抗高溫水基鉆井液處理劑研究進展

劉瑞，于培志

(中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083)

近年來，油氣資源勘探開發(fā)不斷向深部發(fā)展，基于深部、超深部儲層的高溫環(huán)境，鉆井液性能的穩(wěn)定性面臨著巨大挑戰(zhàn)。油基鉆井液抗溫性佳，性能穩(wěn)定，同時具備抑制性強、潤滑性好等優(yōu)勢，但是油基鉆井液極易造成污染，嚴重限制了它的進一步發(fā)展，抗高溫高性能的水基鉆井液體系成為了眾多學者的研究重點。高溫對水基鉆井液體系的影響主要體現(xiàn)在對處理劑的影響上[1-3]，因此，研究開發(fā)抗高溫水基鉆井液處理劑，對深層、超深層油氣資源勘探開發(fā)具有重要意義。筆者簡要概述了水基鉆井液處理劑在高溫下存在的問題，并從增強分子結構、改善聚集態(tài)結構、添加納米材料等方面綜述了近年來抗水基鉆井液關鍵處理劑的研究與應用進展，并對其發(fā)展方向進行了展望。

1 水基鉆井液處理劑在高溫下存在的問題

目前，水基鉆井液關鍵處理劑以高分子聚合物為主，其在高溫環(huán)境下主要存在兩方面的問題：①高溫降解。深井高溫環(huán)境下，高分子聚合物處理劑易發(fā)生高溫水解，鉆井液循環(huán)過程中的剪切作用會加劇水解，造成處理劑分子主鏈與支鏈的斷裂，失去效果，進而影響鉆井液體系的性能；②高溫交聯(lián)。當高分子聚合物處理劑分子鏈中含有活性基團或者不飽和鍵時，在高溫的作用下，活性基團之間會出現(xiàn)彼此交聯(lián)反應，使處理劑分子量顯著增大，導致處理劑作用效果變差[4-5]。針對上述問題，國內(nèi)外學者通過增強分子結構、改善聚集態(tài)結構、添加納米材料等方式研發(fā)了一系列抗高溫高性能水基鉆井液處理劑，對上述研究進行梳理分析，對抗高溫水基鉆井液關鍵處理劑的進一步研發(fā)具有重要的指導作用。

2 抗高溫水基鉆井液關鍵處理劑研究進展

2.1 增強分子結構

增強優(yōu)化聚合物分子結構是提高其耐溫性能的關鍵手段。研究表明：—C—C—抗溫性能優(yōu)異，適合作為聚合物處理劑的主鏈；將苯環(huán)等剛性基團或者大型基團引入聚合物側鏈，能夠提高分子運動時的空間位阻，可顯著提高聚合物處理劑抗溫性能[6]。

胡正文等[7]引入長鏈季銨鹽單體11-丙烯酰氧基十一烷基-二甲基-羥乙基溴化銨(ADAB)，將其與丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚得到了聚合物降濾失劑PAAAA。含1.5%(w)PAAAA的淡水基漿200 ℃老化后，中壓濾失9.0 mL，高溫高壓濾失16.0 mL，抗溫性能優(yōu)異。Aghdam等[8]通過自由基聚合，使用1-乙烯基咪唑(VI)、AM、AMPS合成了一種三元共聚抗高溫降濾失劑AAV，與傳統(tǒng)改性淀粉類降濾失劑相比，AAV可形成更加平滑致密的泥餅，180 ℃高溫老化后AAV具備更低的濾失量。采用反向乳液聚合的方式，Huo等[9]利用苯乙烯磺酸鈉(SSS)、AM、AMPS研制了一種三元共聚物，含有1.2%該共聚物的水基鉆井液體系在160 ℃老化16 h后，API濾失量為9.4 mL，降濾失效果遠優(yōu)于SMC、SMP-Ⅱ等傳統(tǒng)降濾失劑。同時，該共聚物能夠使鉆井液體系在高溫下保持良好的流變性，保證了對巖屑的有效懸浮與攜帶。張現(xiàn)斌等[10]采用自由基聚合，制備了四元共聚物增粘劑ANAD，由于ANAD分子鏈中含有剛性基團與大分子側鏈，賦予了其優(yōu)異的抗溫、抗鹽與抗剪切的能力，其在15%鹽水基漿中抗溫可達180 ℃，在淡水基漿中抗溫可達230 ℃，性能遠優(yōu)于80A51等傳統(tǒng)增粘劑。Cao等[11]通過引入4-乙烯基吡啶(VP)提高了分子鏈的剛性，進而提高了AM、AMPS、VP三元共聚物處理劑的耐溫性能，同時，帶正電的VP基團可增強該共聚物與膨潤土之間的相互作用，改善膨潤土顆粒的膠體穩(wěn)定性，顯著提高鉆井液體系的抗溫抗鈣能力，實驗表明，CaCl2污染濃度在20%時，含1%該共聚物降濾失劑的鉆井液體系150 ℃老化16 h后，API濾失僅為8.2 mL。 邱正松等[12]選取溫敏性單體N-乙烯基己內(nèi)酰胺(NVCL)，以自由基膠束乳液聚合法，將其與N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)以及對苯乙烯磺酸鈉(SSS)共聚制得抗高溫增粘劑SDTP，SDTP分子鏈中具有苯環(huán)剛性側鏈以及NVCL的七元環(huán)側鏈結構，提升了空間位阻，增強了SDTP分子主鏈的剛性，從而提高了其抗溫性能，含有0.3% SDTP的水基鉆井液體系230 ℃老化后仍具備優(yōu)異的性能，南堡油田南堡3-81井現(xiàn)場應用證明了SDTP能夠在低密度、超高溫環(huán)境下發(fā)揮良好的作用，保證了鉆井施工的順利進行。

