海上硅酸鈉聚合醇鉆井液的研制

蔣 巍

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，北京100192）

全球海洋油氣資源主要分布在墨西哥灣、巴西、西非,一直到東非、地中海、印度、澳大利亞、中國(guó)南海等。目前海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)得到了迅猛發(fā)展,全球的鉆井作業(yè)中深水井占比約28%，但在海洋鉆井過(guò)程中，井壁穩(wěn)定性仍然受到研究人員的高度關(guān)注[1?2]。油基鉆井液雖然可很好地穩(wěn)定井壁，但隨著各個(gè)國(guó)家對(duì)環(huán)保要求的提高，傳統(tǒng)油基／合成基鉆井液在低溫高壓下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重增稠等問(wèn)題[3]。研究人員將目光轉(zhuǎn)向環(huán)保的水基鉆井液,如硅酸鹽鉆井液、聚合醇鉆井液等。硅酸鹽鉆井液具有對(duì)海洋生物群落無(wú)影響、不影響測(cè)井、低成本、防塌能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此曾受到了研究人員的高度關(guān)注，但目前硅酸鹽鉆井液面臨潤(rùn)滑性能差、可能損害 儲(chǔ) 層 等 問(wèn) 題[4?5]。

田波等[6]對(duì)優(yōu)選出的硅酸鹽鉆井液(百分?jǐn)?shù)均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)（淡水+0.3%NaOH+0.3%PAC?LV+0.1%XC+2.5%封堵劑+2.5%降濾失劑1+2.0%降濾失劑2+3.0%K2SiO3+3.0%流變穩(wěn)定劑+重晶石）進(jìn)行研究后表明，在pH>11的條件下，該鉆井液具有抗壓強(qiáng)度高、內(nèi)聚力高等特點(diǎn)。該硅酸鹽鉆井液可增強(qiáng)巖石內(nèi)聚力（高達(dá)11.7 MPa）而使鉆井液密度降低，從而緩解井壁失穩(wěn)的問(wèn)題。涂運(yùn)中等[7]開(kāi)發(fā)的配方為海水+Bentonite 2%+LV?PAC 1%+SMP?2 3%+Na2SiO33%+NaCl 10%~15%+PVP（K90）0.15%~1% 的PVP硅酸鹽鉆井液，在15℃下熱滾16 h后，靜切力(Gel)為 2.5 Pa，塑性黏度（PV）為 16 mPa·s，動(dòng)切力(YP)為8.4 Pa，該鉆井液在低溫條件下流變性良好。F.Brady等[8]針對(duì)Fayetteville地區(qū)蒙脫石和伊利石的頁(yè)巖分層和礦物學(xué)不穩(wěn)定現(xiàn)象，開(kāi)發(fā)了一種高度抑制性的硅處理水基鉆井液，并將其與油基鉆井液在相似的油井和鉆井條件下進(jìn)行了性能分析和對(duì)比。結(jié)果表明，在鉆探同等井深的情況下，兩種鉆井液的鉆探速率、鉆探時(shí)間幾乎相同。硅處理水基鉆井液的開(kāi)發(fā)，使該地區(qū)復(fù)雜地層的油氣鉆探作業(yè)順利進(jìn)行，且具有優(yōu)良的環(huán)保性，在不影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的前提下，回收出來(lái)硅酸鹽鉆井液的費(fèi)用更低。而聚合醇鉆井液具有良好的抑制性和潤(rùn)滑性，在潤(rùn)滑防卡的同時(shí)可以減少鉆井液對(duì)儲(chǔ)層的傷害。D.P.Enright[9]用OECD306實(shí)驗(yàn)程序?qū)垡叶歼M(jìn)行了生物降解性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)5 d后聚合醇就可達(dá)到70%以上的降解率，30 d后接近完全降解，因此認(rèn)為聚合醇鉆井液毒性極低。H.Arthur等[10]制備的一種配方為海水+13.0%SWPECP+10.0%Bentonite+3.0%Chrome Lignosulfonate+0.1%CMC+0.2%Resinex的聚合醇鉆井液，在95℃下熱滾16 h后，塑性黏度為30 mPa·s，動(dòng)切力為12 Pa。該聚合醇鉆井液在95℃老化后具有良好的流變性。平善海[11]針對(duì)遼河油田錦607區(qū)塊研發(fā)的KCL/聚合醇鉆井液：3.5%Bentonite+0.3%NaOH+0.3%Na2CO3+2.5%SMP?2+1.5%PF ?VIS+2.5%JNJ?2+3.5%JLX+8%KC1+2.5%LQ?1+1.5%HKTP+4%RHJ?2+重晶石加重至1.35 g/cm3,在該區(qū)塊應(yīng)用良好，可有效抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹，且封堵承壓效果較好，并且對(duì)儲(chǔ)層危害小，巖心滲透率恢復(fù)值高達(dá)90%。相比傳統(tǒng)鉆井液，新型聚合醇鉆井液在抑制泥頁(yè)巖水化分散、水化膨脹和膨潤(rùn)土水化造漿上更有優(yōu)勢(shì)，具有較好的發(fā)展前景。

