水基鉆井液降濾失劑綜述

秦 鋒 ,李建波 ,曲韻滔 ,柯耀斌

(西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 ,四川成都 610500)

1 國(guó)內(nèi)水基鉆井液降濾失劑概況

從水基鉆井液降濾失劑發(fā)展來(lái)看,20世紀(jì) 70年代以來(lái)水解聚丙烯腈鹽和聚丙烯酰胺在鉆井液得到廣泛應(yīng)用,20世紀(jì)80年代后2-丙烯酰胺基 -2-甲基丙磺酸 (AMPS)共聚物降濾失劑的發(fā)展,使得水基鉆井液降濾失劑在抗高溫抗鹽方面取得了巨大的突破。應(yīng)用水基鉆井液降濾失劑已開(kāi)始從主要使用天然產(chǎn)品向改性天然產(chǎn)品發(fā)展,從單一化合物、均聚物向共聚物、接枝產(chǎn)物發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)的水基鉆井液降濾失劑主要分為天然改性高分子類、合成聚合物類以及合成樹(shù)脂類。

1.1 天然改性高分子類

天然高分子類處理劑材料主要使用淀粉、腐殖酸、纖維素等,他們具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉的特點(diǎn),但是他們的抗溫性能普遍不強(qiáng),因此需要天然高分子類處理劑進(jìn)行改性、接枝處理以提高產(chǎn)品的抗溫、抗鹽性能。天然改性高分子在 21世紀(jì)初得到了迅猛發(fā)展。

肖鵬等[1]以馬鈴薯淀粉為主要原料,以MFR為交聯(lián)劑,采用溶劑法合成了高黏度改性淀粉,得到了產(chǎn)品 XP-1。在最佳條件下合成的高黏度改性淀粉在淡水泥漿中的加量為 3 g/L時(shí),就可使泥漿的濾失水降低到 7 mL以下,表觀黏度達(dá)到 15 mPa·s以上。XP-1能夠更好地提高切力及動(dòng)塑比值,配成的鉆井液攜帶和懸浮性能與其他改性淀粉相比較均較好,具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用前景。

樊澤霞等[2]以腈綸工業(yè)下角料加堿水解產(chǎn)物為主要原料,使用 2-丙烯酰胺基 -2-甲基丙磺酸磺化,與甲醛、聚醚多元醇進(jìn)行接枝、交聯(lián),制得降濾失劑 K WY。由加入 K WY的各種鉆井液 150℃靜態(tài)老化 16 h后測(cè)得的 API濾失量值,確定 K WY在淡水鉆井液中的加量范圍為 0.4%～0.5%,在鹽水和海水鉆井液中的加量范圍為 1.0%～1.5%。

韓琳等[3]利用黃原膠 (XG)鏈上的活潑基團(tuán)接枝丙烯酰胺等乙烯基單體,制得了新型降濾失劑XGG,該劑不但保留了黃原膠較強(qiáng)的增黏能力和抑制性;而且提高了產(chǎn)品的抗溫性能,加有它的鉆井液在 160℃仍然具有良好的降濾失性。因 XGG主鏈中引入了聚丙烯酰胺等側(cè)鏈,其抑制性得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。

卿鵬程等[4]利用腐殖酸為主要原料,通過(guò)縮合、接枝共聚、金屬離子螯合和磺化等系列反應(yīng)制得了高溫抗鹽防塌降濾失劑 KCS-53。室內(nèi)評(píng)價(jià)結(jié)果表明,KCS-53的降濾失效果優(yōu)良,熱穩(wěn)定性和抗鹽抗鈣能力與 S MP-2相當(dāng),而且其成本低,原料來(lái)源廣,合成工藝簡(jiǎn)單。KCS-53降濾失劑在遼河油田沈 635井和沈 233井鉆井過(guò)程中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用結(jié)果表明 KCS-53降濾失劑效果良好,具有應(yīng)用推廣價(jià)值。

