水基鉆井液用陽離子型封堵劑的合成及性能

林子楊， 黃 金， 馬 誠

(遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

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水基鉆井液用陽離子型封堵劑的合成及性能

林子楊， 黃 金， 馬 誠

(遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

以苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)及陽離子可聚合單體，利用乳液聚合方法制備水基鉆井液用陽離子型封堵劑，采用紅外光譜分析了封堵劑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。泥球浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的陽離子型封堵劑乳液和飽和鹽水抑制黏土水化性能相當(dāng)。評價(jià)了陽離子型封堵劑對CaC12無土相鉆井液性能的影響。結(jié)果表明，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的陽離子型封堵劑，可將CaC12質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.0%的無土相鉆井液的高溫高壓濾失量(120～130 ℃)控制在10.0 mL左右。

致密油氣； 井壁穩(wěn)定； 鉆井液； 陽離子型封堵劑

為緩解能源供需矛盾、保障國內(nèi)能源安全，我國加強(qiáng)了致密油氣資源勘探開發(fā)力度,并取得了戰(zhàn)略性突破。但由于致密油氣儲藏空間以及黏土礦物的復(fù)雜性[1-3]，我國尚未完全掌握該類資源開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，其中在鉆井液穩(wěn)定井壁方面體現(xiàn)得尤為明顯。

擴(kuò)大水基鉆井液在致密油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用成為鉆井液技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向[4-5]。國外多家研究機(jī)構(gòu)在該方向開展大量研究工作，并提出以X射線衍射分析地層黏土礦物組分和含量為指導(dǎo)，構(gòu)建水基鉆井液體系的研究思路[6-7]。國內(nèi)的研究認(rèn)為：水基鉆井液濾液進(jìn)入地層裂縫、孔隙后，會引起地層黏土礦物膨脹，導(dǎo)致井壁局部拉伸破裂；同時(shí)，鉆井液濾液還會破壞地層的膠結(jié)穩(wěn)定性。

鑒于此，筆者提出陽離子型封堵劑，以期結(jié)合其對地層黏土礦物的吸附性能和封堵的特性，改善地層的井壁穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)、過硫酸銨(APS)，均為化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；陽離子型可聚合單體(CM)，純度>50%，實(shí)驗(yàn)室自制。

FA25高剪切分散乳化機(jī)，上海安譜實(shí)驗(yàn)科技股份有限公司；GJS-B12K型變頻高速攪拌機(jī)、GRL-BX3型便攜式滾子加熱爐、GGS42-2型高溫高壓失水儀和ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島百瑞達(dá)石油機(jī)械制造有限公司。

1.2 陽離子型封堵劑的合成

聚合單體St、BA、CM按需精制后，以質(zhì)量比3∶2∶2混合，倒入適當(dāng)?shù)娜ルx子水中，經(jīng)剪切乳化后再轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，設(shè)定開啟攪拌速度為500～600 r/min。當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)溫度達(dá)到65～80 ℃時(shí)，分兩次向體系中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%～0.5%的APS去離子水溶液，調(diào)整攪拌速度至300～400 r/min，保溫反應(yīng)5～6 h后停止攪拌，即得陽離子型封堵劑乳液。

1.3 結(jié)構(gòu)表征

陽離子型封堵劑乳液經(jīng)65 ℃鼓風(fēng)干燥后，得到白色粉末狀物質(zhì)。再與溴化鉀按照質(zhì)量比為50∶1進(jìn)行壓片，利用美國Avatar 370RCT型傅立葉變換紅外光譜儀測定產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)。

1.4 性能測試

1.4.1 泥球浸泡實(shí)驗(yàn)

(1)膨潤土和淡水按照質(zhì)量比為2∶1混合均勻并團(tuán)成若干泥球，將泥球浸泡于淡水(1號燒杯)、飽和鹽水(2號燒杯)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的陽離子型封堵劑乳液(3號燒杯)中，浸泡1～15 d，觀察其形貌隨時(shí)間變化。

(2)膨潤土、陽離子型封堵劑(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))和淡水按照6.0∶0.3∶2.7(質(zhì)量比，下同)(1號燒杯)、6.00∶0.15∶2.85(2號燒杯)和6.000∶0.075∶2.925 (3號燒杯)混合均勻，團(tuán)成膨潤土/陽離子型封堵劑泥球，并于飽和鹽水中浸泡1～7 d，觀察其形貌隨時(shí)間變化。

