抗高溫低聚物KGDP的研制及在深井鉆井中的應(yīng)用

黃維安，賈江鴻，李樹皎，趙國權(quán)，鐘漢毅，邱正松，董兵強

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580； 2.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017； 3.中國石油 長城鉆探工程公司，北京 100101； 4.塔里木石油勘探開發(fā)指揮部第二勘探公司 泥漿技術(shù)服務(wù)公司，新疆 庫爾勒 841000)

抗高溫低聚物KGDP的研制及在深井鉆井中的應(yīng)用

黃維安1，賈江鴻2，李樹皎3，趙國權(quán)4，鐘漢毅1，邱正松1，董兵強1

(1.中國石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580； 2.中石化勝利石油工程有限公司 鉆井工藝研究院，山東 東營 257017； 3.中國石油 長城鉆探工程公司，北京 100101； 4.塔里木石油勘探開發(fā)指揮部第二勘探公司 泥漿技術(shù)服務(wù)公司，新疆 庫爾勒 841000)

基于分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和單體優(yōu)選，合成了抗高溫抗鹽低分子量聚合物KGDP，評價了其分子鏈熱穩(wěn)定性和在水基鉆井液基漿中的抗溫抗鹽降黏效果，并將其應(yīng)用于我國目前井底溫度最高的2口深井——勝科1(236 ℃)和泌深1井(241 ℃)中。結(jié)果表明：新研制的低分子量聚合物KGDP分子鏈熱穩(wěn)定性強，熱解溫度在330 ℃以上；在水基鉆井液基漿中的抗溫能力達240 ℃以上，降黏效果優(yōu)于國內(nèi)外同類降黏劑；在勝科1井的超高溫、高礦化度、高固相含量的苛刻條件下以及泌深1井241 ℃的極高溫度下發(fā)揮了流型調(diào)節(jié)作用，有效控制了鉆井液的黏度、切力，確保了這兩口超高溫深井的順利施工。

抗高溫低聚物；水基鉆井液；降黏劑；高溫高壓流變性；勝科1井；泌深1井

隨著勘探開發(fā)領(lǐng)域的拓寬和深入，高溫超深井鉆井?dāng)?shù)量增加，鉆井液所面臨的技術(shù)難題，如高溫穩(wěn)定性、流變性、濾失造壁性和油氣層保護問題等越來越突出[1-3]。鉆井液流變性對增強攜屑能力、提高機械鉆速、保持井眼穩(wěn)定和確保井下安全等具有重要意義。當(dāng)鉆遇高壓地層、大段泥頁巖地層、鹽膏泥混合地層時，高固相、地層造漿、電解質(zhì)污染等使鉆井液流變性惡化[4-5]，鉆井液流變性極難控制。針對以上難題，成功研制出一種抗高溫抗鹽低分子聚合物，用于超高溫水基鉆井液流變性調(diào)控，為我國目前井底溫度最高的超深井勝科1井的成功鉆探提供了技術(shù)支撐。

1 KGDP的合成

1.1 分子設(shè)計及反應(yīng)原理

為實現(xiàn)抗高溫、抗鹽和降黏切目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計了抗高溫低聚物KGDP分子結(jié)構(gòu)：①主鏈采用C-C單鍵結(jié)構(gòu)；②側(cè)鏈引入強水化、吸附基團，設(shè)計C-C、C-S、C-N等結(jié)構(gòu)；③引入親水能力強的-SO3-和-COO-；④引入適量陽離子基團，減弱高溫解吸附；⑤使分子鏈具有高的負電荷密度，通過靜電斥力阻止黏土顆粒形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；⑥控制分子量小于10 000。依據(jù)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，選取工業(yè)品丙烯酸、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、丙烯酸甲脂和二甲基二烯丙基氯化銨作為聚合單體；選用分析純過硫酸銨、亞硫酸鈉氧化還原引發(fā)體系；分析純巰基乙酸為鏈終止劑；分析純氫氧化鈉為pH值調(diào)節(jié)劑。根據(jù)反應(yīng)原理，合成低聚物的化學(xué)反應(yīng)式如下：

