抗超高温高密度油基钻井液用新型降黏剂的性能

2018-06-13杨振周刘付臣周春李建成杨鹏燕松兵

钻井液与完井液 2018年2期

杨振周，　刘付臣，　周春，　李建成，　杨鹏，　燕松兵

（1.中国石油集团工程技术研究院有限公司，北京102206；2.中国石油休斯敦技术研究中心，北京100028；3.中国石油集团长城钻探公司工程技术研究院，辽宁盘锦124000）

油基钻井液具有强抑制性、润滑性、抗温及抗污染能力好等优点，但油基钻井液还具有成本高、环境保护性能差等问题[1-3]，因此以不断改进配方、增加重复使用次数来降低成本[4]；也从油基钻井液的毒性理论，设计和研制低毒、无毒的基液和添加剂来降低环境保护的压力[5]。为了降低全油基钻井液的使用成本，并改善钻井液的基本性能，匹配油层的水活度，现场往往使用油包盐水逆乳液钻井液。在配制油包水钻井液时，乳化剂是最关键的化学处理剂之一[7]，随着钻井液密度的增大，加重剂用量也随之增加，使钻井液黏度也随着提高，对于密度大于2.3 g/cm3的油基钻井液，降黏剂也成了关键的化学处理剂之一。目前中国有关油基钻井液降黏剂的研究报道很少，国外也仅有少量的低温油基钻井液降黏剂的研究和应用，如哈里伯顿的用于低温的油基钻井液降黏剂专利[8]，但国外油基降黏剂的抗温能力不理想。通过采用抗温有机土、聚合物降滤失剂等主要处理剂，形成了抗温200℃、密度为2.0 g/cm3的全油基钻井液体系[9]，其具有抗水、抗盐、抗劣质土污染能力强等优点。随着盐水的加入，乳化剂的使用，油包水钻井液普遍比全油基钻井液具有更高的黏度，笔者所研制的降黏剂能有效地降低过稠的油基钻井液黏度。

1　实验部分

1.1　实验材料及仪器

柴油，石蜡油，室内合成的3种不同分子结构的降黏剂A、B、C，北美市场降黏剂D、E、F，增黏剂，石灰，主、辅乳化剂，降滤失剂，氯化钙和水。高速电动搅拌机，六速旋转黏度计，滚子加热炉，钻井液滤失测定仪，高温高压失水仪，乳液电稳定仪。

1.2　降黏剂的合成

为了提高降黏剂在钻井液中的油溶性和抗高温性，室内合成降黏剂时，碳链长度和有机官能团是重点研发和比较的对象。对分子的碳链长度在C4～C30范围进行筛选，最后确定碳链长度为C8～C18。对具有表面活性性能的醇、醚、酸、酯、酰胺、磺酸有机官能团进行比较，酰胺和磺酸更抗温。考虑到磺酸的毒性，最后选择了酰胺、酸、酯及其混合物。

降黏剂A为缩聚脂肪酸，是由十二羟基硬脂酸、聚羟基硬脂酸、硬脂酸及十二羟基硬脂酸与硬脂酸反应后的产物和硬脂酸的均聚物中一种或几种的组合共聚得到。降黏剂B是由脂肪酸或油与聚胺在100～200℃下反应，再与马来酸、酸酐在80～150℃反应，用40%的油醇、脂肪酸或缩聚脂肪酸稀释得到。降黏剂C为缩聚脂肪酸和多铵的衍生物，该衍生物是由缩聚脂肪酸与醇铵、聚氨反应，最终得到酰胺和酯键共存的结构。

2　油基钻井液降黏剂性能的评价方法

2.1　降黏效率

关于油基钻井液降黏剂的评价，目前还没有标准或通用的方法，笔者提出了一种新的方法，采用动切力的变化来评价降黏效率，降黏效率越大，降黏能力越强。配制2份加了RevDust(一种模拟钻屑的劣质黏土)的钻井液，一份用作空白样。在另一份中加入0.5～1 mL待测降黏剂。将2份油基钻井液样品高速搅拌10～20 min，分别测试油基钻井液样品动切力。降黏效率计算公式如下。

降黏效率=（YP空白–YP降黏剂）/YP空白×100%

2.2　热稳定性能

测试加入降黏剂后老化前后φ100读数的变化，φ100读数变化率计算公式如下。

黏度变化率 =（φ100（老化前）–φ100（老化后））/φ100（老化前）×100%

考虑到实验误差，将黏度变化率不大于30%定为油基钻井液的热稳定性能达标。

3　实验结果与讨论

在油基钻井液的配制和使用过程中，都会遇到钻井液流变性能超标的情况。同时考虑到使用成本，油基钻井液被尽量重复使用。油基钻井液过稠的流变性能，一方面源于过高和过多加重剂的加入，比如需要配制高密度钻井液时，密度为1.9 g/cm3油基钻井液通过加入重晶石将密度提高到2.4 g/cm3时，钻井液的流变性能大多会超标。另一方面也源于多次重复使用油基钻井液，导致钻井液中的劣质固相增多，如固控设备无法去除的钻屑。通过测试一系列降黏剂产品，提出了添加一定量降黏剂的方法，达到降低钻井液流变性能，使流变性能过高和超标的油基钻井液达到再次使用的目的。

