鉆井液用抗鹽聚合醇的優(yōu)選與評價

董平華，侯珊珊，吳 宇，周書勝，可 點(diǎn)

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津300459；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

隨著國內(nèi)油氣勘探開發(fā)的逐漸加快，常規(guī)油氣井已趨向飽和，越來越多惡劣地區(qū)的復(fù)雜井都已提上日程。與此同時，相應(yīng)的鉆井液技術(shù)也面臨著安全快速鉆井、油氣層保護(hù)、環(huán)境保護(hù)等方面的巨大挑戰(zhàn)。由此而產(chǎn)生了諸如聚合醇鉆井液、硅酸鹽鉆井液、類油基鉆井液、環(huán)保合成基鉆井液等新型鉆井液體系。其中，聚合醇鉆井液由于其特殊的優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究[1-5]，如無毒可生物降解，有助于環(huán)保；無熒光，不影響地質(zhì)錄井；核心材料聚合醇為一類非離子型處理劑，與其他處理劑配伍性好；具有濁點(diǎn)效應(yīng)，兼具良好的潤滑、抑制和封堵性能等。但市面上大多數(shù)聚合醇抗鹽性較差，即在鹽含量較高的溶液中容易產(chǎn)生“鹽析”現(xiàn)象，導(dǎo)致聚合醇在高含鹽鉆井液中濁點(diǎn)大幅度降低，由于鉆井液循環(huán)返出井口時仍然具有較高溫度，其中的聚合醇還沒來得及溶解于鉆井液中就隨鉆屑一起被大量篩除，造成巨大的浪費(fèi)，還影響了井下安全。室內(nèi)通過自主合成研制并篩選出具有抗鹽性能的聚合醇，避免了這樣無端的浪費(fèi)，且能充分發(fā)揮聚合醇的功效，為保障井下安全奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

膨潤土、燒堿（NaOH）、純堿（Na2CO3）、聚陰離子纖維素類降濾失劑PF-PAC-LV、聚丙烯酰胺類包被劑PF-PLUS、改性陽離子淀粉類降濾失劑PF-FLOCAT、生物聚合物增粘降失水劑PF-JHVIS、無機(jī)鹽類抑制劑KCl和NaCl、小顆粒固體類潤滑劑PFGRA、剛性封堵劑PF-HTC、重晶石，現(xiàn)場海水，中海油田服務(wù)股份有限公司；自主合成材料：丙三醇、乙二醇、催化劑、擴(kuò)鏈劑，分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司。

1.2 儀器

DZKW-D-6型電熱恒溫水浴鍋、ZNN-D6B型電動六速旋轉(zhuǎn)粘度計、XGRL-4A型滾子加熱爐、XYM-2型液體密度計、GJS-B12K型變頻高速攪拌器、GGS42-A型高溫高壓濾失儀、SD6B型常溫中壓API濾失儀，青島創(chuàng)夢儀器有限公司；FA型無滲透鉆井液濾失儀（青島海通達(dá)專用儀器廠）；EP-2型極壓潤滑儀、高溫高壓PPA封堵裝置，美國Fann Instrument Company。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 3%膨潤土漿的配制 取10L水邊攪拌邊緩慢加入300g膨潤土，待膨潤土分散均勻后慢慢加入質(zhì)量為18g的Na2CO3均勻攪拌30min，將配制好的膨潤土漿密封放置24h待用。

1.3.2 模擬現(xiàn)場鉆井液的配制

（1）取水化24h后的3%膨潤土漿400mL，將其置于高攪器上，以8000r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌，并向其中加入2.0g NaOH和1.2g Na2CO3，攪拌5min；

（2）緩慢加入2.0g PF-PAC-LV，攪拌10min；

（3）繼續(xù)緩慢加入0.4g PF-PLUS，攪拌10min；

（4）繼續(xù)緩慢加入1.2g PF-JHVIS，攪拌15min；

（5）繼續(xù)加入 24g KCl和 48g NaCl，攪拌 5min后加入聚合醇，攪拌10min后，繼續(xù)加入2.0g PFGRA和20g PF-HTC，攪拌10min后，加入重晶石至密度為1.25g·cm-3。充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟮媚M現(xiàn)場鉆井液。

1.3.3 鉆井液流變性的測定 參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1-2014《石油天然氣工業(yè)中鉆井液現(xiàn)場測試（第1部分：水基鉆井液）》測試鉆井液性能，評價鉆井液流變性、失水造壁性（高溫高壓）、抑制性、封堵性和潤滑性，其中流變測試溫度為30℃，其他性能測試溫度下文另作說明。

1.3.4 鉆井液起泡率的測定

（1）將400mL加入了聚合醇樣品的基漿倒入高攪杯中，并將高攪杯置于高速攪拌機(jī)上；（2）調(diào)整高速攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速至 8000r·min-1；（3）啟動高攪，并開始計時，攪拌5min后，關(guān)閉高攪；（4）將高攪杯內(nèi)的基漿及泡沫快速轉(zhuǎn)移至1000mL量筒中，記錄基漿及泡沫的體積 V p。起泡率 P=（V p-400）÷400×100%。

