基于超分子技術(shù)的高密度無(wú)黏土油基鉆井液體系

蔣官澄，賀垠博，黃賢斌，鄧正強(qiáng)，覃勇（. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院；. 中國(guó)石油川慶鉆探鉆井液服務(wù)公司）

基于超分子技術(shù)的高密度無(wú)黏土油基鉆井液體系

蔣官澄1，賀垠博1，黃賢斌1，鄧正強(qiáng)1，覃勇2
（1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院；2. 中國(guó)石油川慶鉆探鉆井液服務(wù)公司）

摘要：基于超分子原理，研制了用于油基鉆井液的提切劑CFZTQ-1，以此為核心開發(fā)了新型高密度無(wú)黏土油基鉆井液體系，并對(duì)其進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。研究表明CFZTQ-1在水相中締合形成的超分子結(jié)構(gòu)顯著增加了反相乳液的彈性，提切效果與助懸浮性能均優(yōu)于國(guó)外幾種同類提切劑，且CFZTQ-1與有機(jī)土之間存在協(xié)同增效作用，同時(shí)適用于常規(guī)含土油包水鉆井液。通過對(duì)相關(guān)處理劑的優(yōu)選與加量?jī)?yōu)化，確定了高密度無(wú)黏土油基鉆井液體系的配方，對(duì)其進(jìn)行了基本性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：體系密度在2.20～2.60 g/cm3，動(dòng)切力在13～17 Pa，且表觀黏度適中，塑性黏度不高，流變性能良好；體系在240 ℃高溫?zé)釢L后黏度漲幅不大，高溫高壓濾失量在10 mL左右，破乳電壓大于400 V，性能穩(wěn)定。體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。圖7表6參13

關(guān)鍵詞：油基鉆井液；超分子化學(xué)；提切劑；黏彈性；鉆井液性能

0　引言

無(wú)黏土油基鉆井液是一種新型油基鉆井液體系，與傳統(tǒng)的油包水乳化鉆井液相比，其具有獨(dú)特的“脆性凝膠”流變特性以及機(jī)械鉆速高、抗水侵性能強(qiáng)、濾餅薄、滲透率恢復(fù)值極高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。國(guó)外率先以凝膠型提切劑完全代替有機(jī)土，構(gòu)建空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，研究出了如Baroid公司的INNOVERT、INTEGRADETM等無(wú)黏土鉆井液體系。然而由于提切劑的提切和助懸浮能力不強(qiáng)，目前的無(wú)黏土油基鉆井液加重能力有限，無(wú)法適用于高壓地層。顯然，提升提切劑的膠凝能力已成為研發(fā)高密度無(wú)黏土油基鉆井液的關(guān)鍵。

大多數(shù)油基鉆井液用提切劑都為油溶性聚合物[4-5]，這些提切劑的極性基團(tuán)在分子中所占比例較低，且連續(xù)相油相為非極性環(huán)境，所以膠凝能力較弱。分散相水相作為反相乳液中的極性空間，其性質(zhì)的變化也會(huì)顯著影響乳液整體的宏觀流變性，這一點(diǎn)已被多項(xiàng)研究所證實(shí)[6]。根據(jù)超分子原理，小分子間依靠非共價(jià)鍵作用自組裝形成的多級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)使水溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槿跛z[7-10]，則可以據(jù)此利用水相調(diào)節(jié)反相乳液流變性。本文基于超分子自組裝原理，以研制的高性能水溶性小分子提切劑CFZTQ-1為核心，研發(fā)新型高密度無(wú)黏土油基鉆井液體系。

1　CFZTQ-1作用機(jī)理

1.1CFZTQ-1的自組裝

筆者基于超分子原理研制的CFZTQ-1是一種水溶性的小分子混合物。圖1為CFZTQ-1包含的主要分子結(jié)構(gòu)，其中R為烷基鏈，X為強(qiáng)親水極性基團(tuán)。由于CFZTQ-1具有類似表面活性劑的雙親分子結(jié)構(gòu)，其在水中將發(fā)生自組裝行為，即自發(fā)締合成親油基團(tuán)纏繞成核、親水基團(tuán)露于外部的能量最低的聚集態(tài)。圖2 為CFZTQ-1水溶液（CFZTQ-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%）的粒度分布圖，可以看出：震蕩后測(cè)試的CFZTQ-1水溶液的平均粒徑僅有0.1 μm左右，此時(shí)CFZTQ-1主要以初級(jí)膠束形態(tài)分散于水中；隨著靜置時(shí)間的增加，初級(jí)膠束在親水基團(tuán)之間、親水基團(tuán)與水分子之間的氫鍵作用下，逐步締合成為諸如α-凝膠、層狀液晶、聚凝膠等超分子多級(jí)結(jié)構(gòu)[11]，粒徑不斷變大，靜置30 min后聚集體的平均粒徑已接近1 μm。

圖1　CFZTQ-1的分子結(jié)構(gòu)

圖2　CFZTQ-1水溶液的粒徑分布圖

1.2CFZTQ-1對(duì)反相乳液穩(wěn)定性的影響

由于親油基團(tuán)的空間位阻較大，且親水基團(tuán)數(shù)量多、極性強(qiáng)，CFZTQ-1不具備乳化作用，在反相乳液中將全部溶于分散相水中。結(jié)合反相乳液的乳滴模型可知，CFZTQ-1聚集體將傾向于分布在油水界面膜附近，這是因?yàn)榘诰奂w表面的親水基團(tuán)與乳化劑分子伸入水中的親水基團(tuán)之間存在較強(qiáng)的非共價(jià)鍵作用。CFZTQ-1在界面膜內(nèi)表面附近的富集將使界面張力增加，界面膜強(qiáng)度增大，進(jìn)而影響了反相乳液的穩(wěn)定性。

圖3為CFZTQ-1對(duì)不同油水比的反相乳液（3#白油+30% CaCl2溶液+4% SPAN-80）穩(wěn)定性的影響，可以看出：CFZTQ-1在低加量下有一定的穩(wěn)乳作用，增加了乳液的破乳電壓，而高加量下破乳電壓則急劇降低，發(fā)生破乳，且乳液水含量越高，發(fā)生這種轉(zhuǎn)變所需要的CFZTQ-1量越大。由于乳液的穩(wěn)定性是界面張力與界面膜強(qiáng)度共同決定的，所以低加量下CFZTQ-1雖然增加了界面張力，但乳化劑仍可以將界面張力降低到足夠形成乳狀液的程度，此時(shí)CFZTQ-1對(duì)界面膜的增強(qiáng)作用就會(huì)使乳液更加穩(wěn)定，而當(dāng)CFZTQ-1濃度過高時(shí)，界面張力過高，乳液即發(fā)生破乳。

圖3　CFZTQ-1對(duì)反相乳液穩(wěn)定性的影響

1.3CFZTQ-1對(duì)反相乳液黏彈性的影響

與固體小球懸浮液不同，乳液中的相界面是柔軟且流動(dòng)的，并具有一定的彈性。乳液油水界面膜的彈性模量為[12]：

式中EGs——乳液油水界面膜的彈性模量，MPa；σ——油水界面張力，MPa；S——界面面積，m2；Г——乳化劑的吸附量，mol/m2。

由（1）式可知，界面彈性模量與界面張力呈正相關(guān)關(guān)系。另一方面，含超分子結(jié)構(gòu)的水滴本身也具備一定的弱水凝膠性質(zhì)，所以對(duì)反相乳液來(lái)說，CFZTQ-1這兩方面的作用會(huì)使乳液整體表現(xiàn)出明顯的彈性，將乳液由黏性流體轉(zhuǎn)變?yōu)轲椥粤黧w。

通過監(jiān)測(cè)乳液中粒子均方根位移（即粒子在一段時(shí)間內(nèi)的平均移動(dòng)距離的平方）的變化，可以監(jiān)測(cè)靜置時(shí)乳液彈性的變化。使用光學(xué)法微流變儀RheolaserTM測(cè)試CFZTQ-1對(duì)反相乳液（油水比80∶20）粒子均方根位移的影響（見圖4），可以看出：純?nèi)橐褐辛Ｗ舆\(yùn)動(dòng)自由，在靜置時(shí)間為1 s、5 min、30 min時(shí)均表現(xiàn)出了均方根位移隨去相關(guān)時(shí)間增加不斷增加的規(guī)律；加入CFZTQ-1后，超分子結(jié)構(gòu)對(duì)乳液中粒子的束縛使粒子在運(yùn)動(dòng)過程中明顯受阻，粒子運(yùn)動(dòng)面積在一定的去相關(guān)時(shí)間內(nèi)沒有立即增加，曲線出現(xiàn)了彈性平臺(tái)區(qū)；隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，彈性平臺(tái)區(qū)下移，說明隨著CFZTQ-1締合程度的增加，乳液表現(xiàn)出的彈性不斷增大。

