一種水基鉆井液用高效能小分子抑制劑MVA的研究與應(yīng)用

王烊，王文海，王濤，李洪磊，竇文鵬，郭棟

（中海油能源發(fā)展股份有限公司山西分公司，山西 太原 030006）

頁巖地層中高嶺石和蒙脫石等黏土礦物占比大、陽離子交換容量高遇鉆井液中自由水易發(fā)生水化，導(dǎo)致井眼承壓能力減小、穩(wěn)定性差以及井壁失穩(wěn)等問題的產(chǎn)生。使用油基鉆井液體系可以有效緩解頁巖地層水化膨脹現(xiàn)象，但油基鉆井液成本高、環(huán)境污染大，亟需研發(fā)出適用于各區(qū)塊和地層的高性能水基鉆井液體系。抑制劑是水基鉆井液有效穩(wěn)定井壁的核心，研發(fā)能高效抑制黏土水化的抑制劑已經(jīng)成為當(dāng)下研究的重點。常規(guī)抑制劑大都為高分子聚合物，通過在黏土表面成膜等作用以及進入膨潤土顆粒內(nèi)部，起到穩(wěn)定井壁的作用，但高分子聚合物會導(dǎo)致黏土顆粒過度聚集，破壞黏土雙電層結(jié)構(gòu)，使得鉆井液應(yīng)用效果變差。針對以上問題，本文以水熱自由基聚合法合成一種低分子量的線性共聚物MVA，并對其抑制和機理進行了探索，輔以其他處理劑，優(yōu)化出適用于吐哈區(qū)塊地質(zhì)條件的水基鉆井液體系，并對其應(yīng)用效果進行了評價。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

主要實驗藥品：二甲基二烯丙基氯化銨、過硫酸銨、丙烯酰胺以及乙酸乙烯酯均為分析純級。膨潤土由夏子街膨潤土有限責(zé)任公司所提供，巖屑由吐哈油田提供。

1.2 結(jié)構(gòu)與性能測試

1.2.1 質(zhì)子核磁共振波譜（1H NMR）

MVA采用Bruker AVANCE 600M核磁共振(NMR)波譜儀測試。使用重水（D2O）作為溶劑，溶劑的殘余質(zhì)子（δ=4.79 ppm）校準光譜。

1.2.2 熱重分析（TG）

使用NETZSCH STA 449F5/F3 Jupiter熱重/差熱同步分析儀測試MVA抗溫性能，50～800℃，升溫速度10℃ /min。

1.2.3 平均分子量

使用島津LC20凝膠色譜儀測量MVA的重均分子量。柱溫為室溫25℃，采用濃度為0.1mol/L的NaNO3水溶液作為流動相，流速為每分鐘1ml。

1.2.4 線性膨脹實驗

通過線性膨脹實驗在室溫下評價了MVA對膨潤土分散的抑制性能。在室溫下，用CPZ-2雙通道線性膨脹儀在含有不同量MVA的溶液中進行MMT線性膨脹實驗。將5g膨潤土倒入模具中，并在10MPa下保持5min，然后將其在溶液中浸泡24h。

1.2.5 滾動回收實驗

通過滾動回收實驗，評價了高溫下MVA對頁巖巖屑分散的抑制性能。將1700～3350μm之間的頁巖巖屑（20g）和350ml抑制劑溶液倒入老化罐中。然后高溫?zé)釢L。冷卻至室溫后，用380μm的篩子篩選剩余的頁巖巖屑，并用純水反復(fù)清洗。最后，回收的巖屑在75℃下干燥12h并稱重。頁巖回收率通過以下公式計算。