1.4.2 鉆井液性能測試 CaCl2無土相鉆井液配方

如下(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[8-9]：5.0%保護(hù)劑+1.0%降濾失劑+0～3.0%陽離子型封堵劑+0.3%增黏劑+0.3%黃原膠+2.0%超細(xì)CaCO3+0.1%NaOH+25.0%CaCl2。

采用六速旋轉(zhuǎn)黏度儀、多聯(lián)中壓濾失儀GGS42-2型高溫高壓濾失儀測試陽離子型封堵劑加量、老化溫度及老化時(shí)間對鉆井液的流變及濾失性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)分析

陽離子型封堵劑紅外譜圖如圖1所示。由圖1可知，1 726 cm-1處為羰基C=O伸縮振動吸收峰；1 450 cm-1處為COO—的振動吸收峰；1 251 cm-1處為C—N伸縮振動吸收峰[10]；1 165 cm-1處為C—O—C醚鍵特征吸收峰[11]；756 cm-1處出現(xiàn)單取代苯環(huán)特征吸收峰。另外，譜圖中1 600～1 680 cm-1處未出現(xiàn)雙鍵吸收峰。上述分析說明St、BA及陽離子型可聚合單體發(fā)生了共聚反應(yīng)。

圖1 陽離子型封堵劑紅外譜圖

2.2 陽離子型封堵劑性能評價(jià)

2.2.1 泥球浸泡實(shí)驗(yàn) 泥球在淡水、飽和鹽水及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%的陽離子型封堵劑乳液中常溫常壓浸泡1～15 d后觀察泥球形貌變化，結(jié)果如圖2所示。

(a) 初始

(b) 1 d

(c) 7 d

(d) 15 d圖2 膨潤土泥球在淡水、飽和鹽水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%陽離子封堵劑乳液中浸泡結(jié)果

由圖2可知，淡水浸泡的泥球在1 d后完全水化坍塌；飽和鹽水浸泡后的泥球1 d后出現(xiàn)裂縫、7 d后破碎；而陽離子型封堵劑乳液浸泡的泥球在15 d后，仍然保持完整的形貌。其原因可能在于：膨潤土泥球表面和內(nèi)部存在明顯的鹽濃度差，引起泥球內(nèi)部的水向外部移動。泥球內(nèi)部脫水后產(chǎn)生裂縫，增加了鹽水與泥球表面的接觸面積，引起泥球脫水速度加快。上述過程導(dǎo)致泥球裂縫變大、變深，最終使得泥球開裂、破碎。而對于陽離子型封堵劑乳液浸泡的泥球，其表面水化產(chǎn)生的負(fù)電荷會吸附帶有陽離子的封堵劑，在泥球表面形成保護(hù)層，部分抵消水對泥球內(nèi)部的滲透水化作用[12]。因此，陽離子型封堵劑乳液浸泡的泥球能夠在較長的時(shí)間內(nèi)保存新貌的完整。

膨潤土/陽離子型封堵劑泥球在飽和鹽水中浸泡初始和15 d的形貌如圖3所示。

(a) 初始

(b) 15 d圖3 膨潤土/陽離子型封堵劑泥球在飽和鹽水中的浸泡結(jié)果

由圖3可知，泥球在飽和鹽水中浸泡15 d后，僅1號燒杯中的泥球出現(xiàn)裂縫，但仍能保存完整形貌，而2號及3號燒杯中的泥球始終保持完整的形貌。分析原因在于：泥球制備過程中，陽離子型封堵劑與黏土顆粒表面的負(fù)電荷發(fā)生的靜電吸附作用，起到了連接黏土顆粒的作用。加之飽和鹽溶液對黏土水化過程的化學(xué)抑制作用，使得膨潤土/陽離子型封堵劑泥球可以在浸泡時(shí)間內(nèi)基本保持完整。這說明在抑制黏土水化方面，陽離子型封堵劑和飽和鹽水具有協(xié)同增效的作用。

2.2.2 封堵性能測試 陽離子型封堵劑對CaCl2無土相鉆井液性能影響見表1。由表1可知，陽離子型封堵劑對鉆井液濾失儀的影響較為明顯，當(dāng)陽離子型封堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.0%時(shí)，鉆井液的高溫高壓失水降至10.0 mL以下。分析原因在于：陽離子型封堵劑在水中的分散不受CaCl2去水化性能的影響，因此可以在較高CaCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下保持良好的降失水性能。

