高温低密度油基钻井液体系室内研究

2020-03-03范胜周书胜方俊伟于洋齐彪李银婷

钻井液与完井液 2020年5期

范胜，周书胜，方俊伟，于洋，齐彪，李银婷

（1.中国石化西北油田分公司，新疆乌鲁木齐 830011；2.荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州 434000）

在高密度油基钻井液中，提高黏度和切力主要是靠重晶石、有机土等固相来实现[1-2]，加入重晶石会提高油基钻井液的稳定性，粉末状重晶石颗粒易倾向于聚集在一起形成网架结构，来增大钻井液的动切力，高温热滚后，高密度油基钻井液的动切力会增大[3]。而高温低密度钻井液的黏度和切力主要是由有机土和提切剂来实现，高温热滚后，易出现黏度和切力过低，因此对高温低密度钻井液中所使用的有机土和提切剂抗温要求非常高。

有机土在油基钻井液中可提高钻井液的黏度和切力，又可降低钻井液的滤失量，并能直接影响钻井液体系的携岩能力和流变性能，是钻井液体系不可缺少的添加剂[4-5]。钠基膨润土通过阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂进行复配制备有机土，使用长链季铵盐阳离子表面活性剂取代高度分散的蒙脱土层间的金属离子，扩张蒙脱土的层间距，使亲水的黏土转变为亲油的有机土[6-8]。高温超深井中采用低密度钻井液可以有效地保护低压油气层，但易出现滤失量过大、抗高温性能差等技术难题[9]，笔者在长链伯胺与环氧乙烷发生亲核取代反应的基础上，再与一氯甲烷发生季铵化反应得到有机改性剂18-3，采用有机改性剂18-3 与非离子表面活性剂复配改性钠基膨润土得到有机土MZ，其成胶率高、层间距大、抗温性能强，用其配制一种高温低密度油基钻井液体系，该体系具有良好的抗高温性能、抗污染性能、且高温高压滤失量小，可满足深井复杂地层钻井的技术需要。

1 有机土的制备

1.1 有机改性剂18-3的合成

由长链伯胺和环氧乙烷在一定温度、碱性催化剂的作用下制得脂肪胺聚氧乙烯醚；接着将脂肪胺聚氧乙烯醚与一氯甲烷通过季铵化反应制得带有烷氧基的季铵盐18-3 粗产物，重结晶纯化并真空干燥得到最终产品。

1.2 有机土MZ的合成

称取一定量的季铵盐18-3 放入烧杯中，按比例加入定量的1∶1 蒸馏水和无水乙醇混合液以及一定量非离子表面活性剂制成有机改性液，快速搅拌过程中调节pH 值为中性。称取一定量的钠基膨润土，加入一定蒸馏水造浆，加热至某一温度，快速搅拌，加入有机改性液反应一段时间，直至反应完全。将得到的最终水浆用滤纸滤去水分，再继续用清水反复浸泡、过滤，直到浸泡有机土的水中没有泡沫、不浑浊为止，放入干燥箱烘干，研磨过200 目筛子后即可得到研制的有机土MZ。

2 有机土的性能

2.1 结构表征

将季铵盐18-3 进行红外光谱测定，红外光谱见图 1，从图 1 可知，1630 cm-1附近出现了季铵盐C—N 的伸缩振动峰，1050 cm-1附近出现C—O—C的伸缩振动吸收峰，3550 cm-1附近出现醇羟基的伸缩振动吸收峰，2930 cm-1附近出现—CH3的伸缩振动吸收峰，在750 cm-1处出现—CH2的变形振动吸收峰。以上分析表明，合成产物即为目标产物。

图1 季铵盐18-3 的红外光谱图

钠基膨润土和通过钠基膨润土制备的有机土MZ 的X 射线衍射图如图 2 所示。由图 2 可知，对于钠基膨润土的一级衍射峰而言，插层后有机土的一级衍射峰角度变小，钠基膨润土的一级衍射角为5.78°，钠基膨润土改性后的有机土MZ 一级衍射角为 4.30°。由布拉格公式可得，钠基膨润土的晶层间距为1.53 nm，有机土MZ 晶层间距增大至2.05 nm，这表明季铵盐离子已经取代金属离子进入了钠基膨润土层间，使其晶层间距增大。

图2 钠基膨润土和有机土MZ 的 XRD 对比图

2.2 胶体率

称取3 g 有机土，倒入装有100 mL 柴油或白油的具塞量筒中，上下摇动5min，使有机土充分分散在柴油或白油中，静置90 min，记录量筒上层游离油体积（V），按胶体率=（100-V）/100×100%来计算。4 个有机土样品在白油和柴油中的成胶性能见表1。由表1 可以看出，有机土MZ 在白油、柴油中成胶性能均优于其他3 种有机土，在柴油中的有机土MZ 胶体率可达97.4%，且在白油中的有机土MZ 胶体率大于50%。