1.3.5 聚合醇濁點(diǎn)的測定

（1）準(zhǔn)備稱取試樣 1.0g（精確到 0.01g），加入100mL蒸餾水，攪拌使試樣充分溶解，然后將溶液用慢速濾紙過濾；（2）量取15～20mL上述試樣濾液，置于試管中，插入溫度計，放在水浴中加熱；（3）用溫度計輕輕攪拌至溶液完全呈混濁狀（溶液溫度不超過混濁溫度10℃），停止加熱，在溫度計攪拌下緩緩降溫；（4）記錄混濁完全消失時的溫度。重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值，即為該濃度下聚合醇的濁點(diǎn)溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚合醇的作用機(jī)理

聚合醇鉆井液核心材料為聚合醇，也稱作多元醇和復(fù)合醇，其特點(diǎn)在于兼具優(yōu)良的潤滑性能、抑制性能和封堵性能。關(guān)于其作用機(jī)理，普遍認(rèn)識如下。

2.1.1 吸附效應(yīng) 聚合醇由于其分子中含大量醚鍵，溶于水后接觸到粘土?xí)r會與水分子競爭吸附在粘土表面，從而產(chǎn)生體積較大的化合物層，如果鉆井液或者地層水中含有鉀離子，該化合物層會與鉀離子產(chǎn)生協(xié)同效果，使吸附在粘土表面的聚合醇結(jié)構(gòu)的有序性和致密性得到進(jìn)一步提高，從而將同樣吸附在粘土上的水分子排斥出去，起到減緩頁巖表面水化，維持頁巖持續(xù)穩(wěn)定的作用。

國外學(xué)者在這一方面做了比較深入的研究，其中，Aston首先得出在聚合醇和KCl共存情況下，巖樣在其中浸泡后的聚合醇濃度和水濃度與浸泡時長及處理劑的加量之間的函數(shù)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)浸泡時間越長，或者聚合醇濃度越高，會出現(xiàn)含水量降低和聚合醇含量增大的情況。這說明在聚合醇與KCl共存的情況下，其中的聚合醇能夠排斥出巖樣中的吸附水，抑制泥頁巖的表面水化。而Reid在其基礎(chǔ)上做了機(jī)理分析，分析表明在聚合醇單獨(dú)存在的情況下，雖然也能夠吸附在粘土表面，但其抑制能力并未隨著吸附量增加而增強(qiáng)，主要是因?yàn)樾纬稍谡惩林g的雙分子化合物不穩(wěn)定；而在聚合醇與KCl共存時，則主要以致密單分子結(jié)構(gòu)定向排列在粘土層間，穩(wěn)定性大增，能夠有效控制泥頁巖井壁穩(wěn)定。

2.1.2 濁點(diǎn)效應(yīng) 另一方面，聚合醇還具有濁點(diǎn)效應(yīng)。其分子結(jié)構(gòu)中含有的聚氧乙烯基團(tuán)具有較強(qiáng)的親水性，而聚氧丙烯基團(tuán)則具有較強(qiáng)的疏水性，兩者根據(jù)不同比例的調(diào)節(jié)可以改變聚合醇性能，使之對溫度較為敏感，并隨著溫度的升高，疏水性增強(qiáng)引起溶解度降低從而在水溶液中以微乳液形式析出，表現(xiàn)出濁點(diǎn)效應(yīng)。這一現(xiàn)象賦予了聚合醇良好的潤滑性能、封堵性能和抑制性能。以微乳液形式存在的聚合醇會吸附在鉆屑和泥頁巖井壁表面形成疏水膜，起到抑制頁巖表面水化的作用；同時還具備良好的潤滑性能，能夠降低鉆具與井壁之間的摩阻；另外微乳液尺寸一般在納微米級，可以有效封堵致密性地層的孔喉，起到一定封堵作用。而當(dāng)溫度下降到濁點(diǎn)以下時，原先析出的聚合醇乳液又開始溶解，這保證了聚合醇在鉆井液中循環(huán)上返時不會被振動篩和其他固控設(shè)備除去。

2.2 聚合醇的研制與優(yōu)選

稱取一定的丙三醇與NaOH、催化劑、擴(kuò)鏈劑加入到三口燒瓶中，邊攪拌邊通少量水溶解，不斷通入N2排空氧氣，邊攪拌邊升溫至120～140℃，保持反應(yīng)30min后，繼續(xù)通入一定量乙二醇恒定反應(yīng)1h，反應(yīng)結(jié)束，用酸中和殘余堿，將產(chǎn)物進(jìn)行過濾，并加入一定量消泡劑混合均勻，得到最終產(chǎn)物即為所需的聚合醇。

通過上述反應(yīng)，適當(dāng)改變原料加量合成了5個樣品聚合醇PCA-1～聚合醇PCA-5，按1.3.1中要求配制搬土漿，分別加入3%聚合醇樣品，測定基漿中的潤滑系數(shù)及其水溶液和12%NaCl+6%KCl鹽水溶液中的濁點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 聚合醇樣品優(yōu)選Tab.1 Polymer alcohol sample preference