圖4　CFZTQ-1對(duì)反相乳液黏彈性的影響

上述分析綜合揭示了CFZTQ-1的作用機(jī)理。CFZTQ-1形成的超分子結(jié)構(gòu)及其對(duì)油水界面膜的增強(qiáng)作用減弱了水相的內(nèi)循環(huán)，降低了界面膜的流動(dòng)性，將反相乳液中的水滴“固化”為布滿油相空間的凝膠點(diǎn)。從流變性的角度講，CFZTQ-1使乳液流動(dòng)時(shí)需要克服額外的彈性帶來(lái)的阻力，即提升了乳液的動(dòng)切力；而靜置時(shí)，乳液的彈性不斷增大，這賦予了乳液較高的靜切力與懸浮能力。由于CFZTQ-1溶于分散相之中，不會(huì)增加連續(xù)相內(nèi)部的內(nèi)摩擦，所以CFZTQ-1基本不增加塑性黏度，十分有利于提升動(dòng)塑比。對(duì)含CFZTQ-1的乳液（油水比80∶20）進(jìn)行了流變性測(cè)試（測(cè)試溫度為50 ℃），結(jié)果（見表1）表明，CFZTQ-1具有良好的提切性能，非常適用于油包水乳化鉆井液。

表1　CFZTQ-1對(duì)反相乳液（油水比80∶20）流變性的影響

2　CFZTQ-1性能評(píng)價(jià)

通過與國(guó)外同類提切劑產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)了CFZTQ-1的提切性能與助懸浮性能，以及CFZTQ-1在含有機(jī)土乳液中的性能。使用基液均為油水比80∶20的反相乳液。

2.1提切性能

測(cè)試了CFZTQ-1與M-I SWACO公司的HRP、VERSAMOD及Baroid公司的RHEMODTML在乳液中的提切效果（見表2），可以看出：雖然CFZTQ-1的加量只有0.6%，但對(duì)乳液動(dòng)切力、靜切力的提升非常明顯，將動(dòng)切力、初切、終切由0、0.5 Pa、0.5 Pa分別提升至8.18 Pa、2.5 Pa、3.0 Pa，同時(shí)將動(dòng)塑比提升至0.63 Pa/（mPa·s），提切效果優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。

表2　不同提切劑在反相乳液中的提切效果

2.2助懸浮性能

使用光學(xué)法微流變儀RheolaserTM檢測(cè)了含不同提切劑的乳液在靜態(tài)下?lián)p耗因子的變化規(guī)律（見圖5）。損耗因子是乳液黏性模量與彈性模量的比值，比值越小說明其懸浮能力越強(qiáng)，加重后固相發(fā)生靜態(tài)沉降的幾率越低[13]。由圖5可知，與國(guó)外幾種提切劑相比，加入CFZTQ-1的乳液損耗因子降低速度最快，在6 min左右就已達(dá)到穩(wěn)定，且穩(wěn)定值最低。從實(shí)鉆的角度講，使用CFZTQ-1的鉆井液在停鉆時(shí)能更快地形成更強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，從而更有效地阻止固相沉降。

圖5　不同提切劑對(duì)乳液損耗因子的影響

2.3在含有機(jī)土乳液中的性能

向含不同量有機(jī)土的乳液中加入CFZTQ-1，并測(cè)定其動(dòng)切力的變化（見圖6）?？梢钥闯?，CFZTQ-1的提切效果明顯，在0.3%的加量下即大幅提升了含有機(jī)土乳液的動(dòng)切力。CFZTQ-1與有機(jī)土之間存在著協(xié)同增效作用，從而使其同樣適用于常規(guī)的含土油包水乳化鉆井液。

3　高密度無(wú)黏土油基鉆井液的配方優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)

3.1配方優(yōu)化

為控制鉆井液的黏度以提高其加重上限，應(yīng)適當(dāng)調(diào)低基礎(chǔ)乳液黏度，所以選擇油水比85∶15配制高密度無(wú)黏土油基鉆井液。測(cè)試了不同加量CFZTQ-1對(duì)油水比85∶15的反相乳液流變性的影響，結(jié)果（見表3）表明CFZTQ-1的加量控制在0.6%時(shí)最優(yōu)，此時(shí)的動(dòng)切力與CFZTQ-1加量0.3%時(shí)的動(dòng)切力相比提升了約150%，而繼續(xù)增加CFZTQ-1的加量時(shí)動(dòng)切力提升幅度很小。