表1 不同有机土在不同基液中的成胶性能

2.3 增黏提切性能

在高搅杯中加入300 mL0#柴油和12 g 有机土，在转速为10000 r/min 下搅拌20 min，50 ℃条件下测流变性，然后在200 ℃条件下热滚16 h，冷却至室温，在10000 r/min 条件下高速搅拌10 min，50℃测流变性，结果见表2。由表2 可以看出，有机土B500A、B38 在200 ℃下热滚16 h 后，切力下降明显，表明这两种有机土抗高温性能差，有机土MZ、A828 在0#柴油中均能有效提高钻井液黏度和切力，但有机土A828 在200 ℃高温热滚后，切力下降明显，有机土MZ 不但在柴油中有很高的成胶率，且主要性能在高温老化前后变化不大，表明高温并没有破坏其分散形成相互聚结胶联的空间网状结构，具有较好的凝胶稳定性和抗温能力[10]，其原因为所加入的非离子表面活性剂能吸附在膨润土表面和季铵盐18-3 的亲油端[11]，起螯合作用加固季铵盐18-3 和膨润土之间结合，削弱季铵盐18-3 在高温下的解吸过程，保证在高温下吸附量。

表2 不同有机土在0#柴油中的增黏提切性能

2.4 热稳定性

通过差热分析法表征有机土的热稳定性，如图3 所示。由图3 可知，参考[12]以往对于季铵盐改性有机土热重分析的结论，有机改性剂吸附有机土MZ 间层在280 ℃以下热稳定性较好，在温度为280～500 ℃时有机改性剂分解，有机土A828 中有机改性剂从250 ℃已经开始分解。这表明有机土MZ 热稳定性优于A828。

图3 有机土热重质量变化图

3 有机土配制的油基钻井液性能

3.1 高温低密度油基钻井液体系配方

通过对各种处理剂及加量进行优选，最终形成了密度为1.40 g/cm3的油基钻井液体系，其基本配方如下。

80% 油（0#柴油）+20%盐水（26%CaCl2）+3%HIEMUL（主乳）+1%HICOAT（辅乳）+1%HIRHEO（提切剂）+3.0%有机土+3%HITROL（降滤失剂）+3%HISEAL（封堵剂）+3%CaO+重晶石

3.2 钻井液基础性能

高温低密度油基钻井液体系的主要性能实验结果见表3。常规高温低密度油基钻井液体系中，高温热滚后易出现黏度低、切力小、高温高压滤失量大，且容易出现重晶石沉降现象，而有机土MZ 配制的油基钻井液热滚前后黏度变化不大，热滚后还具有较高的切力，破乳电压变大，高温高压滤失量小于3 mL，一方面可以保持体系稳定性，热滚后不会发生重晶石沉降现象，另一方面可以提高钻井液的携岩能力。从表3 可知，在高温低密度油基钻井液体系中，有机土MZ 表现出的性能优于有机土A828，结论与差热分析法表征有机土的热稳定性一致。通过静电引力或氢键与其他基团相互作用，形成比表面积大的网络结构，而分子中的长烷基直链之间也可以通过缔合作用形成三维网络结构，实现增黏、提切的目的。

表3 用不同有机土配制的高温低密度油基钻井液性能

3.3 有机土MZ配制的钻井液抗温性能评价

高温低密度油基钻井液在井底会经历高温老化，性能发生变化。从表4 可知，由有机土MZ 配制的钻井液在不同温度下热滚后，其流变参数变化较小，破乳电压均升高，高温高压滤失量均很小，这表明有机土MZ 配制的钻井液能抗220 ℃高温，同时也表明有机土MZ 抗高温性能优异。

表4 钻井液抗温性能评价（热滚16 h）

3.4 有机土MZ不同加量下的钻井液性能

在高温低密度油基钻井液中，有机土对钻井液的黏度和切力影响极其大，有机土MZ 不同加量对高温低密度油基钻井液性能影响见表5。由表5 可知，不同加量下的有机土MZ 对高温低密度油基钻井液性能影响较大，随着有机土MZ 的加量增大，钻井液的黏度、切力和破乳电压均增大，高温高压滤失量逐渐变小，高温低密度油基钻井液的有机土MZ 加量定为3%。

表5 有机土MZ 不同加量下的钻井液性能

3.5 抗污染性能评价

在钻遇井下复杂情况时，无法避免地会遇到遇水易分散的钻屑及高矿化度地层水的侵入[13]，因此，高温低密度油基钻井液应具备抗盐水污染和抗钻屑污染的能力，对该体系抗盐水污染和抗钻屑污染的能力进行评价，结果见表6。

表6 高温低密度油基钻井液抗污染性实验

从表6 可以看出，随着复合盐水的侵入，钻井液的黏度增大，切力变化较小，当复合盐水侵入量为50%时，使钻井液的油水比约为55：45，钻井液体系仍保持稳定，且高温高压滤失量小于8mL，这表明钻井液具有良好的抗盐水污染能力；泥岩钻屑的侵入使油基钻井液的黏度、切力明显提高，高温高压滤失量变化较小，整体性能未遭到破坏。实验结果表明，该钻井液体系抗污染性能良好，可以抗50%复合盐水或15%泥岩钻屑的侵入污染，可以满足深井复杂地层钻井的技术需要。