表1 陽離子型封堵劑對鉆井液性能的影響

注：熱滾溫度為120 ℃，熱滾時(shí)間為16 h，高壓失水測試溫度與熱滾溫度相同。

溫度對CaCl2無土相鉆井液性能的影響見表2。由表2可知，當(dāng)溫度為120～130 ℃時(shí)，陽離子型封堵劑能夠?qū)@井液的高溫高壓濾失量控制在11.0 mL以下；當(dāng)溫度達(dá)到140 ℃時(shí)，鉆井液常壓失水仍然可以維持在5.0 mL，但高溫高壓濾失量激增至30.0 mL，基本上失去了控制鉆井液濾失量的作用。分析原因可能包括兩方面：首先可能是陽離子型封堵劑的抗溫性能達(dá)不到140 ℃；其次，從表2中也可以看出，鉆井液的流變性能已經(jīng)惡化，說明此溫度下鉆井液的膠體性能被破壞[13]。因此，陽離子型封堵劑在本鉆井液體系中最優(yōu)使用溫度為120～130 ℃。

表2 溫度對鉆井液性能的影響

注：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為不同老化罐連續(xù)120 ℃后測試而得，陽離子型封堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，高壓失水測試溫度與熱滾溫度相同。

老化時(shí)間對CaCl2無土相鉆井液性能影響見表3。由表3可知，經(jīng)16～32 h老化后，鉆井液的濾失量尚能夠維持在10.0 mL以內(nèi)；但當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到48 h，鉆井液性能完全失控。分析主要原因在于同一試驗(yàn)樣品經(jīng)多次測試后(尤其是高溫高壓測試后)，鉆井液有機(jī)相、級配粒子(主要為鉆井液中不同粒徑的CaCO3)等大量流失；同時(shí)，增黏劑、流型調(diào)節(jié)劑等大分子的斷鏈、降解，使得鉆井液膠體被破壞。因此，鉆井液性能發(fā)生較大變化。

表3 老化時(shí)間對鉆井液性能的影響

注：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為同一老化罐連續(xù)120 ℃后測試而得，陽離子型封堵劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，高壓失水測試溫度與熱滾溫度相同。

3 結(jié) 論

(1)泥球浸泡實(shí)驗(yàn)表明，陽離子型封堵劑具有較好的抑制膨潤土水化的性能，且與飽和鹽水具有一定的協(xié)同增效作用；鉆井液濾失實(shí)驗(yàn)表明，陽離子型封堵劑能夠?qū)aCl2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25.0%的無土相鉆井液的高溫高壓濾失量(120～130 ℃)控制在10.0 mL左右。

(2)如能進(jìn)一步優(yōu)化合成配方，將陽離子型封堵劑的粒徑控制在納-微米范圍內(nèi)來提高其抑制性，并提高其抗溫性能，則有望進(jìn)一步明確納-微米粒子對穩(wěn)定井壁作用的貢獻(xiàn)。

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(編輯 宋官龍)

Synthesis and Performance of Cationic Plugging Agent Used in Water-Based Drilling Fluid

Lin Ziyang, Huang Jin, Ma Cheng

(ChemicalofChemistry,ChemicalEngineeringandEnvironmentalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001,China)

The cationic plugging agent of water base drilling fluid was prepared by emulsion polymerization with styrene (St), butyl acrylate (BA) and cationic polymerizable monomer. The structure characteristics of the plugging agent were analyzed by infrared spectrum. The result of soaking test with clay ball showed that cationic plugging agent emulsion with a mass fraction of 5.0% was equivalent in inhibiting clay hydration property of saturated brine. The effect of cationic plugging agent on the properties of CaCl2free phase drilling fluid was evaluated. The results showed that the high temperature and high pressure filtration (120～130 ℃) could be controlled at about 10 mL for the non phase drilling fluid with CaCl2content of 25.0% when the cationic plugging agent is 2.0%.

Tight oil and gas; Borehole stability; Drilling fluid; Cationic plugging agent

1672-6952(2017)04-0011-04

2017-03-13

2017-04-25

遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610148009)；遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目一般項(xiàng)目(L2016019)；遼寧石油化工大學(xué)科學(xué)基金項(xiàng)目(2015XJJ-001)。

林子楊(1996-)，男，本科生，應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，從事聚合物合成和鉆井液處理方面的研究；E-mail：903976149@qq.com。

馬誠(1982-)，男，博士，副教授，從事油田化學(xué)及油氣井工作液方面的研究；E-mail：kkmc2002@163.com。

TE254.4

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.04.003

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn