减轻剂。随着高分子中空微珠减轻剂加量的增加，钻井液体系的密度显著降低，且热滚老化前、后钻井液密度变化幅度很小。

现场应用中通过直接配制低密度钻井液和循环加入钻井液的方式验证高分子中空微珠减轻剂的实际应用效果。配制低密度钻井液时，加入高分子中空微珠后无起泡现象，按质量体积比加入4%高分子中空微珠后，钻井液密度可由1.02g/cm3降至0.98g/cm3。通过加量漏斗直接加入循环系统时，泵压平稳、对钻井参数无影响、固控设备未筛出高分子中空微珠。每次循环加入高分子中空微珠不仅可有效降低钻井液密度，而且对现场钻井液流变性未产生不良影响。在整个试验井段中，钻井液密度一直保持在0.97g/cm3～0.99g/cm3之间，表明高分子中空微珠钻井液低密度维持时效良好。

将现场收集的经振动筛、除砂器、离心机处理后的钻屑进行烘干处理，并采用扫描电镜在不同放大倍数下观察钻屑表面表明，经振动筛、除砂器、离心机等固控设备处理后的钻屑表面未发现球状物存在，表明经固控设备处理后的钻屑中不含有高分子中空微珠，高分子中空微珠在施工中未发生吸附、团聚现象，对现场的钻井液固控设备具有良好的适应性。

将现场钻井液经清水稀释后在烧杯中静止放置24h，并收集烧杯液面漂浮的高分子中空微珠，然后将收集的高分子中空微珠经80℃烘干，用扫描电镜观测其在不同放大倍数下的状态，结果显示，钻井液中的高分子中空微珠颗粒完整性好，破碎率低，表明高分子中空微珠能经受住钻头水眼的高速剪切冲击和研磨，耐研磨、抗冲击、抗剪切性能良好。

现场应用结果表明，自主研制生产的高分子中空微珠减轻剂综合性能完全满足了钻井液应用要求效果良好。

5 结语

根据钻井液减轻剂的特殊使用要求，自主研制综合性能满足钻井液应用要求的高分子中空微珠减轻剂产品，其外观呈圆球形颗粒、表面光滑、壳层密闭，产品平均粒径76μm、平均密度0.39g/cm3，90℃下抗压高达50MPa，生产成本仅为进口3M玻璃中空微珠的1/3。现场应用结果表明，自主研制生产的高分子中空微珠减轻剂，在钻井液中分散稳定性好，其钻井液低密度维持时效长，与钻屑不发生吸附、团聚现象，具有良好的耐研磨、抗冲击及抗剪切能力，而且对现场固控设备适应性良好。可望取代现有玻璃中空微珠而成为新一代钻井液减轻剂，具有广阔的推广应用前景。

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王建宇（1974.7-），男，博士，高级工程师，从事钻井液研究与开发工作。

中国石化科技部重点科技攻关项目，项目编号：P10036、P13008。