圖6　CFZTQ-1對(duì)含有機(jī)土乳液動(dòng)切力的影響

表3　CFZTQ-1對(duì)反相乳液（油水比85∶15）流變性的影響

使用M-I SWACO公司的乳化劑VERSAMUL、潤(rùn)濕劑VERSACOAT和Baroid公司的乳化劑FACTANT，以CFZTQ-1為核心確定了高密度無(wú)黏土油基鉆井液基漿配方：3#白油+30% CaCl2水溶液（油水比85∶15）+3% VERSAMUL+1% FACTANT+3% VERSACOAT+0.6% CFZTQ-1+5% CaO。

由于FACTANT的主要成分是改性脂肪酸，可以有效地吸附游離油相從而控制高溫高壓濾失量，所以只需額外選擇一種不依賴有機(jī)土的降濾失劑。圖7對(duì)比了油基鉆井液常用降濾失劑氧化瀝青、有機(jī)褐煤以及具有穩(wěn)乳作用的聚合物丙烯酸樹脂在基漿中的性能，結(jié)果表明：氧化瀝青與有機(jī)褐煤在無(wú)有機(jī)土環(huán)境中基本沒有作用，API濾失量均達(dá)到45 mL以上，相比之下丙烯酸樹脂效果良好，API濾失量?jī)H為9 mL?？紤]到加重后鉆井液的API濾失量還會(huì)進(jìn)一步下降，選擇加入2%的丙烯酸樹脂作為降濾失劑。

圖7　不同降濾失劑在無(wú)黏土鉆井液基漿中的降濾失效果

為進(jìn)一步提高鉆井液體系的穩(wěn)定性，加入超細(xì)碳酸鈣作為穩(wěn)定劑。使用光學(xué)法穩(wěn)定性分析儀Turbiscan LAB，測(cè)定加入不同粒徑CaCO3后無(wú)黏土基漿的粒子平均遷移速度（見表4），可以看出加入CaCO3后基漿的粒子平均遷移速度降低，穩(wěn)定性增強(qiáng)，且總加量4%下混加粒徑18 μm（800目）和5.5 μm（2 500目）的CaCO3時(shí)效果最優(yōu)，所以最終選擇加入2%粒徑18 μm 與2%粒徑5.5 μm的碳酸鈣粉。

表4　超細(xì)碳酸鈣對(duì)無(wú)黏土基漿中粒子平均遷移速度的影響

根據(jù)上述處理劑優(yōu)選結(jié)果，最終確定了高密度無(wú)黏土油基鉆井液體系配方：3#白油+30% CaCl2水溶液（油水比85∶15）+3% VERSAMUL+1% FACTANT+ 3% VERSACOAT+0.6% CFZTQ-1+5% CaO+2%丙烯酸樹脂+2%粒徑18 μm（800目）CaCO3+2%粒徑5.5 μm （2 500目）CaCO3+重晶石。

3.2基本性能評(píng)價(jià)

表5為該鉆井液體系的基本性能參數(shù)，其中，老化條件為240 ℃下老化16 h，高溫高壓濾失量測(cè)定溫度為240 ℃、壓差3.5 MPa。由表5可知：體系的密度在2.20～2.60 g/cm3，動(dòng)切力維持在13～17 Pa，且表觀黏度適中，塑性黏度不高，流變性能良好。該鉆井液體系在240 ℃高溫?zé)釢L后黏度漲幅不大，高溫高壓濾失量維持在10 mL左右，破乳電壓大于400 V，性能穩(wěn)定。

4　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在四川盆地威遠(yuǎn)氣田頁(yè)巖氣區(qū)塊的威204H5-6井強(qiáng)造斜段與水平段應(yīng)用了本文研制的高密度無(wú)黏土油基鉆井液。強(qiáng)造斜段與水平段均屬志留系龍馬溪組，其中造斜點(diǎn)垂深3 095 m，水平段垂深3 550 m，長(zhǎng)度為1 500 m。地層壓力當(dāng)量鉆井液密度為1.96 g/cm3，密度附加值為0.07～0.15 g/cm3，據(jù)此將鉆井液密度調(diào)節(jié)至2.20 g/cm3左右。鉆進(jìn)過程中每50 m補(bǔ)加1%的丙烯酸樹脂與0.5%的粒徑18 μm（800目）CaCO3，以增加鉆井液的封堵能力。表6為威204H5-6井鉆井液的性能參數(shù)，其中高溫高壓濾失量測(cè)定溫度為130 ℃、壓差3.5 MPa。由表6可知：鉆井液的基本性能良好且穩(wěn)定，各參數(shù)變化幅度很小?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，使用了高密度無(wú)黏土油基鉆井液的井段中未出現(xiàn)重晶石沉降問題，未發(fā)生復(fù)雜井下情況，鉆井周期短，效果良好。

