一種高密度無黏土低固相鉆井液體系研究

高陽　鄧亞慧　周書勝

摘????? 要： 為了滿足高溫高壓鉆井以及降低鉆井液對(duì)儲(chǔ)層巖心的傷害，研究了一種高密度無黏土低固相鉆井液體系，通過以丙烯酸和乙酸乙烯酯為原料制備一種分散劑FX-1來提高高密度無黏土低固相鉆井液體系的穩(wěn)定性。結(jié)果表明：分散劑FX-1使碳酸鈣表面的Zeta電位的絕對(duì)值增大，其分子吸附在碳酸鈣表面，羧酸基團(tuán)使Zeta 電位絕對(duì)值升高，提高了碳酸鈣顆粒（加重劑）的沉降穩(wěn)定性和水化能力。含有2%分散劑FX-1的高密度無黏土低固相鉆井液體系在150 ℃下靜置3天后未出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，表明該體系在高溫條件下具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。另外，高密度無黏土低固相鉆井液污染巖心后采用直接返排的方式測(cè)試巖心滲透率恢復(fù)率為83.65%，表明該體系具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

關(guān)? 鍵? 詞：低固相鉆井液；分散性能；儲(chǔ)層保護(hù)；沉降穩(wěn)定性能；Zeta電位值

中圖分類號(hào)：TE254⁺.1?? ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）11-1561-04

隨著中淺層常規(guī)油氣資源大規(guī)?？碧介_發(fā)，油氣田資源逐漸減少，促使鉆探工作向深部地層油氣資源投入。深部地層鉆井使鉆井液技術(shù)面臨著挑戰(zhàn)，尤其對(duì)于具有很高儲(chǔ)存保護(hù)要求的裸眼完井而言，對(duì)鉆井液技術(shù)要求更高^[1-5]。為了提高鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)性能，常采用無固相鉆井液，其主要成分為聚合物處理劑和可溶鹽（作為加重劑），解除了黏土和重晶石等固相堵塞儲(chǔ)層巖石孔隙的風(fēng)險(xiǎn)^[6-8]。基于可溶鹽與聚合物的配伍性以及經(jīng)濟(jì)成本考慮，常選用甲酸鉀、甲酸鈉、氯化鈉和氯化鉀作為無固相鉆井液加重劑，其中甲酸鉀使鉆井液的密度最高為?? 1.6 g·cm^{-3 [9]}。為了進(jìn)一步提高鉆井液密度，同時(shí)保證儲(chǔ)層保護(hù)性能，通常加入可酸溶碳酸鈣形成高密度無黏土低固相鉆井液體系來滿足鉆井要求，但大量碳酸鈣加入不利于鉆井液的沉降穩(wěn)定性以及流變性控制，尤其在高溫條件下鉆井液中的碳酸鈣沉降問題更為明顯，嚴(yán)重影響鉆井安全，易造成鉆井?? 事故^[10]。

基于此，本文研究以丙烯酸和乙酸乙烯酯為原料制備分散劑，應(yīng)用于高密度無黏土低固相鉆井液中，并評(píng)價(jià)該鉆井液的沉降穩(wěn)定性能、流變性以及儲(chǔ)層保護(hù)性能。

1? 實(shí)驗(yàn)方法

1.1? 主要材料和儀器

NaOH、Na₂CO₃、丙烯酸、乙酸乙烯酯、異丙醇，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司；過硫酸銨，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；甲酸鉀，工業(yè)級(jí)，成都市科隆化學(xué)品有限公司；碳酸鈣，工業(yè)級(jí)，常州碳酸鈣有限公司；改性黃原膠增黏劑VIS-B、改性淀粉STAR-FLO、聚合物高溫穩(wěn)定劑MG-H、隱形酸HTA，工業(yè)級(jí)，荊州嘉華科技有限公司。

Nicolet710傅里葉變換紅外光譜儀，美國Nicolet公司；GJS-B12K高速攪拌機(jī)、ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島海通達(dá)專用儀器有限公司; GW300型高溫滾子加熱爐，青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司；DGX型電熱恒溫干燥箱，上海?，攲?shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；LS-609激光粒度儀，珠海歐美克儀器有限公司；Zetaplus型Zeta電位儀，美國Brookhaven公司。