本文使用人造海水配漿以解決膨潤(rùn)土在海水中不易配漿問(wèn)題，并將硅酸鹽鉆井液和聚合醇鉆井液復(fù)配成硅酸鈉聚合醇鉆井液，可提高深水鉆井井壁穩(wěn)定性、鉆井液的潤(rùn)滑性等性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)膨潤(rùn)土、增黏度劑、降濾失劑進(jìn)行優(yōu)選。確定鉆井液配方，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定鉆井液中各添加劑的最佳濃度。最終制備了能夠應(yīng)用于海洋鉆井的強(qiáng)抑制性鉆井液體系。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：API膨潤(rùn)土由濰坊昌達(dá)膨潤(rùn)土有限公司提供；3種高分子增黏劑PAC（純度90%）、黃原膠（Xanthan,純度99%）和聚丙烯酰胺（PAM,純度99%）由山東陽(yáng)谷江北化工有限公司提供；3種降濾失劑HA樹(shù)脂（HA resin,純度85%）、褐煤樹(shù)脂（SPNH,純度70%）和羧甲基纖維素鈉（CMC?Na,純度97%）由山東陽(yáng)谷江北化工有限公司生產(chǎn)提供；硅酸鈉（純度98%）由遼河油田提供；聚合醇（純度99%）由東營(yíng)市同宇石油化工有限公司提供。

儀器：ZNN?D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度儀，青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司；ZNS?3型常溫常壓三聯(lián)濾失儀、GRL?3BX型滾子加熱爐、CPZ?II型常溫常壓智能雙通道頁(yè)巖膨脹儀、GJD?B12K型高速攪拌機(jī)，青島宏祥石油機(jī)械制造有限公司；PHS?3C型pH計(jì)，上海佑科儀器儀表有限公司；ALC?210.4型電子分析天平，德國(guó)賽多利斯股份公司；GZX?9023型電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 海水基漿配制 取1 L去離子水并加入24.35 g NaCl，5.20 g MgCl2，4.09 g Na2SO4，1.16 g CaCl2，搖晃攪拌至全部溶解無(wú)殘留，作為人造海水。取人造海水400 mL，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的API膨潤(rùn)土，并加入膨潤(rùn)土質(zhì)量5%的Na2CO3，使用高速攪拌器攪拌1 h，靜置4 h，即得基漿。

1.2.2 組分優(yōu)化 實(shí)驗(yàn)中，高分子增黏度劑PAC、黃原膠和聚丙烯酰胺在各組中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%；降濾失劑在各組中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.3%、0.5%、0.7%、0.9%；硅酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、4%、5%；聚合醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、3%、4%、5%、6%。測(cè)量了以下性質(zhì)：溶液老化前后的表觀黏度（AV)、塑性黏度(PV)、動(dòng)切力(YP)、濾失量(FL)、泥餅厚度及巖心滾動(dòng)回收率，以獲得鉆井液的最佳配方。

1.2.3 流變性能評(píng)價(jià) 使用中國(guó)青島森新機(jī)電設(shè)備有限公司的ZNN?D6旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)在室溫下測(cè)試流變性質(zhì)。通過(guò)讀取從300~600 r/min轉(zhuǎn)速下的黏度η，使用式（1）-（3）計(jì)算流變參數(shù)。

1.2.4 濾失性能評(píng)價(jià) 取配置好的鉆井液，用ZNS?3常溫常壓三聯(lián)濾失儀測(cè)量其濾失量和泥餅厚度以及在80℃滾動(dòng)老化16 h后的濾失量和泥餅厚度。

1.2.5 頁(yè)巖滾動(dòng)回收率評(píng)價(jià) 使用GRL?3BX滾子加熱爐，取配制好的鉆井液，在常溫下老化16 h后，測(cè)定其黏度；取50 g巖石樣本加入到裝有鉆井液的老化罐中，在80℃下熱滾16 h；老化16 h取出老化罐冷卻到室溫，將老化罐內(nèi)的鉆井液和巖石樣本一起倒出，用40目的分樣篩在水槽中進(jìn)行濕篩；將篩過(guò)的樣品以(105士3)℃恒溫干燥烘干4 h，之后冷卻到室溫進(jìn)行稱重，質(zhì)量記為m（g）。