通過多元共聚等方式增強分子結構能夠顯著提高水基鉆井液聚合物處理劑的抗溫性能，此類研究較多，應用也較為成熟。但部分聚合物處理劑制備過程中單體原料單一，反應繁瑣，產(chǎn)出率低，工業(yè)化生產(chǎn)條件較差，難以形成高的經(jīng)濟效益。可結合反應機理進一步深入研究，提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟價值。

2.2 改善聚集態(tài)結構

高分子聚合物分子鏈的排列狀態(tài)稱為聚集態(tài)結構，通過疏水締合、引入兩性離子等方式改善聚合物聚集態(tài)結構以提高抗溫性能，是眾多學者研究的重點。

兩性離子聚合物分子鏈中同時含有陰、陽離子基團，正負電荷之間的靜電作用有利于提高聚合物在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性[13-14]。李斌等[15]使用對苯乙烯基磺酸鈉(SSS)、AMPS兩種磺酸基單體，選用陽離子單體二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)制備了兩性離子抗高溫抗鈣分散劑。由于苯環(huán)的阻聚作用，形成的共聚物分子量較小，賦予了其較好的高溫穩(wěn)定性?；谠摲稚┡渲频你@井液體系在Ca2+污染情況下，150 ℃老化后分散良好，無絮凝現(xiàn)象，高溫高壓濾失為12.2 mL，性能良好。馬喜平等[16]同樣選取DMDAAC作為陽離子單體，通過自由基聚合，制備了兩性離子降濾失劑PAASDA，相較于傳統(tǒng)的SPNH、SMP等磺化降濾失劑，PAASDA性能更加突出下，2.0% PAASDA的鹽水基漿180 ℃老化后API濾失僅為9.8 mL，在復合鹽水聚磺鉆井液體系中，老化后API濾失為2.2 mL，高溫高壓濾失為8.2 mL，遠優(yōu)于其他降濾失劑。

疏水締合聚合物分子鏈中含有一定的疏水基團，疏水基團在水溶液中聚集產(chǎn)生締合作用形成網(wǎng)絡結構[17-19]，增強聚合物的抗溫耐鹽性能。盧興國等[20]以新型疏水締合聚合物SDH-N為主處理劑，研發(fā)了一套鉆井液體系，該體系140 ℃老化后API濾失3.9 mL，高溫高壓濾失8.4 mL，抗溫性能良好，該體系同時具備良好的抗Ca2+、Mg2+能力。馬喜平等[21]引入了長鏈烷烴，并通過季胺化制備了疏水性單體ADMA-16，并利用該單體與甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)、AM共聚合成了疏水締合聚合物PADA，室內(nèi)實驗表明該聚合物處理劑具備一定的抗溫抗鹽性能。張耀元等[22]通過引入疏水締合聚合物PL-5，配制了抗高溫無固相水基鉆井液體系，當老化溫度低于160 ℃時，該體系流變參數(shù)滿足現(xiàn)場應用需求，體系同時兼?zhèn)淞己玫囊种菩阅?。DF1-1氣田現(xiàn)場實驗證實，該體系抗溫性能優(yōu)越，成功解決了水平井長裸眼段的井壁穩(wěn)定與井眼凈化問題。