1.2? 分散劑的制備與表征

采用自由基水溶液聚合方式制備分散劑FX-1，具體制備步驟：在裝有溫度計(jì)、回流冷凝管、攪拌器的圓底燒瓶中，加入一定量的蒸餾水和異丙醇（鏈轉(zhuǎn)移劑），恒溫水浴加熱至70 ℃，再稱取一定量的丙烯酸單體、乙酸乙烯酯加入圓底燒瓶中，采用NaOH顆粒調(diào)至pH為7～8，攪拌條件下充分混合，通30 min氮?dú)馐箞A底燒瓶處于無氧狀態(tài)，向圓底燒瓶中逐步滴加少量的過硫酸銨（引發(fā)劑），攪拌下恒溫反應(yīng)3 h，反應(yīng)完后通過減壓蒸餾進(jìn)行提純，最后得到一種黏性的、淡黃色的透明液體即分散劑FX-1，通過紅外光譜儀中的反射法對(duì)分散劑FX-1進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

1.3? 分散劑對(duì)加重劑表面Zeta電位的影響

將不同粒徑大小的碳酸鈣作為高密度無黏土低固相鉆井液的加重劑，為了評(píng)價(jià)分散劑對(duì)碳酸鈣在鉆井液中的分散穩(wěn)定性。將碳酸鈣配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的懸浮液（懸浮液配方：淡水+0.25%NaOH +0.4%VIS-B+分散劑FX-1），因此采用Zeta電位儀測(cè)試碳酸鈣表面Zeta電位值。

1.4? 高密度無黏土低固相鉆井液配制與性能測(cè)試

高密度無黏土低固相鉆井液基礎(chǔ)配方：淡水+0.25%NaOH+0.25%Na₂CO₃+0.4%VIS-B+2.0%MG-H+4.0%STAR-FLO，采用甲酸鉀加重至1.6 g·cm^-3，再通過碳酸鈣加重至1.9 g·cm^-3。高密度無黏土低固相鉆井液的密度、流變性、濾失性能參考《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 第1部分：水基鉆井液》 （GB/T16783.1—2014）。評(píng)價(jià)其儲(chǔ)層保護(hù)性能參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鉆井液與完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6540—2002）。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 分散劑FX-1結(jié)構(gòu)表征

采用紅外光譜儀測(cè)試分散劑FX-1的外紅光譜，結(jié)果見圖1。由圖1可知，2 931 cm^-1出現(xiàn)羧酸中的羥基的強(qiáng)吸收峰，為羧酸的最主要特征峰，可與其他羰基化合物區(qū)分，同時(shí)能與其他羥基化合物如醇、酚的區(qū)別（后者的羥基強(qiáng)吸收峰在3 300 cm^-1）；??? 1 752 cm^-1出現(xiàn)羧酸中羰基的伸縮振動(dòng)峰；1 190、?? 1 014 cm^-1出現(xiàn)酯基中—C—O—C的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰；目標(biāo)分子官能團(tuán)的吸收峰均在圖中顯示。分析表明，合成產(chǎn)物為分散劑FX-1分子。

2.2? 分散劑對(duì)碳酸鈣表面Zeta電位的影響

采用激光粒度儀對(duì)不同型號(hào)的碳酸鈣粒徑大小進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見圖2，并將3種不同粒徑的碳酸鈣分散在懸浮液中（懸浮液配方：淡水+0.25%NaOH +0.4%VIS-B+分散劑FX-1），采用Zeta電位儀測(cè)試碳酸鈣表面Zeta電位值，數(shù)據(jù)見圖3。

由圖2和圖3可知，碳酸鈣TSG-1、TSG-2、TSG-3的中值粒徑D₅₀分別為43.22、22.97、6.55 μm，隨著分散劑FX-1加量增加，碳酸鈣表面的Zeta電位的絕對(duì)值逐漸增大，分散劑分子吸附在碳酸鈣表面，使其表面通過表面基團(tuán)的電離或帶電粒子的吸附而獲得表面電荷^[11]。由于分散劑分子含有大量的羧酸基團(tuán)，提高了碳酸鈣顆粒單位面積內(nèi)帶電電荷，使Zeta 電位絕對(duì)值升高，表明分散劑FX-1有助于碳酸鈣顆粒（加重劑）的沉降穩(wěn)定性和水化能力^[12]。

2.3? 碳酸鈣加重時(shí)分散劑對(duì)鉆井液性能的影響

以不同粒徑的碳酸鈣作為加重劑，按照上述基礎(chǔ)配方配制鉆井液，分別加入2%FX-1，評(píng)價(jià)該分散劑對(duì)高密度無黏土低固相鉆井液的流變性能以及濾失量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，采用不同粒徑的碳酸鈣作為加重劑配制的1.9 g·cm^-3鉆井液，隨著碳酸鈣的粒徑逐漸變小，使鉆井液的濾失量逐漸降低，但鉆井液黏度、切力上漲明顯，鉆井液流動(dòng)性變差。另外，分散劑FX-1加入，均使不同粒徑碳酸鈣配制的鉆井液的濾失量降低以及黏度、切力下降，表明分散劑FX-1提高了碳酸鈣加重劑的分散性能，從數(shù)據(jù)綜合分析，選用TSG-2作為高密度無黏土低固相鉆井液的加重劑。