降黏剂的作用机理是破坏油基钻井液体系中不必要的网架结构，增强高密度油基钻井液的容纳固相的能力。室内合成的降黏剂具有表面活性，通过改善固相（加重剂、钻屑）的亲油性，使固相能很稳定地存在于钻井液中。也就增强了钻井液容纳固相的能力；加入的降黏剂包裹吸附在固相上，减少了固体颗粒之间的相互作用，由于降黏剂的表面活性，也减少了固体与液体之间的摩擦和液体分子间的内摩擦；降黏剂分子结构中具有的孤对电子（分子中的氧有2对孤对电子、氮有1对孤对电子）或带负电荷的官能团（羧酸在钻井液中生石灰过量的情况下会生成羧酸根，带负电荷），进一步和黏土颗粒结合，使体系无法形成过多的网架结构，从而达到改善流变性能的目的，具体表现为钻井液的动切力减小。

3.1　钻井液基浆的配制

应用自主研发的乳化剂配制了密度为2.0、2.2和2.4 g/cm3的一系列油基钻井液，其流变性能评价结果见表1。由表1可知，抗超高温高密度钻井液的流变性能随着钻井液密度的增大而变稠，当钻井液密度为2.4 g/cm3时，其黏度在配制时就不能满足要求。所以在配制高密度油基钻井液时，需要加入降黏剂。降黏剂的加入，会使钻井液具有更好的流变性能和抗污能力。表1中不同密度油基钻井液的基本配方如下。

160 mL基油 +（1～5）g增黏剂 +（8～12）g石灰 +（2～15）g主乳化剂 +（4～10）g辅乳化剂 +（5～50）mL氯化钙盐水+（20%～30%）重晶石

表1　抗高温高密度油包水钻井液密度对流变性能的影响

需要的钻井液的合理流变性能：塑性黏度在45～85 mPa·s范围；动切力小于 20 Pa；初切为 1～6 Pa，终切为 3～12 Pa。

3.2　降黏剂的添加对基浆流变性能的影响

密度为2.0 g/cm3的该钻井液的抗污染能力可高达20%（m/v），当该钻井液密度为2.2 g/cm3时，钻屑加入使钻井液流变性能变差，钻井液动切力和静切力均超标，见表2。这时就需要加入降黏剂来调节钻井液的流变性能，以达到重复使用的目的。为了模拟重复使用的油基钻井液，在钻井液中加入45 g用于模拟钻屑的Rev Dust，对比评价不同降黏剂的效果，见表3。由于降黏剂D、E和F不耐高温，因此在50℃对比了降黏剂的降黏效率。

表2　油基钻井液的流变性能受钻屑污染的影响

表3　添加降黏剂前后油基钻井液的流变性能

由表 3 可知，在350 mL的钻井液中加入1 g（浓度为0.28%）降黏剂A，其动切力为7.7 Pa，静切力为2.3/3.6 Pa/Pa，达到流变性能的要求，降黏效率为62.4%。降黏剂A是缩聚脂肪酸，分子结构中的羧酸官能团与钻井液中的钻屑黏土颗粒结合，破坏了钻井液中过多的网状结构，降低了动切力。1 g降黏剂B（浓度0.28%）的加入，可以降低超标的流变性能，但不足以调节到要求范围；在同样加量情况下，对于由RevDust（一种用于模拟钻屑的劣质土）所引起的钻井液变稠问题，降黏剂A比降黏剂B的降黏性能好。由于在合成降黏剂B的过程中，合成原料中的羧酸结构大都转化为酰胺或酯的结构，所以降黏剂B没有带负电荷的官能团，且降黏剂B的极性官能团结构中的亲水部分体积较大，在实验搅拌的情况下不能很好地与固体颗粒结合，或即使通过孤对电子结合，这种结合力也较弱，不能很好地破坏钻井液中的网状结构。0.5 g降黏剂C的加入，可以将超标的静切力调节到设定的范围。降黏剂C是在降黏剂A的基础上引入了酰胺和酯的基团，保留降黏剂A的羧酸官能团，能有效破坏钻井液中过多的网状结构，新引入的氮、氧孤对电子稍微增加了一些降黏效率。市场降黏剂D的加入可以将钻井液的动切力调到要求范围（25 Pa 降到 17.1 Pa），但静切力（8.4/9.9 Pa）仍偏高。降黏剂E的添加使油基钻井液的动切力和静切力都达到流变性能要求。降黏剂F的加入可以稍微降低超标的流变性能，但不足以调节到要求范围。降黏剂的降黏性能比较结果是：降黏剂C＞降黏剂A＞降黏剂E＞降黏剂D＞降黏剂F＞降黏剂B。

在配制高密度油基钻井液时，少量降黏剂的加入，可更好地调节钻井液的流变性能。使用85∶15的油水比，重晶石作加重剂，配制密度为2.4 g/cm3的油基钻井液，考察降黏剂在高密度钻井液中的流变性能，结果见表 4。由表 4可知，高密度钻井液的动切力和静切力超标，使用 1 g（浓度0.28%）的降黏剂 B和 C就可以将动切力调至小于20 Pa，由于降黏剂 B和降黏剂 C的分子结构有不同的地方，降黏剂B在高密度钻井液中的降黏性能比降黏剂C更好。而降黏剂C在降低由劣质黏土引起增黏效应时比降黏剂B更好。降黏剂B分子结构中有体积更大的极性基团（分支状），与加重剂的表面结合，形成更厚和多点的结合层，减少固体颗粒间的相互作用。降黏剂C长链状的极性部分和重晶石结合更弱，在这里就表现为较小的降黏效率。为了降低表观黏度和塑性黏度，重新调整配方。5#配方达到了降低表观黏度和塑性黏度的目的，同时也降低了动切力（13.1 Pa），但是静切力仍偏高，1 g（浓度 0.28%）降黏剂 B的加入进一步降低了表观黏度和塑性黏度，同时将静切力调到了要求范围，此时降黏剂B的降黏效率高达77.0%。