抗超高温高密度聚合物饱和盐水钻井液体系.pdf
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1、 石 油 勘 探 与 开 发 1056 2023 年 10 月 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.50 No.5 文章编号:1000-0747(2023)05-1056-09 DOI:10.11698/PED.20220812 抗超高温高密度聚合物饱和盐水钻井液体系 黄贤斌1,2,孙金声1,2,吕开河1,2,董晓东1,2,刘锋报2,3,高重阳1,2(1.中国石油大学(华东)非常规油气开发教育部重点实验室,山东青岛 266580;2.中国石油大学(华东)石油工程学院,山东青岛 266580;3.中国石油塔里木油田公司,新疆库尔勒 841000)基
2、金项目:国家自然科学基金基础科学中心项目“超深特深层油气钻采流动调控”(52288101)摘要:设计并研制了 3 种聚合物类水基钻井液抗高温处理剂,即弱交联结构两性离子聚合物降滤失剂、柔性聚合物微球纳米封堵剂和梳型聚合物润滑剂,构建了能够满足深部地层钻井的抗超高温高密度聚合物饱和盐水钻井液体系。研究表明:弱交联结构两性离子聚合物降滤失剂具有良好的反聚电解质效应,200、饱和盐环境老化后 API 滤失量小于 8 mL;柔性聚合物微球纳米封堵剂通过改善泥饼质量降低体系的滤失量,对纳米级孔缝具有良好的封堵效果;梳型聚合物润滑剂重均相对分子质量为 4 804,具有多个极性吸附位点,高温高盐条件下润滑性
3、能优异。构建的密度为 2.0 g/cm3的钻井液体系流变性能良好,200 的高温高压滤失量小于 15 mL,高温静置 5 d 沉降因子小于 0.52,对易水化岩屑的滚动回收率与油基钻井液接近,具有良好的封堵性能和润滑性能。关键词:深层钻井;饱和盐水钻井液;抗高温处理剂;水基钻井液;流变性能;封堵性能;润滑性能 中图分类号:TE254 文献标识码:A A high-temperature resistant and high-density polymeric saturated brine-based drilling fluid HUANG Xianbin1,2,SUN Jinsheng1,
4、2,LYU Kaihe1,2,DONG Xiaodong1,2,LIU Fengbao2,3,GAO Chongyang1,2(1.MOE Key Laboratory of Unconventional Oil&Gas Development,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China;2.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,China;3.PetroChina Tari
5、m Oilfield Company,Korla 841000,China)Abstract:Three high-temperature resistant polymeric additives for water-based drilling fluids are designed and developed:weakly cross-linked zwitterionic polymer fluid loss reducer(WCZ),flexible polymer microsphere nano-plugging agent(FPM)and comb-structure poly
6、meric lubricant(CSP).A high-temperature resistant and high-density polymeric saturated brine-based drilling fluid was developed for deep drilling.The WCZ has a good anti-polyelectrolyte effect and exhibits the API fluid loss less than 8 mL after aging in saturated salt environment at 200.The FPM can