1.2 合成聚合物類

AMPS單體分子結(jié)構(gòu)中具有強(qiáng)陰離子性、親水性的磺酸基和不飽和的乙烯基雙鍵,以其為基料的多元聚合物具有支鏈化結(jié)構(gòu),可以增大空間位阻,因此具有良好的熱穩(wěn)定性和抗鹽能力,21世紀(jì)初的很多聚合物處理劑均采用了此單體,是其二元或多元共聚物。除此之外,非聚丙烯酸類的聚合物在近幾年也有所發(fā)展。

周向東[5]采用 N-乙烯基吡咯烷酮 (NVP)、2-丙烯酰胺基 -2-甲基丙磺酸 (AMPS)和丙烯酰胺(AM),以過(guò)硫酸鉀 (KPS)為引發(fā)劑合成了 AM/AMPS/NVP三元聚合物,即降濾失劑WH-1。當(dāng)使用 1%的最優(yōu)加量下能抗 240℃高溫,并具有良好的抗鹽抗鈣性。在地溫梯度比較高的孤北古 2井,加入WH-1調(diào)整鉆井液的濾失量,使中壓濾失量由 10 mL降至 4 mL,高溫、高壓濾失量由 21 mL降至 12 mL,有效控制了鉆井液的濾失。此外,WH-1還在墾 628井、埕北 50井等多口井應(yīng)用,均取得了良好的效果。

劉明[6]采用 2-丙烯酰胺基 -2-甲基丙磺酸(AMPS)、2-羥基 -3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基氯化銨 (HMOPTA)共聚,合成了一種抗高溫抗鹽降濾失劑。此兩性離子共聚物在淡水、鹽水、飽和鹽水、復(fù)合鹽水、含鈣鹽水和現(xiàn)場(chǎng)鉆井液中均具有顯著的降失水作用,新濮 1-153井漿中共聚物的用量1.0%時(shí),基漿的濾失量分別從老化前后的 43.0 mL和 92.0 mL降至 4.0 mL和 7.0 mL;同時(shí)具有較強(qiáng)的防塌和抑制黏土分散的能力,當(dāng)共聚物用量為0.5%時(shí),頁(yè)巖滾動(dòng)回收率試驗(yàn)中的相對(duì)回收率達(dá)96%以上,此共聚物用作鉆井液處理劑有利于控制地層造漿,保護(hù)油氣層。

王中華[7]采用 2-丙烯酰胺基 -2-甲基丙磺酸 (AMPS)、丙烯酰胺 (AM)和丙烯酸 (AA),在磺化酚醛樹(shù)脂 (S MP)存在下,以過(guò)硫酸鉀—亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑,合成了 P(AMPS-AM-AA)/S MP復(fù)合聚合物降濾失劑。在最優(yōu)合成條件下,P(AMPSAM-AA)/S MP復(fù)合聚合物抗溫達(dá) 240℃,在淡水、鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用,與 S MP相比,對(duì)高密度鉆井液黏度影響較小,與 S MC等具有良好的配伍性,可以有效控制高密度鉆井液的高溫高壓濾失量和流變性。

1.3 合成樹(shù)脂類

21世紀(jì)初,兩性離子酚醛樹(shù)脂的研制成功大大改善了樹(shù)脂類降濾失劑的性能,引起了樹(shù)脂類降濾失劑發(fā)展的飛躍。李堯等[8]利用合成得到的陽(yáng)離子化酚醛樹(shù)脂和磺甲基酚醛樹(shù)脂在催化劑存在下反應(yīng),制備了陽(yáng)離子化磺甲基化兩性酚醛樹(shù)脂 XNS MP-Ⅲ。該兩性酚醛樹(shù)脂在黏土上的飽和吸附量高達(dá)24.292 mg/g,約為商品磺甲基酚醛樹(shù)脂 S MP-Ⅰ、S MP-Ⅱ、S MP-Ⅲ的 2倍。根據(jù)吸光度測(cè)定,該樹(shù)脂在濃度≤3.5 g/L的NaCl水溶液中不析出。該樹(shù)脂加量為 3%時(shí),含鹽 (NaCl)15%和 30%的加評(píng)價(jià)土 4%膨潤(rùn)土鉆井液在 180℃熱滾后的高溫、高壓(150℃,3.5 MPa)濾失量分別小于 15 mL和 30 mL。