圖1 抗高溫低聚物KGDP化學(xué)合成反應(yīng)式

1.2 合成方法

將丙烯酸、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、丙烯酸甲脂和二甲基二烯丙基氯化銨按照物質(zhì)的量比 13∶10∶9∶3在攪拌下依次加入盛適量蒸餾水的四口燒瓶中；攪拌至完全溶解，用20%NaOH溶液將體系pH值調(diào)至7.0；升溫至60 ℃后加入反應(yīng)物總質(zhì)量1%的引發(fā)劑，在攪拌下反應(yīng)15～25 min；加入反應(yīng)物總質(zhì)量1%的巰基乙酸，繼續(xù)攪拌10 min，得低黏稠液體產(chǎn)物；將所得產(chǎn)物于105 ℃下烘干粉碎，即得粉末狀低分子量聚合物KGDP。

2 KGDP的性能評價

2.1 抗溫性

在N2中通過熱重分析評價了KGDP分子鏈的熱穩(wěn)定性，從熱差曲線(圖2)看出，KGDP的熱分解過程主要有2個階段，開始發(fā)生熱解的溫度在330～380 ℃之間，由此看出，低分子量聚合物KGDP的熱穩(wěn)定性強。

圖2 KGDP在N2中的TG曲線

2.2 降黏效果

(1)淡水基漿

以“400 mL自來水 + 1.6 g無水碳酸鈉 + 8%二級膨潤土 + 10%評價土”為基漿，參考石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5695-95《鉆井液用兩性離子聚合物降黏劑XY-28》以及SY/T 5243-91《水基鉆井液用降黏劑評價程序》，以旋轉(zhuǎn)六速黏度計100 r/min下讀數(shù)Φ100為指標(biāo)，對比了KGDP、XY-28、Descofl 這3種降黏劑高溫老化前后的降黏效果[6-8]。從圖3可知，老化前XY-28在淡水基漿中的降黏效果最好，Descofl次之。但是，加入KGDP基漿的切力最低。老化后，KGDP的降黏切效果最好，Descofl次之，XY-28最差。從表中老化前后的API濾失量還可看出，3種降黏劑老化前后均有一定的降濾失效果，其中KGDP老化前后的API濾失量最低，降濾失效果最好。

圖3 KGDP在淡水基漿中的降黏效果評價

(2)淡水加重基漿

以“400 mL自來水 + 1.4 g無水碳酸鈉 + 7%二級膨潤土 + 10%評價土 + 60%重晶石(密度為1.5 g/cm3)”為基漿[6-8]，對比了KGDP、XY-28、Descofl 這3種降黏劑高溫老化前后的降黏效果，降黏劑質(zhì)量濃度均為0.003 g/mL。從圖4可知，3種降黏劑在淡水基漿中老化前后的降黏效果都較明顯。老化前，XY-28的降黏效果最好，經(jīng)過220 ℃/16 h和240 ℃/16 h老化后，XY-28和Descofl遠不如KGDP的降黏效果。并且，老化前后，KGDP的降黏作用穩(wěn)定。

圖4 KGDP在淡水加重基漿中的降黏效果評價

(3)復(fù)合鹽水基漿

以“400 mL自來水 + 1.4 g無水碳酸鈉 + 7%二級膨潤土 + 15%評價土 + 0.5% CaCl2+ 4% NaCl”為基漿[6-8]，對比了KGDP、XY-28、Descofl 這3種降黏劑在復(fù)合鹽水基漿中高溫老化前后的降黏效果，降黏劑質(zhì)量濃度均為0.003 g/mL。從圖5可知，加入3種降黏劑后，實驗漿老化前后的黏度和切力均有所降低，其中，KGDP的降黏降切效果最明顯，并且老化前后的API濾失量最低。表明KGDP在CaCl2、NaCl復(fù)合鹽水基漿中的降黏效果要優(yōu)于XY-28和Descofl。另外，各實驗漿老化前后的API濾失量均較大，這是由于加入NaCl和CaCl2以后，

圖5 KGDP在復(fù)合鹽水基漿中的降黏效果評價

Na+和Ca2+壓縮黏土顆粒的擴散雙電層，降低其水化膜厚度，甚至引起黏土顆粒聚結(jié)，改變體系中顆粒粒徑匹配，使形成的濾餅松散所致。

(4)聚合物基漿

以“400 mL自來水 + 0.8 g無水碳酸鈉 + 4%二級膨潤土 + 8%評價土 + 1% Driscal + 2.5% 超細碳酸鈣”為1#基漿，以“400mL自來水 + 1.2 g無水碳酸鈉 + 6%二級膨潤土 + 10%評價土 + 1.5%Driscal + 4% NaCl + 0.5%CaO”為2#基漿，KGDP質(zhì)量濃度分別為0.002 g/mL和0.003 g/mL[6-8]。評價了KGDP在聚合物基漿中高溫老化前后的降黏效果。從圖6可知，KGDP在不同組成的聚合物基漿中均有較好的降黏效果，特別是在2#基漿中，老化后的黏度和切力都很低。并且，在2種實驗基漿中，KGDP都有一定降濾失效果。