7、 reduce the fluid loss by improving the quality of the mud cake and has a good plugging effect on nano-scale pores/fractures.The CSP,with a weight average molecular weight of 4804,has multiple polar adsorption sites and exhibits excellent lubricating performance under high temperature and high salt
8、conditions.The developed drilling fluid system with a density of 2.0 g/cm3 has good rheological properties.It shows a fluid loss less than 15 mL at 200 and high pressure,a sedimentation factor(SF)smaller than 0.52 after standing at high temperature for 5 d,and a rolling recovery of hydratable drill
9、cuttings similar to oil-based drilling fluid.Besides,it has good plugging and lubricating performance.Key words:deep drilling;saturated brine-based drilling fluid;high-temperature resistant additive;water-based drilling fluid;rheological property;plugging performance;lubricating performance 引用:黄贤斌,孙
10、金声,吕开河,等.抗超高温高密度聚合物饱和盐水钻井液体系J.石油勘探与开发,2023,50(5):1056-1064.HUANG Xianbin,SUN Jinsheng,LYU Kaihe,et al.A high-temperature resistant and high-density polymeric saturated brine-based drilling fluidJ.Petroleum Exploration and Development,2023,50(5):1056-1064.0 引言 随着中浅层油气资源的逐渐短缺,深层超深层油气钻探已成为获取更多油气资源的重要途径
11、和方向1。但是深部地层井底温度压力高、地质条件复杂(大多存在盐岩层、盐膏层),对钻井液的性能提出了很大的挑战。如果钻井液性能不能满足要求,会引发井塌、卡钻、井漏、井喷等复杂情况或安全事故,严重制约钻井安全和效率。深部地层钻井液的技术难点包括:井底处于高2023 年 10 月 黄贤斌 等:抗超高温高密度聚合物饱和盐水钻井液体系 1057 温(150200)甚至超高温(200)环境,对钻井液抗温性能要求高;地层复杂、地应力高等导致钻井过程中井壁易坍塌;三高(高温、高盐、高密度)条件对钻井液体系的润滑性能也带来了巨大挑战。随着深井超深井数量逐年递增,越来越多的超深井(如塔里木库车山前、四川盆地西部等
12、地区)钻遇了大段盐岩层或盐膏层2,通常会使用油基钻井液或饱和盐水钻井液来防止盐的溶解3。目前抗高温饱和盐水钻井液通常会使用磺化材料来控制高温高压滤失量以及封堵地层微孔缝4-5。在高温水基钻井液中,为了控制滤失量,磺化材料的加量甚至高达 6%15%4,6。近年来,考虑到环境原因,部分地区逐渐开始限制磺化材料的使用7。因此,不使用磺化材料的抗高温饱和盐水钻井液逐渐成为钻井工程界研究的重点和难点。尤其是在高密度条件下,钻井液体系的流变和滤失性能调控难度更大。使用合成聚合物作为关键材料的聚合物钻井液具有巨大的研究前景。目前抗高温抗盐聚合物处理剂(主要包括降滤失剂和封堵剂)是钻井液方向的研究热点。在聚合
13、物降滤失剂方面,美国雪佛龙菲利普斯化工有限公司的抗高温降滤失剂 Dristemp 和 Driscal D 是行业中的优秀产品8-9。关于抗高温聚合物降滤失剂的合成,大多数研究认为 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)是关键单体10-12。在分子结构设计方面,目前研究主要包括在聚合物分子结构中引入阳离子单体、含环结构单体或疏水单体等来提高聚合物的抗高温抗盐性能。Su 等13在三元共聚物(丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸/N-乙烯基吡咯烷酮,AM/AMPS/NVP)分子结构中引入了阳离子单体二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC),制备的四元共聚物在高温高盐条件下的滤失量比三元共聚物低。利用