張高波等[9]在酚醛樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)中引入季銨鹽基團(tuán),研制出兩性磺化酚醛樹(shù)脂 ASP-1。通過(guò)與S MP-1的試驗(yàn)對(duì)比,結(jié)果表明 ASP-1在 15%～30%鉆井液中具有良好的流變性和降濾失效果,API濾失量在 15 mL以下。其表觀黏度比 S MP-1的小,降濾失效果和高溫高壓下的降濾失效果優(yōu)于S MP-1。

2 水基鉆井液新技術(shù)與新方向的研究

目前,成膜 (隔離膜)研究在國(guó)內(nèi)外是十分活躍的多科學(xué)交叉領(lǐng)域,據(jù)報(bào)道美國(guó)正在研究試驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到完全隔離效能的水基鉆井液,聚合物通過(guò)吸附或化學(xué)反應(yīng)在井壁上形成一層隔離膜即在井壁的外圍形成保護(hù)層,阻止水 (濾液)及鉆井液進(jìn)入地層。該類產(chǎn)品已在海上油田應(yīng)用,效果明顯,具有很好的穩(wěn)定井壁和保護(hù)儲(chǔ)層性能。

王平全等[10]利用天然纖維,經(jīng)堿化在高溫下裂解后,經(jīng)催化作用與不飽和有機(jī)胺化合物進(jìn)行縮聚反應(yīng),制得一種新型有機(jī)胺天然纖維聚合物 CMJ-2。采用分散與聚結(jié)相平衡原理,制得了以直鏈烷烴C12-C18為主要原料的無(wú)毒、低 (無(wú))熒光、環(huán)保型、可變形軟微粒的鉆井液惰性、封堵、降失水劑 XNJ-1。將兩者復(fù)配后得到了一種能產(chǎn)生復(fù)合膜的新型成膜降濾失劑。通過(guò) CMJ-2-XNJ-1與高效高分子包被絮凝劑 JH-1、降黏劑 JN-1等復(fù)配組成的水基鉆井液體系的室內(nèi)研究表明,CMJ-2-XNJ-1能形成很好的膜結(jié)構(gòu),由此組配的水基鉆井液體系具有良好的流變性和失水造壁性,抑制性強(qiáng),潤(rùn)滑性好,抗鹽性好,抗溫及抗污染能力強(qiáng)和好的保護(hù)儲(chǔ)層特性。

屈沅治等[11]從納米技術(shù)與鉆井液技術(shù)相結(jié)合的角度出發(fā),通過(guò)在水基鉆井液中添加納米復(fù)合型抗高溫降濾失劑 NC(兩親性嵌段聚合物 /蒙脫土納米復(fù)合材料),優(yōu)化設(shè)計(jì)出了具有優(yōu)良降濾失性能及高膜效率的納米—膜結(jié)構(gòu)新型水基鉆井液。性能評(píng)價(jià)和膜效率測(cè)試結(jié)果表明,優(yōu)選出的 NC加量為1%的納米—膜結(jié)構(gòu)新型水基鉆井液在 22℃下具有優(yōu)良的降濾失性和抑制性能 ,能抗2%NaCl或0.5%CaCl2的污染,膜效率為 78.2%。

3 結(jié)論

自 21世紀(jì)初以來(lái),國(guó)內(nèi)外抗高溫鉆井液技術(shù)發(fā)展較快,出現(xiàn)了一大批抗高溫性能優(yōu)良的鉆井液處理劑,尤其是成膜理論的提出使水基鉆井液體系為超深井、復(fù)雜井、深海鉆井的開(kāi)發(fā)展現(xiàn)出了更美好的發(fā)展前景,為此加強(qiáng)對(duì)成膜技術(shù)的研究及其產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)對(duì)于現(xiàn)階段原油開(kāi)采具有重大的實(shí)際意義。

[1]肖 鵬,蘭翔華,顏小兵,等.鉆井液用降濾失劑 XP-1的性能研究[J].科技信息,2008,21:48-52.

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[9]張高波,張希紅,郭民樂(lè).兩性磺化酚醛樹(shù)脂 ASP-1的研制及性能評(píng)價(jià) [J].精細(xì)石油化工進(jìn)展,2004,5(8):23-25.

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