圖6 KGDP在聚合物基漿中的降黏效果評價

2.3 高溫高壓流變性

在淡水基漿“400 mL自來水 + 1.6 g無水碳酸鈉 + 8%二級膨潤土 + 10%評價土”中，評比了KGDP經(jīng)240 ℃老化16 h后的高溫高壓流變性。高溫老化后，冷卻，高攪5 min(期間將pH值調(diào)節(jié)為9.0)。在Fann50SL高溫高壓流變儀上分別測量它們在高溫高壓(180 ℃/4.5 MPa)下的流變性，從圖7看出，在180 ℃/4.5 MPa下，KGDP處理過的實驗漿的黏度最低，Descofl次之，XY-28處理過的實驗漿的黏度最高，比基漿還要高。其原因是，XY-28本身抗溫能力不強，經(jīng)240 ℃老化后，處理劑降解，降解產(chǎn)物在高溫下與OH-發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物引起黏土顆粒高溫下絮凝?；鶟{和用XY-28、Descofl處理過的實驗漿的流變曲線隨剪切速率增加呈“勺子”狀變化。用現(xiàn)有流變模式對曲線擬合知[9-10]，基漿和Descofl處理過的實驗漿較符合冪律模式，KGDP處理過的實驗漿較符合賓漢模式，而XY-28處理過的實驗漿對現(xiàn)有流變模式的擬合性不好。

圖7 KGDP在淡水基漿中的高溫高壓流變性評價

3 KGDP在深井鉆井中的應(yīng)用

3.1 在勝科1超深井的應(yīng)用

勝科1井是中石化在勝利油田布置的一口重點科學(xué)探索井，完鉆井深7 026 m，完鉆井底溫度高達236 ℃，為當(dāng)時國內(nèi)最高。該井面臨深部超高溫鉆井液穩(wěn)定性問題、超高密度高礦化度組合苛刻條件下的鉆井液流變性調(diào)控問題以及防漏堵漏等鉆井液技術(shù)難題。在該超深井鉆至孔二段地層6 953 m、井底溫度約為232 ℃時進行了抗高溫低聚物KGDP現(xiàn)場試驗。試驗前現(xiàn)場井漿性能為：密度1.72 g/cm3，固相體積分?jǐn)?shù)31%，含砂體積分?jǐn)?shù)0.2%，井口出口溫度89 ℃，黏附系數(shù)0.062。將新研制的KGDP以膠液形式緩慢加入井漿中，在井漿中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.047%，替代了國外Descofl的日常維護，鉆井液從井口到井底再返回地面的循環(huán)時間約為5 h。完全加入KGDP約5 h后監(jiān)測的井漿性能為密度1.74 g/cm3，固相體積分?jǐn)?shù)31%，砂體積分?jǐn)?shù)0.2%，井口出口溫度89 ℃，黏附系數(shù)0.062。KGDP加入前后井漿的流變性及濾失性測試結(jié)果見表1。

表1 KGDP加入前后勝科1超深井井漿的流變性及濾失性測試結(jié)果

注：HTHP濾失量測試條件為150 ℃/3.5 MPa。

從表1看出，抗高溫低聚物KGDP加入井漿后，黏度和切力均有下降，API和HTHP濾失量基本不變，說明KGDP在欠飽和復(fù)合鹽水體系超高溫高密度(232 ℃，1.72 g/cm3)苛刻條件下，發(fā)揮了降黏作用，現(xiàn)場試驗取得了初步成功。隨后，在勝科1井最后的6 960～7 026 m超高溫井段，使用新研制的KGDP替代國外抗高溫降黏劑Descofl。從開展KGDP現(xiàn)場應(yīng)用試驗到完井，歷時近120 d，其穩(wěn)定的流變性有力保障了現(xiàn)場鉆進、起下鉆、測試等作業(yè)。