14、控制交联技术14-15和纳米材料16提高聚合物的抗高温抗盐性能也得到了较多研究人员的重视。Li 等15使用 N,N-二甲基丙烯酰胺(DAM)、DMDAAC、AMPS、马来酸酐(MA)为单体,利用三烯丙基胺为交联剂,合成了一种微交联聚合物,具有良好的抗高温抗盐能力。在聚合物封堵剂方面,利用具交联结构的聚合物微球作为抗高温封堵剂成为另一个研究热点。笔者17-18通过对聚苯乙烯微球进行改性,研制了一种亲水改性聚苯乙烯微球,对不同尺度的孔缝具有良好的封堵效果,且具有一定降滤失作用。钻井液润滑剂大致可分为固体润滑剂和液体润滑剂两大类,其中又以液态润滑剂为主。液体润滑剂主要有矿物油、聚合醇、表面活性剂、改
15、性植物油、脂肪酸酯等。在液体润滑剂中加入极压抗磨剂可进一步提升润滑性能19。目前,如不使用磺化材料,利用聚合物材料构建井壁稳定性好、低摩阻的抗高温饱和盐水钻井液体系是一大难点。本文首先介绍了 3 种钻井液体系关键处理剂的研制,然后阐述了构建抗高温高密度聚合物饱和盐水钻井液体系的技术对策,最后研究了构建的钻井液体系的综合性能。1 钻井液体系关键处理剂研制 1.1 弱交联结构两性离子聚合物降滤失剂 常规的高分子类降滤失剂抗温能力不足,在高温条件下失效,不能作为抗高温钻井液的降滤失剂,如羧甲基纤维素(CMC)、聚阴离子纤维素(PAC)和改性淀粉等。因此,本文研制了一种弱交联结构两性离子聚合物降滤失剂
16、,具有良好的抗高温抗盐性能。1.1.1 分子结构设计 为了提高聚合物降滤失剂的抗高温抗盐性能,在常规技术手段基础之上,合成过程中采用的技术手段主要有:在分子结构中引入弱交联结构,限制分子链运动,提高聚合物的抗高温性能,同时保证较低的交联密度,使聚合物仍可以水溶;在分子结构中同时引入阴离子基团(磺酸基团)和阳离子基团(季铵盐基团),利用两性离子聚合物的反聚电解质效应20提高聚合物的抗盐能力。基于以上分子结构设计原则,利用 DAM、AMPS、DMDAAC 和 NVP 在水溶液中共聚,使用二乙烯苯作为交联剂,合成了一种具有弱交联结构的两性离子聚合物降滤失剂 DADN。弱交联结构如图 1 所示。图 1
17、 聚合物降滤失剂弱交联结构示意图 1.1.2 抗高温抗盐性能评价 评价了高温条件下盐含量对降滤失剂 DADN 作用效果的影响,结果如表 1 所示。随着盐含量逐渐增大,加入 2%DADN 的膨润土浆的 API 滤失量在 5 mL 以1058 石油勘探与开发石油工程 Vol.50 No.5 下,200 高温老化后 API 滤失量增加,但是总体保持在较低的水平。当盐含量为 4%时,老化后的 API滤失量达到最大。随着盐含量继续增至饱和,老化后的 API 滤失量逐渐变小。因此,从滤失量的角度来讲,降滤失剂 DADN 有良好的抗高温和抗盐能力。表1 高温老化前后降滤失剂DADN在盐含量不同的基浆中的增黏
18、降滤失效果 样品 条件 表观黏度/(mPas)塑性黏度/(mPas)API 滤失量/mL 老化前 9.5 7 24.8 4%膨润土浆 老化后 7.0 3 32.6 老化前 88.0 56 4.8 4%膨润土浆+2%DADN 老化后 17.5 14 6.0 老化前 44.0 32 4.0 4%膨润土浆+4%NaCl+2%DADN 老化后 13.0 10 11.8 老化前 34.0 28 3.2 4%膨润土浆+15%NaCl+2%DADN 老化后 16.0 12 8.6 老化前 33.0 26 3.6 4%膨润土浆+36%NaCl+2%DADN 老化后 19.0 15 7.4 注:老化温度为 20
19、0,老化时间为 16 h 1.1.3 抗盐机理 利用流变仪测试了盐含量对 2%DADN 水溶液黏度的影响。如图 2 所示,当盐含量不超过 2%时,随着盐含量的增加,溶液黏度逐渐降低。当盐含量大于 2%时,随着盐含量的增加,溶液黏度逐渐增加。这主要是因为盐含量较低时,盐的加入使聚合物析出,黏度有所降低。由于两性离子聚合物分子内阴阳离子间存在静电引力作用,导致分子呈蜷曲状态,盐可以削弱阴阳离子间的吸引力21,因此随着盐含量的增加聚合物链逐渐舒展,溶液黏度变大。图 2 盐含量对降滤失剂 DADN 水溶液黏度的影响 1.2 柔性聚合物微球纳米封堵剂 高温高盐高密度条件下,降滤失剂本身难以将钻井液体系的
