一種無固相儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液體系研究

摘" " " 要：針對(duì)裂縫、低孔低滲儲(chǔ)層鉆進(jìn)過程中，鉆井液膠體堵塞裂縫和孔隙，導(dǎo)致膠體無法有效返排，影響后期油氣田的產(chǎn)能恢復(fù)。采用接枝共聚法，以玉米淀粉為原料、苯乙烯磺酸鈉（SS）、二烯丙基二甲基氯化銨（DMDAAC）和N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）為接枝單體制備了一種抗溫低黏度降濾失劑JL-HT，通過紅外光譜、表面形貌對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并與關(guān)鍵處理劑復(fù)配配制出無固相儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液體系。結(jié)果表明，抗溫基團(tuán)、剛性基團(tuán)可有效提高降濾失劑的熱穩(wěn)定性。通過降濾失劑的加量、抗氧化劑來控制無固相鉆井液熱穩(wěn)定性，滿足鉆井需求。鉆井液膠體在巖心中長(zhǎng)時(shí)間靜置，可有效熱分解，解決了常規(guī)無固相鉆井液漏失到裂縫性儲(chǔ)層或堵塞孔隙而造成膠體返排困難的問題。

關(guān)" 鍵" 詞：水基鉆井液； 儲(chǔ)層保護(hù)； 酸解淀粉； 無固相

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）06-0791-04

隨著工業(yè)迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)能源消耗逐年上漲，為了保障國(guó)家能源安全，需要增大油氣鉆探與開采力度，同時(shí)保證油氣有效開采效率[1-3]。提高單井產(chǎn)能往往采用水平井裸眼完井方式，但該技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)要求極高，傳統(tǒng)鉆井液中的固相（重晶石、膨潤(rùn)土）對(duì)儲(chǔ)層的傷害是難以清除，導(dǎo)致油氣產(chǎn)量顯著下降[4-5]。為了解決上述問題，儲(chǔ)層鉆進(jìn)中采用無固相鉆井液，但對(duì)于裂縫性碳酸鹽儲(chǔ)層，鉆井液沿著裂縫進(jìn)入深部后進(jìn)而堵塞儲(chǔ)層裂縫通道，影響后期油氣田的產(chǎn)能恢復(fù)[6]。另外，對(duì)于低孔低滲油氣藏，鉆井液中聚合物處理劑堵塞近井地帶的孔隙與微裂縫，由于毛細(xì)管壓力作用下使膠體返壓難點(diǎn)增大，即便采用酸化等增產(chǎn)作業(yè)，仍無法有效恢復(fù)儲(chǔ)層滲透率[7]。目前所研究的無固相鉆井液具有井壁穩(wěn)定、耐泥巖污染、易降解、生物毒性低等特點(diǎn)，其缺點(diǎn)為鉆井液膠體堵塞儲(chǔ)層裂縫、孔喉，不易自動(dòng)破膠，使膠體返排困難，影響儲(chǔ)層保護(hù)以及后期油氣田產(chǎn)能[8-10]。無固相鉆井液在裂縫、低孔低滲儲(chǔ)層中自動(dòng)降解性能研究相關(guān)報(bào)道甚少，本文采用功能單體改性酸解淀粉，制備具有低黏度效應(yīng)降濾失劑，通過改變降濾失劑加量、抗氧化劑來調(diào)整無固相鉆井液的穩(wěn)定性以及可降解性能。

1" 實(shí)驗(yàn)部分

1.1" 主要原料和儀器

玉米淀粉，工業(yè)級(jí)，上海鼓臣生物技術(shù)有限公司；苯乙烯磺酸鈉（SS）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、二烯丙基二甲基氯化銨（DMDAAC）、過硫酸銨、乙醇，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司；NaOH、HCl、Na2CO3，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；HCOOK，工業(yè)級(jí)，濟(jì)寧棠邑化工有限公司；羥丙基淀粉（HPS）、羧甲基淀粉（CMS），工業(yè)級(jí)，河北茂源化工有限公司；流型調(diào)節(jié)劑AH-HT，抗氧化劑YH-1，聚合物高溫穩(wěn)定劑GH-HT，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(guó)Nicolet公司；S4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司；GW300高溫滾子加熱爐，青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司；GJSS-B12K變頻高速攪拌機(jī)，青島同春石油儀器有限公司；JHDS高溫高壓動(dòng)失水儀、LDY50-180型巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，南通儀創(chuàng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、SD3中壓濾失儀，青島創(chuàng)夢(mèng)儀器有限公司。

1.2" 降濾失劑JL-HT的制備

淀粉的預(yù)處理：分別取100 g玉米淀粉、75 mL稀鹽酸（濃度為0.3 mol/L）依次加入裝有攪拌器的圓底燒瓶中，水浴加熱至50 ℃，恒溫條件下攪拌7 h，得到粗產(chǎn)物，通過抽濾、干燥得到酸解淀粉。

改性淀粉降濾失劑JL-HT的制備：稱取40 g上述酸解淀粉以及適量的去離子水加入裝有攪拌器、冷凝管的三口圓底燒瓶中，依次加入10 g 苯乙烯磺酸鈉（SS）、5 g N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）、5 g 二烯丙基二甲基氯化銨（DMDAAC），采用NaOH調(diào)節(jié)溶液的pH至7，水浴加熱至70 ℃，通氮?dú)?.5 h后加入少量引發(fā)劑過硫酸銨，恒溫?cái)嚢钘l件下反應(yīng)4 h后，通過乙醇提純、抽濾干燥，最終得到改性淀粉降濾失劑JL-HT。

1.3" 降濾失劑JL-HT結(jié)構(gòu)分析

取適量樣品與KBr按1∶100研磨混合均勻，壓片制樣，通過紅外光譜儀對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。采用掃描電子顯微鏡對(duì)改性淀粉JL-HT的表面形貌進(jìn)行表征，觀察其改性前后表面形貌的變化。

1.4" 無固相儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液性能評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)無固相鉆井液熱滾前后的流變性、濾失性，具體參考GB/T 16783.1—2014《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》；評(píng)價(jià)無固相鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能，具體參考SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》，通過六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試無固相鉆井液靜置后的表觀黏度，來表征無固相鉆井液降解性能。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 結(jié)構(gòu)表征

采用紅外光譜儀測(cè)試降濾失劑JL-HT的外紅光譜見圖1。

從圖1可知，1 710 cm-1處出現(xiàn)磺酸基的振動(dòng)吸收峰；1 202 cm-1處出現(xiàn)淀粉醚鍵的特征峰；1 378 cm-1處出現(xiàn)季銨鹽中C-N鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰; 1 015 cm-1處出現(xiàn)苯環(huán)上碳骨架振動(dòng)吸收峰；2 905 cm-1處出現(xiàn)苯環(huán)上C-H特征吸附峰；1 448 cm-1出現(xiàn)剛性五元環(huán)的特征吸收峰；3 350 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)而寬的-OH伸縮振動(dòng)吸收峰。這說明三種聚合單體改性酸解淀粉成功，合成產(chǎn)物即為目標(biāo)產(chǎn)物。

2.2" 表面形貌分析

采用掃描電子顯微鏡分別對(duì)酸解淀粉、改性淀粉JL-HT顆粒形貌進(jìn)行分析，其SEM圖見圖2。

從圖2可知，酸解淀粉的顆粒狀態(tài)分布比較松散，且淀粉表面較為圓滑；而改性后的淀粉JL-HT表面變得十分粗糙，受多功能單體接枝，顆粒之間聚集在一起，其原因?yàn)榻又误w改變淀粉顆粒的表面性能，在淀粉分子中引入了親水基團(tuán)（磺酸基、季銨基團(tuán)），大量的親水基團(tuán)容易吸水溶脹而堵塞濾餅的孔隙，有利于提高改性淀粉的降濾失性能[11]。

2.3" 無固相儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液基礎(chǔ)性能評(píng)價(jià)