從表1中可以直觀的看出，聚合醇PCA-5的潤滑系數(shù)降低率最高，起泡率最低，抗鹽性最佳；其中聚合醇PCA-1潤滑性好，但抗鹽性差，鹽水溶液中濁點(diǎn)大幅度下降；聚合醇PCA-3抗鹽性好，但潤滑差，起泡率高。綜合考慮，優(yōu)選聚合醇PCA-5為最佳配比的聚合醇樣品。

2.3 聚合醇對鉆井液性能影響評價

室內(nèi)按照1.3.2配制現(xiàn)場模擬鉆井液，加入不同加量的聚合醇PCA-5，在一定溫度下老化16h后，分別評價其對流變、潤滑、抑制、封堵性能的影響。

2.3.1 對流變性的影響

表2為六速旋轉(zhuǎn)粘度計評價流變性的數(shù)據(jù)。

表2 聚合醇對鉆井液流變性影響評價Tab.2 Evaluation of rheological effects of polyalcohol on drilling fluid

表2結(jié)果表明，聚合醇PCA-5加入到鉆井液中后其粘切變化微小，表明該劑對體系的流變性影響較小，表現(xiàn)出良好的配伍性。

2.3.2 對潤滑性的影響 室內(nèi)評價了不同加量下的聚合醇對含鹽鉆井液潤滑性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 聚合醇對鉆井液潤滑性能影響Tab.3 Effect of polymer alcohol on the lubrication performance of drilling fluid

表3結(jié)果表明，空白泥漿的潤滑系數(shù)與溫度關(guān)系并不大；而加了聚合醇PCA-5的泥漿在濁點(diǎn)溫度以下時潤滑性能改善有限，3%加量下潤滑系數(shù)降低率僅13.2%；在濁點(diǎn)溫度以上時潤滑性能顯著增強(qiáng)，3%加量下潤滑系數(shù)降低率達(dá)到46.2%，且其抗鹽性良好。

2.3.3 對抑制性的影響 取6～10目的模擬泥巖鉆屑，分別加入到不同加量聚合醇的鉆井液中，通過滾動回收率實(shí)驗(yàn)評價其抑制性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 聚合醇對鉆井液抑制性能影響Tab.4 Effect of polyalcohol on drilling fluid inhibition performance

表4結(jié)果表明，空白泥漿本身含較多無機(jī)鹽，具有一定抑制泥巖鉆屑分散的能力，但仍然不夠；加入聚合醇PCA-5后，在濁點(diǎn)溫度以下時，由于聚合醇的吸附效應(yīng)，其與KCl產(chǎn)生了協(xié)同作用，抑制性得到提高，并隨著加量增加而逐漸增強(qiáng)；在濁點(diǎn)溫度以上時，吸附效應(yīng)和濁點(diǎn)效應(yīng)同時起作用，抑制性得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.3.4 對封堵性的影響 室內(nèi)通過高溫高壓PPT封堵實(shí)驗(yàn)評價了聚合醇的封堵效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 聚合醇對鉆井液封堵性能評價Tab.5 Evaluation of plugging performance of drilling fluid with polymer alcohol

表5結(jié)果表明，空白泥漿高溫高壓濾失量FLHTHP＞10mL，且100℃下測試的濾失量大于60℃下測試的濾失量。當(dāng)加入聚合醇PCA-5之后，在濁點(diǎn)溫度以下時，F(xiàn)LHTHP降低率很??；而在濁點(diǎn)溫度以上時，F(xiàn)LHTHP降低率顯著提高，3%聚合醇PCA-5加量下FLHTHP僅7.8mL。這說明聚合醇在濁點(diǎn)溫度以上析出后，對沙盤孔喉起到了有效封堵，降低了濾失量。

3 結(jié)論

（1）室內(nèi)采用丙三醇、乙二醇等多元醇為原料制備了5種不同濁點(diǎn)的聚合醇，并通過性能評價篩選出聚合醇PCA-5為最優(yōu)產(chǎn)品，3%聚合醇PCA-5水溶液濁點(diǎn)為 87℃，鹽水溶液（6%KCl+12%NaCl）濁點(diǎn)為72℃，抗鹽性能良好。

（2）聚合醇PCA-5與鉆井液配伍性良好，對流變性影響較小。

（3）聚合醇PCA-5兼具良好的潤滑、抑制和封堵性能。鉆井液中加入3%聚合醇PCA-5，當(dāng)溫度在濁點(diǎn)以上時，潤滑性方面，潤滑系數(shù)從0.1538降低至0.0828，降低率達(dá)到46.2%；抑制性方面，滾動回收率從70.8%提高到96.1%，提高率達(dá)到35.7%；封堵性方面，高溫高壓濾失量FLHTHP從12.6mL降低至7.8mL，降低率達(dá)到38.1%，效果顯著。