20、高温高压滤失量降低至一个较低的水平,通常需要加入封堵材料来协同降低滤失量,同时提高钻井液对微孔缝的封堵性能。本文研制了一种树脂类柔性纳米封堵剂 NF-1,在岩石表面吸附性强,在高温下可以自粘连,可以通过改善泥饼质量进一步降低体系的滤失量,同时对地层纳米级孔缝具有良好的封堵效果。1.2.1 分子结构设计 本文以苯乙烯(ST)、AMPS 和 DMDAAC 为单体,以 NN-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,通过乳液聚合法,合成了一种交联结构的改性聚苯乙烯纳米微球。在分子结构设计中,AMPS 主要用于调节产物的表面润湿性,使纳米封堵剂在水基体系中能够悬浮和分散,并保证高温老化之后不聚集;阳离子单体
21、DMDAAC 用于强化产物与岩石或泥饼间的吸附作用;MBA 使分子链形成交联结构,进一步强化产物的抗高温性能。1.2.2 物性表征 图 3 为柔性聚合物微球纳米封堵剂的扫描电镜照片以及粒度分布图。可以看出,封堵剂是球形的,粒径在 200800 nm,平均为 451 nm。利用差示扫描量热法(DSC)对封堵剂进行了热分析。封堵剂在 74.1 时由玻璃态转变为橡胶态,呈现一定的柔性,可以通过自身变形提高对岩石微孔缝的封堵效果。当温度为107.0 左右时,聚合物链规整性排列,进入结晶状态。当温度高于 157.7 时完全进入熔融状态,此时封堵剂变为黏稠液态,可以通过黏附作用提高对泥饼颗粒的胶结效果。图
22、 3 柔性聚合物微球纳米封堵剂扫描电镜照片及粒度分布图 1.2.3 封堵性能评价 测试了柔性聚合物微球纳米封堵剂对 4%膨润土浆高温高压滤失量(200,3.5 MPa)的影响。如图4a 所示,加入封堵剂之后,可降低基浆的高温高压滤失量。3%加量下,可将高温高压滤失量由 143 mL 降至 83 mL。利用扫描电镜观察了加入 2%封堵剂前后膨润土浆的高温高压泥饼的微观形貌。如图 5 所示,加入封堵剂之后泥饼表面吸附了大量的纳米颗粒,且纳米颗粒之间有一定程度的粘连。2023 年 10 月 黄贤斌 等:抗超高温高密度聚合物饱和盐水钻井液体系 1059 图 4 柔性聚合物微球纳米封堵剂性能评价 图 5
23、 柔性聚合物微球纳米封堵剂对钻井液基浆高温高压 泥饼微观形貌的影响 值得一提的是,单独的柔性聚合物微球纳米封堵剂的降滤失效果不是很明显,主要是由于封堵剂的粒径与滤纸的孔径(25 m)相差较大,无法封堵滤纸的孔眼。柔性聚合物微球纳米封堵剂的封堵优势主要在封堵纳米级孔,因此利用 API(美国石油学会)滤失仪和聚四氟乙烯微孔滤膜,评价了柔性聚合物微球纳米封堵剂在中压(0.7 MPa)常温条件下对 100 nm和 500 nm孔径微孔滤膜的封堵效果。水无法封堵滤膜,会迅速全部滤失。随着封堵剂加量的增加,滤失量逐渐降低,当封堵剂加量为 5%时,对两种滤膜的滤失量均降低至 40 mL 以下(见图 4b)。
24、1.3 梳型聚合物润滑剂 深井钻井过程中,钻柱处于螺旋屈曲状态,钻柱和上部的套管以及下部地层的岩石均存在摩擦,摩阻过大可能会出现卡钻、托压等问题,影响钻速甚至引起井下复杂事故22。目前钻井液用润滑剂主要为酯类润滑剂、聚合醇润滑剂、极压润滑剂和固体润滑剂。高温、高密度、高盐 3 个因素均会削弱润滑性能。本文研制了一种梳型结构的低相对分子质量聚合物润滑剂,在高温高盐条件下仍可以发挥良好的润滑性能。1.3.1 分子结构设计 在纳米医学、仿生结构等领域对梳型聚合物的研究较多23,对钻井液用润滑剂研究较少。针对常规酯类润滑剂分子吸附位点少导致高温高盐条件下润滑效果不理想的问题,本文利用丙烯酸酯类硬单体、
25、丙烯酸酯类软单体和带极性吸附基团的乙烯单体共聚,通过控制相对分子质量技术,合成了一种低相对分子质量梳型聚合物润滑剂,具有多个吸附位点,分子结构如图 6a 所示。利用凝胶色谱仪测试了梳型聚合物润滑剂的相对分子质量,重均相对分子质量为 4 804,数均相对分子质量为 3 450,二者比值即相对分子质量分布指数为 1.39,说明该聚合物是一种相对分子质量分布窄的低相对分子质量聚合物。梳型聚合物具有多个极性基团和多个疏水基团,极性基团能够吸附在岩石基质或者钻具表面,在钻具和岩石表面形成一层膜(见图 6b),钻具-套管及钻具-岩石之间的摩擦转变为润滑膜之间的滑动,从而大大降低了摩擦系数。1.3.2 润滑
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