式中，m1是熱滾前的頁巖巖屑質(zhì)量；m2是熱滾后剩余的頁巖巖屑質(zhì)量。

1.2.6 膨潤土造漿實驗

（1）在高攪杯中配制質(zhì)量分數(shù)為2%的MVA溶液400mL。

（2）在轉(zhuǎn)速為5000r/min攪拌下依次加入4%的膨潤土，攪拌30min。

（3）將高腳杯從高速攪拌機上取下，在六速黏度計上進行測量。

（4）重復(fù)步驟（2）、（3）。

（5）通過式2、3、4計算得出動切力的大小，然后進行繪圖。

式中，PV為塑性粘度，MPa·s；AV為表觀黏度，MPa·s；YP為動切力，Pa。

2 抑制劑MVA的研制

2.1 MVA合成

水浴鍋溫度保持在69℃，并將加入一定量蒸餾水的三口燒瓶固定在水浴鍋中，然后把按照所需比例混合均勻的丙烯酰胺（AM）、二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）以及引發(fā)劑加入三口燒瓶中，同時，用恒壓漏斗將乙酸乙烯酯（VAc）滴加到三口燒瓶中（保持在1h滴完），在此過程中，一直保持無氧條件且攪拌機的轉(zhuǎn)速為300r/min，反應(yīng)1h后得到所需產(chǎn)物。

2.2 MVA表征

2.2.1 核磁共振氫譜（1H NMR）

MVA核磁共振氫譜可知：-3.85ppm（a）是Vac單體中CH-O的質(zhì)子處的化學(xué)位移。在-3.23和-3.12ppm處的雙峰b和c分別對應(yīng)于DMDAAC單元季銨鹽基團中CH2-N和CH3-N質(zhì)子的化學(xué)位移。-2.63ppm（e）是AM結(jié)構(gòu)單元中的-CH-質(zhì)子的化學(xué)位移。因此，核磁共振氫譜表明MVA是DMDAAC、AM、Vac三種單體的共聚物。

2.2.2 熱重實驗（TG）

熱重是評價聚合物熱穩(wěn)定性的常用方法。初期階段50～241.39℃。在此溫度范圍內(nèi)，熱分解速率相對較慢，MVA的分解量較小。熱分解的主要原因是自由水在吸收熱量后蒸發(fā)。中期階段為241.39～319.27℃。在此溫度范圍內(nèi)，熱分解的主要原因結(jié)合水以及一些官能團的分解和吸附在表面的低分子物質(zhì)的去除。第三階段為319.27～429.76℃。在此溫度范圍內(nèi)，熱分解速率急劇增加，然后急劇下降，且MVA的分解量較大。熱分解的主要原因是當(dāng)溫度超過319.27℃時，MVA不能抵抗高溫并開始分解。溫度越高，MVA的解離度越大。當(dāng)溫度高于429.76℃時，TG曲線基本保持水平，表明MVA已完全降解。因此，MVA在319.27℃以下具有良好的熱穩(wěn)定性。

2.2.3 凝膠色譜實驗（GPC）

MVA的相對分子質(zhì)量為4236，符合本抑制劑分子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計。MVA具有較小的相對分子質(zhì)量，因此，對鉆井液體系流變影響較小。

3 抑制劑MVA的性能評價

3.1 線性膨脹實驗

采用線性膨脹實驗，對比分析MVA對膨潤土巖心膨脹高度的影響，線性膨脹高度越低，則表明井壁穩(wěn)定劑抑制效果越好，加入MVA抑制劑后，膨潤土巖心線性膨脹高度相對于清水中均有明顯減小，并且隨著浸泡時間的增長，膨潤土巖心膨脹高度逐漸趨于平衡，在12h以后膨脹高度基本不再變化，加入2%MVA溶液后膨潤土巖心膨脹高度最低，在24h后膨脹高度僅為2.68mm。

3.2 頁巖巖屑滾動回收實驗

采用頁巖巖屑滾動回收實驗，對比頁巖巖屑在不同濃度MVA溶液中的滾動回收率，頁巖巖屑在2%MVA溶液中滾動回收率達88.79%，相對蒸餾水溶液中的提高了兩倍，抑制頁巖巖屑分散效果明顯。

3.3 抑制造漿實驗

通過抑制造漿實驗，考察MVA抑制膨潤土造漿的容量。在相同膨潤土加量的條件下，清水中加入膨潤土后動切力的值最大；在聚合醇溶液中，溶液的動切力相對于清水有明顯減小對膨潤土造漿過程有一定的抑制效果，在聚DMDAAC和聚醚胺的溶液中，當(dāng)膨潤土的加量同樣為20%時，動切力相比聚合醇溶液更低。而在MVA溶液中，當(dāng)膨潤土加量為20%時，動切力僅為36MPa·s，比相同膨潤土加量下其他幾種井壁穩(wěn)定劑的動切力都低，表明MVA對膨潤土的造漿具有很好的抑制效果。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2013年至今，吐哈油田在鉆遇斷層、破碎地層時，經(jīng)常出現(xiàn)坍塌、卡鉆等現(xiàn)象，嚴重制約深井、超深井鉆井提速步伐；目前，常用鉆井液體系在鉆遇破碎易塌地層時，主要通過封堵、填充等方式強化井壁，但無法從根本上實現(xiàn)對井壁破碎巖石的封堵固結(jié)以及改善巖石內(nèi)聚力的效果。