運(yùn)用式(4)計(jì)算出頁(yè)巖滾動(dòng)回收率R（%），上述實(shí)驗(yàn)同時(shí)用清水作對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1.2.6 線性膨脹率評(píng)價(jià) 將CPZ?2常溫常壓智能雙通道頁(yè)巖膨脹儀放在穩(wěn)定的平臺(tái)上，將壓制好的10 g巖樣掛在掛架上，調(diào)整好零點(diǎn)。取硅酸鈉聚合醇鉆井液倒入試樣杯中，向上提起試樣杯，將液面沒(méi)過(guò)試樣并固定，按開(kāi)始記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2.7 抗污染性能評(píng)價(jià) 取配制好的鉆井液，分別在鉆井液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%的CaCl2，使用六速旋轉(zhuǎn)黏度儀測(cè)量黏度，ZNS?3常溫常壓三聯(lián)濾失儀測(cè)量泥餅厚度和濾失量。

2 結(jié)果與討論

2.1 高分子增黏劑的優(yōu)選

加入高分子聚合物增黏劑，一方面可以增強(qiáng)膨潤(rùn)土的成膠率，另一方面可以保證鉆井液具有較好的流變性。增黏劑對(duì)基漿表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力的影響結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1（a）可以看出，隨著增黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3種基漿的AV都在逐漸增加，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)黃原膠優(yōu)于其他兩種，但其黏度上升曲線較緩慢，從質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%開(kāi)始，PAC明顯優(yōu)于其他兩種，且黏度上升曲線較為明顯。從圖1（b）可以看出，黃原膠和聚丙烯酰胺的PV隨增黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加都是先升高再降低，黃原膠的曲線變化較大，只有PAC的PV是穩(wěn)步上升。從圖1（c）可以看出，3種增黏劑都具有較好的動(dòng)切力，PAC和聚丙烯酰胺的YP隨增黏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加一直呈上升趨勢(shì)，黃原膠則為浮動(dòng)的狀態(tài)。

基漿流變性曲線變化是因?yàn)?種增黏劑的分子鏈長(zhǎng)，并且結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此使基漿黏度顯著提高。為了保證膨潤(rùn)土在海水中配漿成功，需要選擇黏度變化相對(duì)穩(wěn)定的增黏劑，在確保清潔能力的同時(shí)盡量減小黏度，以免黏度過(guò)高影響轉(zhuǎn)速，通過(guò)與常規(guī)鉆井液流變性對(duì)比，最終確定增黏劑為PAC，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%較為合適。

圖1 增黏劑對(duì)基漿表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力的影響Fig.1 The effect of tackifier on the AV,PV and YP of the base pulp

2.2 降濾失劑的優(yōu)選

降濾失劑對(duì)濾失量的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，16 h，80℃老化前后基漿的濾失量隨著3種降濾失劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加均呈下降趨勢(shì)，但HA樹(shù)脂對(duì)基漿濾失量影響最顯著，濾失量降低50%以上，相比之下，褐煤樹(shù)脂和羧甲基纖維素鈉在鉆井液的濾失量方面影響較小。綜上所述，3種降濾失劑隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，褐煤樹(shù)脂基漿的黏度變化不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，且褐煤樹(shù)脂高溫降解后會(huì)對(duì)鉆頭有一定的腐蝕作用[12]。羧甲基纖維素鈉的加入對(duì)基漿的黏度影響較大，可能是因?yàn)轸燃谆w維素鈉中的某些分子團(tuán)與水或者黏土顆粒通過(guò)氫鍵結(jié)合，形成網(wǎng)狀的分子團(tuán)，這些分子團(tuán)溶于水后使基漿的黏度過(guò)高，不容易控制，羧甲基纖維素鈉的降濾失性不如其他兩種，還有可能是因?yàn)槠淇果}性不如其他兩種，并且與基漿中某些離子發(fā)生反應(yīng)使濾失量增大[13]。最終確定降濾失劑為HA樹(shù)脂，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鉆井液的濾失量影響不大，因此本實(shí)驗(yàn)選擇HA樹(shù)脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%較為合適。

將HA樹(shù)脂加入已經(jīng)確定的基漿，測(cè)得基漿性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖2 降濾失劑對(duì)基漿濾失量的影響Fig.2 The effects of fluid loss additives on the FL of the base slurry

表1 降濾失劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基漿性能的影響Table 1 Effect of mass fraction of fluid loss additive on the performance of the base slurry