無固相儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液基礎(chǔ)配方：淡水+0.3%NaOH+0.3%Na2CO3+4%降濾失劑+2.0%流型調(diào)節(jié)劑AH-HT+3%高溫穩(wěn)定劑GH-HT+ HCOOK（加重劑），體系密度為1.30 g/cm3。體系中改變降濾失劑種類，測(cè)試該體系在170 ℃條件下熱滾前后流變性、濾失量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

從表1可知，由酸解淀粉配制無固相鉆井液熱滾前后黏度、切力變化最大，經(jīng)過高溫?zé)釢L后，酸解淀粉基本分解，導(dǎo)致鉆井液濾失量顯著增大；羥丙基淀粉HPS和羧甲基淀粉CMS分別配制的無固相鉆井液熱滾后具有一定的黏度，但濾失量仍大于10 mL，難以滿足鉆井需求。改性淀粉降濾失劑JL-HT配制的無固相鉆井液熱滾前后黏度、切力變化小、濾失量小，說明酸解淀粉引入剛性基團(tuán)（雜環(huán)、苯環(huán)）可以提高分子鏈的剛性，增加分子在高溫下的運(yùn)動(dòng)阻力，以及引入抗高溫基團(tuán)，使改性淀粉具有良好的抗高溫性能[12]。

2.4" 降濾失劑加量對(duì)無固相鉆井液穩(wěn)定性影響

無固相儲(chǔ)層保護(hù)鉆井液在裂縫、孔隙中的降解性能對(duì)鉆井完井周期以及儲(chǔ)層保護(hù)效果影響甚大。因此，通過改變降濾失劑JL-HT加量影響鉆井液膠體熱穩(wěn)定性。采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試鉆井液黏度來表征其降解性能。將降濾失劑分別按照上述基礎(chǔ)配方配制無固相鉆井液，裝入老化罐中置于溫度為170 ℃恒溫干燥箱中，靜置不同時(shí)間后測(cè)其黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3可知，在不加降濾失劑JL-HT的無固相鉆井液170 ℃下靜置1 d后，其表觀黏度僅為4 mPa·s，表明該鉆井液基本上全部降解。由4%降濾失劑JL-HT配制的鉆井液靜置4天后降解完成，將JL-HT加量增加至6%，可使鉆井液降解時(shí)間延長(zhǎng)至7 d。從圖3數(shù)據(jù)分析，鉆井液中降濾失劑含量增大，可提高流型調(diào)節(jié)劑與其的協(xié)同效應(yīng)，使鉆井液膠體熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，且對(duì)鉆井液黏度影響小，避免了鉆井過程中造成激動(dòng)壓力不利于井壁穩(wěn)定。降濾失劑分子中抗高溫基團(tuán)、雜環(huán)結(jié)構(gòu)使鉆井液熱穩(wěn)定性提高，延長(zhǎng)鉆井液自降解時(shí)間。通過上述分析，可將無固相鉆井液定時(shí)降解性能控制在4～7 d。

2.5" 抗氧化劑對(duì)無固相鉆井液穩(wěn)定性影響

對(duì)于水平井儲(chǔ)層鉆井作業(yè)時(shí)，鉆井周期長(zhǎng)，需延長(zhǎng)鉆井液降解時(shí)間。通過在鉆井液中加入抗氧化劑，降低鉆井液中的溶解氧，避免生成過氧化物破環(huán)聚合物分子鏈，提高鉆井液網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。按照上述基礎(chǔ)配方配制無固相鉆井液，加入抗氧化劑YH-1，裝入老化罐中置于溫度為170 ℃恒溫干燥箱中，靜置不同時(shí)間后測(cè)其黏度，評(píng)價(jià)抗氧化劑對(duì)鉆井液熱穩(wěn)定的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。從圖4可知，抗氧化劑YH-1加入可提高無固相鉆井液的熱穩(wěn)定性，使鉆井液在170 ℃高溫下靜置10 d后基本上全部降解，延長(zhǎng)了鉆井液降解時(shí)間。其原因?yàn)榭寡趸瘎℡H-1加入消耗了鉆井液中的溶解氧，抑制了在高溫下產(chǎn)生烷基自由基與溶解氧所形成的過氧化物，從而達(dá)到保護(hù)鉆井液膠體的目的。