通過改善聚集態(tài)結構以提高水基鉆井液聚合物處理劑抗溫性能是近年來的研究熱點，已取得一定的成果，隨著高分子理論研究的不斷深入，改善聚集態(tài)結構對提高水基鉆井液聚合物處理劑抗溫性能意義重大。

2.3 添加納米材料

近年來，納米材料因其獨特的性能優(yōu)勢在石油工程中得到了廣泛的應用[23-25]，納米材料引入到水基鉆井液聚合物處理劑中，可有效改善處理劑的抗溫耐鹽等性能。

Mao等[26]以AM、AMPS以及苯乙烯(St)為主要原料，采用反相乳液聚合和溶膠-凝膠法制備了核殼結構疏水締合聚合物納米二氧化硅復合材料SDFL。實驗結果顯示，1%的SDFL濃度可使鉆井液濾失量明顯降低， 220 ℃老化16 h后，高溫高壓濾失量僅為16 mL，同時體系的流變性保持良好，分析認為，SDFL分子可使溶劑疏水締合，引入的無機二氧化硅納米粒子使二氧化硅的剛性和熱穩(wěn)定性與疏水締合共聚物的性能相結合，可以有效地保持鉆井液在高溫高壓下的粘度，從而起到降低濾失量的作用。 在超聲的協(xié)同作用下，Chang等[27]制備了木質素納米微球，并通過接枝AMPS與N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)合成了一種新型兩性聚合物降濾失劑，實驗結果表明，在260 ℃老化16 h后，含2.0%該降濾失劑的膨潤土基漿的濾失量僅為8.0 mL，抗溫性能優(yōu)異。Ma等[28]通過自由基聚合，成功的將AM、AMPS、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)接枝到了改性納米二氧化硅表面，形成了球形核殼結構共聚物降濾失劑PAAN-SiO2，實驗結果表明該降濾失劑具備優(yōu)異的抗溫抗鹽性能，同樣在180 ℃老化，含2%氯化鈣的基漿在加入質量分數(shù)為2%的PAAN-SiO2后，濾失量由186 mL降到6 mL，掃描電鏡顯示納米材料有效封堵了泥餅上的微孔，形成了薄而致密的泥餅，有效的降低了濾失。孫立君等[29]使用偶聯(lián)劑KH-550對納米二氧化硅進行了改性，并以其為原料通過自由基聚合制備的有機/無機鉆井液降濾失劑LJ-1，納米二氧化硅比表面積大，增大了LJ-1的熵對比熱的貢獻，使其更容易吸收熱量，從而提高了體系的抗溫性能，LJ-1加量為 3% 時，鹽水鉆井液體系高溫高壓濾失量為18.4 mL，性能優(yōu)于AAID等降濾失劑。

研究表明納米材料能夠顯著提高水基鉆井液處理劑抗溫性能，納米材料的粒徑、表面性質等特性對其性能存在一定的影響，需要繼續(xù)深入研究，隨著理論研究與生產(chǎn)工藝的發(fā)展，納米材料應用前景廣闊。

3 總結與展望

為滿足深部、超深部油氣資源勘探開發(fā)的要求，進一步提高水基鉆井液體系的抗高溫性能，近年來在抗高溫聚合物處理劑方面進行了一系列的研究，主要可總結為以下方面：①通過引入剛性基團或者大側鏈等方式增強優(yōu)化分子結構，顯著提高了聚合物處理劑的抗溫性能，新型高效抗溫單體有待進一步研究開發(fā)；②疏水締合、引入兩性離子等方式有利于改善聚合物處理劑的聚集態(tài)結構，提高了其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，可結合理論機理進一步深入研究；③納米材料粒徑小，比表面積大，通過接枝共聚等方式與聚合物形成復合材料，可提高水基鉆井液處理劑的抗溫性能，應用前景較廣。

目前，抗高溫水基鉆井液處理劑仍需進一步研發(fā)，應主要集中于以下幾個方面研究：①目前已有的抗溫單體較為單一，繼續(xù)研究難以形成較大突破，應擴大原料來源，開發(fā)新型高效抗溫單體，同時優(yōu)化反應過程，降低工業(yè)化生產(chǎn)難度，提高經(jīng)濟效益；②目前對環(huán)保的要求日益嚴格，無毒可降解的處理劑將成為研究熱點，應立足于天然環(huán)保材料，結合高分子理論，研發(fā)綠色環(huán)保聚合物處理劑。