針對以上問題，以MVA抑制劑為核心處理劑，輔以降濾失劑、加重劑等其他必要處理劑，形成了一套水基鉆井液體系，并對其流變性、濾失造壁性和頁巖抑制性進行系統(tǒng)評價。優(yōu)化出適用于吐哈地區(qū)鉆井的高性能水基鉆井液體系。高性能水基鉆井液配方為：4%土 漿+0.2%燒 堿+2%PSC-1+2%DBFT-201+1%HS-2+0.5%MV-CMC+0.1%大鉀+2%MVA抑制劑270g重晶石（密度：1.42g/cm3）。

4.1 鉆井液體系基本性能評價

通過水基鉆井液體系的流變性能評價數(shù)據(jù)，可以看出，體系老化前后表觀黏度數(shù)據(jù)變化較小、鉆井液體系切力較大懸浮巖屑能力較強、經(jīng)120℃高溫老化16h后高溫高壓濾失量僅為6.2ml，可有效抑制井壁水化。

4.2 鉆井液體系抑制性評價

取吐哈油田三塘湖區(qū)塊現(xiàn)場鉆井巖屑進行滾動回收實驗，實驗結(jié)果可知，體系的巖屑回收率達到93%，滾動后的巖屑細小顆粒較少，巖屑的棱角清晰可見。通過實驗可以看出，該體系能有效防止井筒井壁剝落掉塊和失穩(wěn)的情況發(fā)生。取現(xiàn)場大塊巖屑分別浸泡在清水和鉆井液體系濾液中，浸泡結(jié)果所示，巖屑在清水中浸泡16h后分散嚴重；而鉆井液濾液中浸泡16h后未發(fā)生分散。通過實驗可以看出，該體系具有良好的抑制井壁剝落掉塊的作用。

以MVA為主要處理及形成的高性能水基鉆井液技術(shù)已在吐哈區(qū)塊井規(guī)模應(yīng)用多口高難度井，有效解決了吐哈油田鉆井過程中井壁剝落掉塊和失穩(wěn)的情況，成為吐哈油田特色鉆井液技術(shù)。在玉北12-21井、8-23井、7-22井使用該體系鉆井期間，鉆井液性能穩(wěn)定，防塌能力強，分別順利鉆穿32套煤層，煤系地層起下鉆順利，井徑擴大率分別為14.18%、13.65%以及12.93%，無復(fù)雜事故發(fā)生。

5 結(jié)語

針對常規(guī)鉆井液用抑制劑增黏嚴重這一問題研發(fā)的低分子量MVA抑制劑，其作用機理主要由3部分組成：由于MVA分子較小且?guī)в姓姾赡軌蜻M入黏土顆粒晶層內(nèi)部，置換出層間金屬陽離子，增加水分子進入晶層阻力，起到抑制水化的效果；MVA分子內(nèi)含有多個化學(xué)基團易與黏土表面通形成離子鍵和氫鍵從而減少水分子在膨潤土表面的吸附點位，減弱黏土表面水化作用；同時，由于其分子量較小，并不會對黏土形成過度聚集，同時，在鉆井液體系當(dāng)中小分子聚合物可以與大分子聚合物締合，有效減小聚合物對鉆井液體系流變性能的影響；以陽離子兩性抑制劑（MVA）為主要處理劑，輔以其他處理劑，優(yōu)化出適用于吐哈區(qū)塊地質(zhì)條件的水基鉆井液體系。在吐哈油田三塘湖區(qū)塊應(yīng)用，該鉆井液體系抑制性能良好，防塌能力強；利用該體系有效解決了吐哈油田鉆井過程中井壁失穩(wěn)、鉆速慢、成本高等技術(shù)難題，有效保障安全、高效的鉆井需求。