高溫低密度油基鉆井液體系室內(nèi)研究

范勝，周書勝，方俊偉，于洋，齊彪，李銀婷

（1.中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊 830011；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

在高密度油基鉆井液中，提高黏度和切力主要是靠重晶石、有機(jī)土等固相來實現(xiàn)[1-2]，加入重晶石會提高油基鉆井液的穩(wěn)定性，粉末狀重晶石顆粒易傾向于聚集在一起形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，來增大鉆井液的動切力，高溫?zé)釢L后，高密度油基鉆井液的動切力會增大[3]。而高溫低密度鉆井液的黏度和切力主要是由有機(jī)土和提切劑來實現(xiàn)，高溫?zé)釢L后，易出現(xiàn)黏度和切力過低，因此對高溫低密度鉆井液中所使用的有機(jī)土和提切劑抗溫要求非常高。

有機(jī)土在油基鉆井液中可提高鉆井液的黏度和切力，又可降低鉆井液的濾失量，并能直接影響鉆井液體系的攜巖能力和流變性能，是鉆井液體系不可缺少的添加劑[4-5]。鈉基膨潤土通過陽離子表面活性劑和非離子表面活性劑進(jìn)行復(fù)配制備有機(jī)土，使用長鏈季銨鹽陽離子表面活性劑取代高度分散的蒙脫土層間的金屬離子，擴(kuò)張蒙脫土的層間距，使親水的黏土轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油的有機(jī)土[6-8]。高溫超深井中采用低密度鉆井液可以有效地保護(hù)低壓油氣層，但易出現(xiàn)濾失量過大、抗高溫性能差等技術(shù)難題[9]，筆者在長鏈伯胺與環(huán)氧乙烷發(fā)生親核取代反應(yīng)的基礎(chǔ)上，再與一氯甲烷發(fā)生季銨化反應(yīng)得到有機(jī)改性劑18-3，采用有機(jī)改性劑18-3 與非離子表面活性劑復(fù)配改性鈉基膨潤土得到有機(jī)土MZ，其成膠率高、層間距大、抗溫性能強(qiáng)，用其配制一種高溫低密度油基鉆井液體系，該體系具有良好的抗高溫性能、抗污染性能、且高溫高壓濾失量小，可滿足深井復(fù)雜地層鉆井的技術(shù)需要。

1 有機(jī)土的制備

1.1 有機(jī)改性劑18-3的合成

由長鏈伯胺和環(huán)氧乙烷在一定溫度、堿性催化劑的作用下制得脂肪胺聚氧乙烯醚；接著將脂肪胺聚氧乙烯醚與一氯甲烷通過季銨化反應(yīng)制得帶有烷氧基的季銨鹽18-3 粗產(chǎn)物，重結(jié)晶純化并真空干燥得到最終產(chǎn)品。

1.2 有機(jī)土MZ的合成

稱取一定量的季銨鹽18-3 放入燒杯中，按比例加入定量的1∶1 蒸餾水和無水乙醇混合液以及一定量非離子表面活性劑制成有機(jī)改性液，快速攪拌過程中調(diào)節(jié)pH 值為中性。稱取一定量的鈉基膨潤土，加入一定蒸餾水造漿，加熱至某一溫度，快速攪拌，加入有機(jī)改性液反應(yīng)一段時間，直至反應(yīng)完全。將得到的最終水漿用濾紙濾去水分，再繼續(xù)用清水反復(fù)浸泡、過濾，直到浸泡有機(jī)土的水中沒有泡沫、不渾濁為止，放入干燥箱烘干，研磨過200 目篩子后即可得到研制的有機(jī)土MZ。

2 有機(jī)土的性能

2.1 結(jié)構(gòu)表征

將季銨鹽18-3 進(jìn)行紅外光譜測定，紅外光譜見圖 1，從圖 1 可知，1630 cm-1附近出現(xiàn)了季銨鹽C—N 的伸縮振動峰，1050 cm-1附近出現(xiàn)C—O—C的伸縮振動吸收峰，3550 cm-1附近出現(xiàn)醇羥基的伸縮振動吸收峰，2930 cm-1附近出現(xiàn)—CH3的伸縮振動吸收峰，在750 cm-1處出現(xiàn)—CH2的變形振動吸收峰。以上分析表明，合成產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物。