2.3 硅酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

表2為硅酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基漿性能的影響。由表2可見(jiàn)，由于硅酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)AV、PV、YP和濾失量的變化不明顯，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%~4%趨于穩(wěn)定，但頁(yè)巖滾動(dòng)回收率呈上升趨勢(shì)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的硅酸鈉可使鉆井液回收率提升7%左右?？紤]經(jīng)濟(jì)因素，確定硅酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。

表2 硅酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基漿性能的影響Table 2 Effect of the mass fraction of sodium silicate on the performance of the base slurry

2.4 聚合醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

表3為聚合醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基漿性能的影響。由表3可以看出，加入聚合醇之后，回收率明顯提升，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%~6%時(shí)基漿的表觀黏度、濾失量和回收率都相對(duì)穩(wěn)定。綜合考慮，確定聚合醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%較為合適。

3 鉆井液性能評(píng)價(jià)

3.1 流變性、濾失性能及頁(yè)巖回收率評(píng)價(jià)

表4為80℃、老化16 h海水硅酸鈉聚合醇鉆井液的流變性及濾失性能結(jié)果。由表4可知，研制的鉆井液流變性與濾失性較常規(guī)海洋鉆井液相近，但具有較好的抑制性，滾動(dòng)回收率高達(dá)87.5%。

表3 聚合醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)基漿性能的影響Table 3 Effect of the mass fraction of polymeric alcohol on the performance of the base pulp

表4 海水硅酸鈉聚合醇鉆井液的流變性及濾失性能Table 4 Rheological properties and fluid loss properties of seawater sodium silicate polymerized alcohol drilling fluid

3.2 抑制性能評(píng)價(jià)

圖5為80℃、老化16 h海水硅酸鈉聚合醇鉆井液熱滾前后膨脹高度。

圖5 海水硅酸鈉聚合醇鉆井液熱滾前后膨脹高度對(duì)比Fig.5 Comparison of the expansion height of seawater sodium silicate polyalcohol drilling fluid before and after hot rolling

由圖5可知，經(jīng)16 h，80℃老化后膨脹率雖有所增加，但在可接受范圍，鉆井液體現(xiàn)出的高抑制性可能是因?yàn)榫酆洗己凸杷猁}共同作用的，頁(yè)巖膨脹高度僅為0.44 mm，熱滾后頁(yè)巖膨脹率為0.86 mm。

3.3 抗污染性能評(píng)價(jià)

表5為80℃、老化16 h無(wú)機(jī)鹽對(duì)海水硅酸鈉聚合醇鉆井液流變性和濾失量的影響。由表5可見(jiàn)，在鉆井液體系中加入CaCl2，該鉆井液體系具有一定的抗鹽效果，這可能是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采用海水配漿，人造海水中包含了相應(yīng)的離子，使該離子對(duì)鉆井液的影響可以忽略不計(jì)；并且在硅酸鈉加量的確定過(guò)程中加入了一定量NaOH，NaOH的加入與某些離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，直接排除了該離子對(duì)鉆井液的影響

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)膨潤(rùn)土、增黏劑和降濾失劑的優(yōu)選等實(shí)驗(yàn)確定海水硅酸鈉聚合醇鉆井液的配方為：400 mL海水+5.0%膨潤(rùn)土+5.0%Na2CO3+0.4%PAC+0.7%HA樹(shù)脂+3.0%硅酸鈉+5.0%聚乙二醇。

(2)通過(guò)對(duì)該配方進(jìn)行流變性、濾失性能、抑制性、抗污染性能評(píng)價(jià)得出：該海水硅酸鈉聚合醇鉆井液表觀黏度為30.4 mPa·s，塑性黏度為20.3mPa·s，動(dòng)切力為13.1 Pa，濾失量為6.1 mL，泥餅厚度為0.5 mm。在溫度為80℃老化16 h后，雖流變性有所降低，濾失量有所增加，但幅度不大。在頁(yè)巖抑制性方面，回收率在87.5%以上；通過(guò)頁(yè)巖膨脹實(shí)驗(yàn)可知，經(jīng)過(guò)常溫常壓8 h浸泡后，膨脹高度為0.44 mm，老化后膨脹高度為0.86 mm。

(3)本文研制的海水硅酸鈉聚合醇鉆井液可采用海水直接配漿，大量節(jié)約鉆井成本；鉆井液體系的流變性良好，濾失量變化不大，可用于高造漿的海洋鉆井；硅酸鈉與聚合醇的協(xié)同作用使該鉆井液體系具有良好的強(qiáng)抑制封堵性。

表5 無(wú)機(jī)鹽對(duì)海水硅酸鈉聚合醇鉆井液流變性和濾失量的影響Table 5 The effect of inorganic salt on rheological properties and fluid loss properties of seawater sodium silicate polymerized alcohol drilling fluid