2.6" 無固相鉆井液儲(chǔ)層保護(hù)性能

參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6540—2002《鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法》評(píng)價(jià)無固相鉆井液體系的儲(chǔ)層保護(hù)性能，采用高溫高壓動(dòng)態(tài)污染的方式用無固相鉆井液體系（配方為： 淡水+0.3%NaOH+0.3%Na2CO3+6%JL-HT+2.0%AH-HT+3%GH-HT+HCOOK（加重劑），體系密度為1.30 g/cm3）污染人造巖心，170 ℃持續(xù)污染0.5 d和7 d，并采用直接返排的方式測(cè)試滲透率恢復(fù)率（巖心污染端不進(jìn)行切面處理或完井處理），評(píng)價(jià)鉆井液在降解時(shí)間與儲(chǔ)層保護(hù)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

從表2可知，鉆井液在短時(shí)間污染巖心后，由于其黏度仍然較高，近井地帶（污染段）存在污染，直接返排滲透率恢復(fù)率僅為85%左右，存在一定程度污染。而高溫靜置7 d后，鉆井液膠體熱降解后，對(duì)儲(chǔ)層影響較小，其滲透率恢復(fù)率超過95%，解決了常規(guī)無固相鉆井液漏失到裂縫性儲(chǔ)層以及堵塞孔隙而造成膠體返排困難的問題，提高后續(xù)完井作用效率。

3" 結(jié) 論

1）基于接枝共聚法，以酸解淀粉為原料，苯乙烯磺酸鈉（SS）、二烯丙基二甲基氯化銨（DMDAAC）和N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）為接枝單體制備了一種抗溫低黏度改性淀粉降濾失劑JL-HT，引入抗溫基團(tuán)、剛性基團(tuán)可提高降濾失劑的熱穩(wěn)定性。在淀粉分子中引入了親水基團(tuán)（磺酸基、季銨基團(tuán)），大量的親水基團(tuán)容易吸水溶脹而堵塞濾餅的孔隙，有利于提高改性淀粉的降濾失性能。

2）在無固相鉆井液中，提高降濾失劑加量，可增強(qiáng)流型調(diào)節(jié)劑與其的協(xié)同效應(yīng)，使鉆井液膠體熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，且對(duì)鉆井液黏度影響小，避免了鉆井過程中造成激動(dòng)壓力不利于井壁穩(wěn)定，提高抗氧化劑加量，消耗了鉆井液中的溶解氧，提高鉆井液的熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了鉆井液降解時(shí)間。

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Abstract： In the process of drilling in fractured， low-porosity and low-permeability reservoirs， drilling fluid colloids blocked cracks and pores， so that colloid could not flow back effectively， which affected the productivity recovery of oil and gas fields in the later stage. A temperature-resistant and low-viscosity fluid loss reducer JL-HT was prepared by graft copolymerization using corn starch as raw material， sodium styrene sulfonate （SS）， diallyl dimethyl ammonium chloride （DMDAAC） and N-vinylpyrrolidone （NVP） as graft monomers. The structure was analyzed by infrared spectrum and surface morphology. And solid-free drilling fluid system for reservoir protection was prepared by mixing with key treatment agents. The results showed that the thermal stability of the fluid loss reducer was effectively improved by the anti-temperature group and the rigid group. The thermal stability of solid-free drilling fluid was controlled by adding fluid loss reducer and antioxidants to meet drilling requirements. The colloid of drilling fluid could be effectively thermally decomposed by standing in the core for a long time， which solved the problem of colloid flowback caused by conventional solid-free drilling fluid leakage into fractured reservoirs or plugging pores.

Key words： Water-based drilling fluid; Reservoir protection; Acid hydrolysis starch; Solid free