表5　高密度無(wú)黏土油基鉆井液體系的基本性能參數(shù)

表6　威204H5-6井鉆井液的基本性能參數(shù)

5　結(jié)論

基于超分子原理研制了一種用于無(wú)黏土油基鉆井液的水溶性小分子提切劑CFZTQ-1。機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)：CFZTQ-1在反相乳液內(nèi)相締合形成的超分子結(jié)構(gòu)有一定的穩(wěn)乳作用，并通過提升油水界面膜的彈性顯著提升了反相乳液的彈性，從而為高密度無(wú)黏土油基鉆井體系提供了足夠的基礎(chǔ)切力與懸浮能力。

以CFZTQ-1為核心，通過對(duì)相關(guān)處理劑的配伍性評(píng)價(jià)與加量?jī)?yōu)化，確定了高密度無(wú)黏土油基鉆井液體系的配方，并進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明該油基鉆井液體系加重上限高達(dá)2.60 g/cm3，抗溫達(dá)240 ℃，且各項(xiàng)基本性能良好?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了密度為2.20 g/cm3的該無(wú)黏土油基鉆井液，應(yīng)用效果良好。

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（編輯胡葦瑋）

A high-density organoclay-free oil base drilling fluid based on supramolecular chemistry

JIANG Guancheng1, HE Yinbo1, HUANG Xianbin1, DENG Zhengqiang1, QIN Yong2
(1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. Drilling Fluid Technology Service Company, CNPC ChuanQing Drilling Engineering Company, Chengdu 610056, China)

Abstract:Based on supramolecular chemistry, a rheology modifier CFZTQ-1 for oil base drilling fluids was developed, and an innovative high-density organoclay-free oil base drilling fluid system centering on CFZTQ-1 was designed, evaluated and applied in the field. CFZTQ-1 can strongly increase the elasticity of invert emulsion due to the supramolecular structure assembled in water phase; CFZTQ-1 has stronger effect in elevating the yield point and suspension ability than several foreign rheology modifiers; the synergistic effect with organoclay also makes CFZTQ-1 available in traditional clay-contained invert emulsion drilling fluids. Through the category and dosage optimization of related additives, the formula of the high-density organoclay-free oil base drilling fluid was established and its performance was evaluated. The organoclay-free drilling fluid owns favorable rheology with density of 2.40–2.60 g/cm3, yield point of 13–17 Pa, moderate apparent viscosity and relative low plastic viscosity; after hot rolling at 240 ℃, the drilling fluid still keeps a stable performance as its viscosity only increases slightly, its high temperature and high pressure (HTHP) filtration loss is about 10 mL and its electrical stability is greater than 400 V. This innovative drilling fluid system achieves excellent field application as well.

Key words:oil base drilling fluid; supramolecular chemistry; rheology modifier; viscoelasticity; drilling fluid performance

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目“復(fù)雜油氣井鉆井與完井基礎(chǔ)研究”（51221003）；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863）項(xiàng)目“致密氣藏高效鉆井技術(shù)研究”（2013AA064803）；中國(guó)石油化工聯(lián)合基金重點(diǎn)支持項(xiàng)目“頁(yè)巖氣鉆探中的井壁穩(wěn)定及高效鉆完井基礎(chǔ)研究”（U1262201）；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大科技專項(xiàng)（2014D-4407）

中圖分類號(hào)：TE256.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-0747(2016)01-0131-05

DOI:10.11698/PED.2016.01.17

第一作者簡(jiǎn)介：蔣官澄（1966-），男，重慶大足人，博士，中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院教授，主要從事油氣井化學(xué)與工程、油氣層損害與保護(hù)、油田化學(xué)等方面的教學(xué)與研究工作。地址：北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號(hào)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院，郵政編碼：102249。E-mail：jgc5786@126.com

收稿日期：2015-01-23修回日期：2015-11-29