2.4? 分散劑對(duì)鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響

以TSG-2作為加重劑，按照上述基礎(chǔ)配方配制鉆井液，評(píng)價(jià)不同加量的分散劑FX-1對(duì)高密度無黏土低固相鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)條件為：鉆井液在150 ℃下靜置3天，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可知，在未加分散劑FX-1條件下，碳酸鈣顆粒在較高溫度下由于分子間作用力易出現(xiàn)聚集，出現(xiàn)嚴(yán)重的沉降現(xiàn)象^[13]。隨著分散劑的加入，提高了碳酸鈣顆粒的Zeta電位的絕對(duì)值，使顆粒之間的斥力增大，降低了顆粒之間的聚集，提高了鉆井液的穩(wěn)定性能。

2.5? 高密度無黏土低固相鉆井液的儲(chǔ)層保護(hù)性能

將高密度無黏土低固相鉆井液（配方：淡水+0.25%NaOH+0.25%Na₂CO₃+0.4%VIS-B+2.0%MG-H+4.0%STAR-FLO+2.0%FX-1+甲酸鉀+TSG-2至密度1.9 g·cm^-3）以高溫高壓動(dòng)態(tài)污染的方式對(duì)露頭巖心進(jìn)行污染后，分別采用直接返排的方式、簡易隱形酸完井液（3%HTA）完井測(cè)試巖心滲透率恢復(fù)率，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，高密度無黏土低固相鉆井液污染巖心后采用直接返排的方式測(cè)試巖心滲透率恢復(fù)率為83.65%，表明該體系具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果；采用簡易隱形酸完井液溶解以碳酸鈣為主的泥餅，能夠進(jìn)一步解除傷害，保護(hù)儲(chǔ)層，使巖心滲透率恢復(fù)率提高至96.31%。

3? 結(jié) 論

1）分散劑FX-1使碳酸鈣表面的Zeta電位的絕對(duì)值增大，分散劑分子吸附在碳酸鈣表面，使其表面通過表面基團(tuán)的電離或帶電粒子的吸附而獲得表面電荷，由于分散劑分子含有大量的羧酸基團(tuán)，提高了碳酸鈣顆粒單位面積內(nèi)帶電電荷，使Zeta 電位絕對(duì)值升高，表明分散劑FX-1有助于碳酸鈣顆粒（加重劑）的沉降穩(wěn)定性和水化能力。

2）碳酸鈣的粒徑變小使鉆井液的濾失量逐漸 降低，提高了鉆井液的封堵性能，但鉆井液黏度、切力上漲明顯，鉆井液流動(dòng)性變差，選擇適中粒徑的碳酸鈣有助于鉆井液性能的調(diào)控，含有分散劑的高密度無黏土低固相鉆井液在較高溫度下有效避免碳酸鈣顆粒聚集沉降問題，且具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)性能。

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Study on a Clay-free Drilling Fluid System With High Density and Low Solid Content

GAO Yang， DENG Ya-hui ， ZHOU Shu-sheng

（Jingzhou Jiahua Technology Co.， Ltd.， Jingzhou Hubei 434000， China）

Abstract：? In order to meet the requirements of HPHT drilling and reduce the damage of drilling fluid to reservoir core， a clay-free drilling fluid system with high density and low solid content was studied. A dispersant FX-1 was prepared by using acrylic acid and vinyl acetate as raw materials to improve the stability of the clay-free drilling fluid system with high density and low solid content. The experimental results showed that the dispersant FX-1 increased the absolute value of Zeta potential on the surface of calcium carbonate， its molecules adsorbed on the surface of calcium carbonate， carboxylic acid group increased the absolute value of Zeta potential， and improved the settlement stability and hydration ability of calcium carbonate particles （the weight agent）. The clay-free drilling fluid system with high density and low solid content containing 2% dispersant FX-1 did not settle after standing at 150 ℃ for 3 d， indicating that the system had excellent stability at high temperature. In addition， the permeability recovery rate of core polluted by the clay-free drilling fluid system with high density and low solid content was 83.65% by direct flowback test， indicating that the system had good reservoir protection effect.

Key words： Drilling fluid with low solid content; Dispersion performance; Reservoir protection; Settlement stability performance;? Zeta potential value