3.2 在泌深1井的應(yīng)用

泌深1超深井是一口直參井，位于南襄盆地泌陽凹陷深凹區(qū)(河南省唐河縣畢店鄉(xiāng))，實際完鉆6 005 m，完鉆目的層為古近系玉皇頂組玉二段，兼探古近系玉皇頂組玉一段、大倉房組和核桃園組。該超深井主要面臨的鉆井液技術(shù)難題包括：①該區(qū)地溫梯度較大，井底溫度實測241 ℃，是至今國內(nèi)最高紀(jì)錄，也屬國際罕見。②下部的大倉房組和玉皇頂組玉一段含紅色泥巖、灰色泥巖，鉆井液既要抗超高溫，又要抑制泥巖水化膨脹和分散，而抗高溫與抑制是不容易解決的矛盾。③泌深1井要求盡可能用淡水體系，抗高溫兼顧防塌要求苛刻，同時成本和環(huán)保要求更高。④泌深1井下部可能存在未知的復(fù)雜地質(zhì)條件。

自該井4 500 m四開后，轉(zhuǎn)化為使用抗高溫抗鹽處理劑KGJL和KGDP的超高溫水基鉆井液體系：4%膨潤土漿+ 0.3%KGJL + 0.2%KGDP + 4%SD-101(磺化酚醛樹脂)+ 2%SD-202(褐煤樹脂)+ 3%LQ-10(特種瀝青)+ 3%白油+ 0.3%表面活性劑(加重至1.25 g/cm3)。

為維持超高溫水基鉆井液體系的穩(wěn)定性，施工中采用以下維護工藝措施：

(1)維持膨潤土質(zhì)量濃度在合理的范圍(35～45 mg/L)，膨潤土含量過低不能維持鉆井液流變性能，膨潤土含量過高會發(fā)生高溫膠凝。

(2)注意鉆井液中各處理劑的協(xié)同配比，抗高溫抗鹽處理劑KGJL和KGDP按質(zhì)量比3∶2加入，同時抗高溫降濾失劑SD-101與SD-202按質(zhì)量比1∶1加入。

(3)當(dāng)進行較大幅度處理井漿時，及時對比檢測入井時和循環(huán)出口(第一、第二和第三循環(huán)周)的鉆井液主要性能，充分掌握實際處理后井漿的抗高溫穩(wěn)定性，以指導(dǎo)性能調(diào)整。

(4)隨著井加深、井底溫度增加，增加抗高溫抗鹽處理劑KGJL和KGDP用量。

泌深1超深井四開部分井深處監(jiān)測的井漿性能見表2。

表2 泌深1超深井四開部分井深處監(jiān)測的井漿性能

由表2看出，泌深1超深井鉆井液流變性好、濾失量低、摩阻系數(shù)小，完全滿足了現(xiàn)場鉆井需要。達到的效果如下：①體系抑制性強，鉆井液沒有外排；②起鉆無掛卡，下鉆能順利到底，沒有發(fā)生長段劃眼情況；③鉆井液濾失量低；④井壁穩(wěn)定效果好，未出現(xiàn)井壁坍塌和縮徑等井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象；⑤在超高溫條件下，鉆井液性能穩(wěn)定。如在井深5 933 m處，井底溫度達239 ℃，起鉆后因鉆機故障等廠家修理，從起鉆至鉆機修好后下鉆到底循環(huán)，鉆井液共靜止時間長達115 h，下鉆仍能正常鉆進。

4 結(jié) 論

(1)研制的抗高溫低聚物KGDP分子熱穩(wěn)定性強，在淡水基漿、淡水加重基漿、復(fù)合鹽水基漿中的抗溫降黏效果突出，優(yōu)于國外同類降黏劑Descofl和國內(nèi)聚合物降黏劑XY-28，并具有一定降濾失作用，能有效降低聚合物基漿的黏切。

(2)KGDP在勝科1井的超高溫、高礦化度、高固相含量的苛刻條件下發(fā)揮了流型調(diào)節(jié)作用，在泌深1井241 ℃的極高溫度下有效控制了鉆井液的黏度、切力，確保了這兩口超高溫深井的順利施工。

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責(zé)任編輯：董 瑾

2014-10-01

國家自然科學(xué)基金項目“海洋深水水基鉆井液恒流變性調(diào)控的化學(xué)、物理方法研究”(編號：51374233)；山東省自然科學(xué)基金項目“海洋深水水基鉆井液恒流變性調(diào)控物理方法及其機理”(編號：ZR2013EEM032)；高校自主創(chuàng)新“高頻交流電場對水基鉆井液流變性的調(diào)控作用及其機理”(編號：13CX02044A)

黃維安(1976-)，男，博士，副教授，主要從事油氣井化學(xué)工程領(lǐng)域研究。E-mail：masterhuang1997@163.com

1673-064X(2015)03-0072-05

TE254

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