圖1 季銨鹽18-3 的紅外光譜圖

鈉基膨潤土和通過鈉基膨潤土制備的有機(jī)土MZ 的X 射線衍射圖如圖 2 所示。由圖 2 可知，對于鈉基膨潤土的一級衍射峰而言，插層后有機(jī)土的一級衍射峰角度變小，鈉基膨潤土的一級衍射角為5.78°，鈉基膨潤土改性后的有機(jī)土MZ 一級衍射角為 4.30°。由布拉格公式可得，鈉基膨潤土的晶層間距為1.53 nm，有機(jī)土MZ 晶層間距增大至2.05 nm，這表明季銨鹽離子已經(jīng)取代金屬離子進(jìn)入了鈉基膨潤土層間，使其晶層間距增大。

圖2 鈉基膨潤土和有機(jī)土MZ 的 XRD 對比圖

2.2 膠體率

稱取3 g 有機(jī)土，倒入裝有100 mL 柴油或白油的具塞量筒中，上下?lián)u動5min，使有機(jī)土充分分散在柴油或白油中，靜置90 min，記錄量筒上層游離油體積（V），按膠體率=（100-V）/100×100%來計算。4 個有機(jī)土樣品在白油和柴油中的成膠性能見表1。由表1 可以看出，有機(jī)土MZ 在白油、柴油中成膠性能均優(yōu)于其他3 種有機(jī)土，在柴油中的有機(jī)土MZ 膠體率可達(dá)97.4%，且在白油中的有機(jī)土MZ 膠體率大于50%。

表1 不同有機(jī)土在不同基液中的成膠性能

2.3 增黏提切性能

在高攪杯中加入300 mL0#柴油和12 g 有機(jī)土，在轉(zhuǎn)速為10000 r/min 下攪拌20 min，50 ℃條件下測流變性，然后在200 ℃條件下熱滾16 h，冷卻至室溫，在10000 r/min 條件下高速攪拌10 min，50℃測流變性，結(jié)果見表2。由表2 可以看出，有機(jī)土B500A、B38 在200 ℃下熱滾16 h 后，切力下降明顯，表明這兩種有機(jī)土抗高溫性能差，有機(jī)土MZ、A828 在0#柴油中均能有效提高鉆井液黏度和切力，但有機(jī)土A828 在200 ℃高溫?zé)釢L后，切力下降明顯，有機(jī)土MZ 不但在柴油中有很高的成膠率，且主要性能在高溫老化前后變化不大，表明高溫并沒有破壞其分散形成相互聚結(jié)膠聯(lián)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有較好的凝膠穩(wěn)定性和抗溫能力[10]，其原因為所加入的非離子表面活性劑能吸附在膨潤土表面和季銨鹽18-3 的親油端[11]，起螯合作用加固季銨鹽18-3 和膨潤土之間結(jié)合，削弱季銨鹽18-3 在高溫下的解吸過程，保證在高溫下吸附量。

表2 不同有機(jī)土在0#柴油中的增黏提切性能

2.4 熱穩(wěn)定性

通過差熱分析法表征有機(jī)土的熱穩(wěn)定性，如圖3 所示。由圖3 可知，參考[12]以往對于季銨鹽改性有機(jī)土熱重分析的結(jié)論，有機(jī)改性劑吸附有機(jī)土MZ 間層在280 ℃以下熱穩(wěn)定性較好，在溫度為280～500 ℃時有機(jī)改性劑分解，有機(jī)土A828 中有機(jī)改性劑從250 ℃已經(jīng)開始分解。這表明有機(jī)土MZ 熱穩(wěn)定性優(yōu)于A828。

圖3 有機(jī)土熱重質(zhì)量變化圖

3 有機(jī)土配制的油基鉆井液性能

3.1 高溫低密度油基鉆井液體系配方

通過對各種處理劑及加量進(jìn)行優(yōu)選，最終形成了密度為1.40 g/cm3的油基鉆井液體系，其基本配方如下。

80% 油（0#柴油）+20%鹽水（26%CaCl2）+3%HIEMUL（主乳）+1%HICOAT（輔乳）+1%HIRHEO（提切劑）+3.0%有機(jī)土+3%HITROL（降濾失劑）+3%HISEAL（封堵劑）+3%CaO+重晶石

3.2 鉆井液基礎(chǔ)性能

高溫低密度油基鉆井液體系的主要性能實驗結(jié)果見表3。常規(guī)高溫低密度油基鉆井液體系中，高溫?zé)釢L后易出現(xiàn)黏度低、切力小、高溫高壓濾失量大，且容易出現(xiàn)重晶石沉降現(xiàn)象，而有機(jī)土MZ 配制的油基鉆井液熱滾前后黏度變化不大，熱滾后還具有較高的切力，破乳電壓變大，高溫高壓濾失量小于3 mL，一方面可以保持體系穩(wěn)定性，熱滾后不會發(fā)生重晶石沉降現(xiàn)象，另一方面可以提高鉆井液的攜巖能力。從表3 可知，在高溫低密度油基鉆井液體系中，有機(jī)土MZ 表現(xiàn)出的性能優(yōu)于有機(jī)土A828，結(jié)論與差熱分析法表征有機(jī)土的熱穩(wěn)定性一致。通過靜電引力或氫鍵與其他基團(tuán)相互作用，形成比表面積大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而分子中的長烷基直鏈之間也可以通過締合作用形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)增黏、提切的目的。

表3 用不同有機(jī)土配制的高溫低密度油基鉆井液性能

3.3 有機(jī)土MZ配制的鉆井液抗溫性能評價

高溫低密度油基鉆井液在井底會經(jīng)歷高溫老化，性能發(fā)生變化。從表4 可知，由有機(jī)土MZ 配制的鉆井液在不同溫度下熱滾后，其流變參數(shù)變化較小，破乳電壓均升高，高溫高壓濾失量均很小，這表明有機(jī)土MZ 配制的鉆井液能抗220 ℃高溫，同時也表明有機(jī)土MZ 抗高溫性能優(yōu)異。

表4 鉆井液抗溫性能評價（熱滾16 h）

3.4 有機(jī)土MZ不同加量下的鉆井液性能

在高溫低密度油基鉆井液中，有機(jī)土對鉆井液的黏度和切力影響極其大，有機(jī)土MZ 不同加量對高溫低密度油基鉆井液性能影響見表5。由表5 可知，不同加量下的有機(jī)土MZ 對高溫低密度油基鉆井液性能影響較大，隨著有機(jī)土MZ 的加量增大，鉆井液的黏度、切力和破乳電壓均增大，高溫高壓濾失量逐漸變小，高溫低密度油基鉆井液的有機(jī)土MZ 加量定為3%。

表5 有機(jī)土MZ 不同加量下的鉆井液性能

3.5 抗污染性能評價

在鉆遇井下復(fù)雜情況時，無法避免地會遇到遇水易分散的鉆屑及高礦化度地層水的侵入[13]，因此，高溫低密度油基鉆井液應(yīng)具備抗鹽水污染和抗鉆屑污染的能力，對該體系抗鹽水污染和抗鉆屑污染的能力進(jìn)行評價，結(jié)果見表6。

表6 高溫低密度油基鉆井液抗污染性實驗

從表6 可以看出，隨著復(fù)合鹽水的侵入，鉆井液的黏度增大，切力變化較小，當(dāng)復(fù)合鹽水侵入量為50%時，使鉆井液的油水比約為55：45，鉆井液體系仍保持穩(wěn)定，且高溫高壓濾失量小于8mL，這表明鉆井液具有良好的抗鹽水污染能力；泥巖鉆屑的侵入使油基鉆井液的黏度、切力明顯提高，高溫高壓濾失量變化較小，整體性能未遭到破壞。實驗結(jié)果表明，該鉆井液體系抗污染性能良好，可以抗50%復(fù)合鹽水或15%泥巖鉆屑的侵入污染，可以滿足深井復(fù)雜地層鉆井的技術(shù)需要。

4 結(jié)論

1.鈉基膨潤土通過季銨鹽18-3 和非離子表面活性劑進(jìn)行復(fù)配制備有機(jī)土MZ，有機(jī)土MZ 晶層間距增大至2.05 nm，這表明季銨鹽離子已經(jīng)取代金屬離子進(jìn)入了膨潤土層間，使其晶層間距增大，有機(jī)土MZ 的膠體率優(yōu)于有機(jī)土A828、B500A、B38，在柴油鐘有機(jī)土MZ 的膠體率可達(dá)97.4%。

2.有機(jī)土MZ 配制的高溫低密度油基鉆井液熱滾前后黏度變化小，200 ℃下熱滾后仍具有較高的切力，破乳電壓增大，高溫高壓濾失量小于3 mL。

3.有機(jī)土MZ 配制的鉆井液抗溫220 ℃，且鉆井液抗污染性能良好，抗50%鹽水或15%泥巖鉆屑的侵入污染，滿足深井復(fù)雜地層鉆井液技術(shù)需求。