抗高温水基钻井液研究现状

李佳欣，杨双春，潘 一，张金辉，刘荣全，王 松

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国邮政集团公司辽宁省分公司，辽宁 沈阳 110016）

抗高温水基钻井液研究现状

李佳欣1，杨双春1，潘 一1，张金辉1，刘荣全1，王 松2

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国邮政集团公司辽宁省分公司，辽宁 沈阳 110016）

井下复杂的地层状况(如高温)决定了钻井的深度，水基钻井液是钻井液的一种，钻井液处理剂的优化对深井的开采意义尤其重大，处理剂耐高温的性质往往决定钻探是否成功。论述了水基钻井液中处理剂耐高温性的研究现状，对耐高温水基钻井液中试剂进行比较和评价，并指明了今后的研究方向。

抗高温；水基钻井液；降粘剂；降滤失剂；抗盐

深井的数量和深度日益增加,2015年我国钻井深度已达到了8 038 m，而现在井深普遍超过6 000 m，达到超深井的水平。普通钻井液试剂在8 000 m井下的高温中变形，无法达到耐高温的要求。因此水基钻井液的耐高温性是国内外学者研究的主要方向之一[1,2]。国内外进行抗高温钻井液处理剂的耐高温研究和各试剂的配伍性实验早在上个世纪70年代就开始进行。本文即是对降粘剂等各类处理剂在水基钻井液中的耐高温性的综述，并对钻井液以后的研究方向提出了建议，为有关人员的研究提供参考。

1 降粘剂

降粘剂分子局部与高分子化合物上的原子团配位，阻止高分子化合物吸附黏土，从而控制其对黏土的聚合作用，起到降低粘稠度的作用。耐高温水基钻井液的流动性取决于降粘剂的效率，因此高温下要保证降粘剂的活性，国内外近几年研究较多。艾关林[3]等对一种新研制出的高分子降粘剂 THIN进行了实验分析，得出了THIN能够约束黏土扩张和离散，从而达到降粘的效果，实验测得THIN在 220 ℃下仍能束缚黏土，且抗盐、抗钙，它的降粘效果优于其他试剂，通过控制合成泥浆内部凝胶网状结构和粘滞系数，保证了高温高密度的水基钻井液的粘稠性。王富华等[4]将反应物、相对分子质量调节剂在引发剂溶剂中引发反应，制得JNL-1抗高温聚合物降粘剂。在JNL-1与其他两种抗高温降粘剂的对比实验中发现，JNL-1在多种条件下降粘效果比另两种降粘剂的降粘效果更好。JNL-1能够抗240 ℃的高温。X射线衍射实验表明这是因为JNL-1分子具有稳定的磺酸基团。此外即使高温影响JNL-1的水合反应，钻井液中剩余的JHL-1足够为黏土颗粒提供水化膜。降粘剂JNL-1性质优越全面，适合实际钻井应用。由赵晓非[5]等自行研制的三元聚合物降粘剂能耐240 ℃的高温。这种三元聚合物是由 MAH（顺丁烯二酸酐）、SAS（烯丙基磺酸钠）、AMPS（甲基丙烯酰胺）按一定比例在水溶液中聚合而成的。该三元聚合物是一种羟基氧化物，羟基氧的电子云密度大，使AMPS具有良好的吸附性，增强了产物的稳定性。马来酸酐溶解在醇中脱水缩合生成酯，在水溶液中生成顺丁烯酸，为降粘剂提供了所需要的水合基团，增强其溶解性。三元共聚物MAH／SAS／AMPS在常温下平均降粘率为80%，在高温240 ℃热滚16 h后降粘率有所下降，但仍达到了65%，但还能够保证高温深井及复杂井队钻井钻井的安全。由喻霞等[6]自行研制的高分子降粘剂 JN-1是以马来酸酐、石油磺酸钠、甲醛、丙烯酰胺等为原料合成的，在pH值1～2下、温度45 ℃，将十二烷基磺酸钠盐与甲醛混合搅拌，混合均匀后加入丙烯酰胺溶液和马来酸酐 MAH单体，再加入引发剂硝酸铈铵反应4～6 h即可。在200 ℃高温的恒温箱内热老化24 h JN-1仍具有较好的降黏效果，和不错的抗钙抗盐能力。王松等[7]以木质素磺酸钠为主要原料，通过磺化、络合、共聚、及缩合等一系列改性反应，得到的PNK耐200 ℃高温，有良好的降粘性，且耐盐。PNK降低水基钻井液粘度的同时，也降低了降粘剂的切力。Hui Mao在《Hydrophobic Associated Polymer Based Silica Nanoparticles Composite with Core-shell Structure as a Filtrate Reducer for DrillingFluid at Utra-high Temperature》[8]中提到一种新型二氧化硅纳米微粒复核壳结构降粘剂，在井下高温低于220 ℃的环境下，在超高压力和盐度的复杂地形中，仍具有良好的热稳定性、流动性、润滑性，可以减少流动损失。

2 降滤失剂

能降低钻井液滤失量的钻井液处理剂称为降滤失剂。降滤失的方式大体分为两类：一类是提高了粘度、减少水分的滤失量，另一类通过（胶态粒子）物理的封堵作用减少滤失量。王永吉等人[9]提到的试剂 DHL-1是由含饱和烃链或饱和环烃的稳定有机物在 150～180 ℃下制成。乳白色膏状的 DHL-1在钻井液中通过第二种原理实现降滤的。DHL-1对油层没有伤害，且能起到降粘的作用。DHL-1中的粒径不同，渗入地层孔隙时形成了“内泥饼”，具有降滤的作用；颗粒还可分散到“外泥饼”中，封堵孔隙，降低外泥饼的渗透性，进一步达到降滤的目的。目前油田内使用降滤失剂大致分为三类，淀粉类降滤失剂耐高温性较差，耐温基本达不到150 ℃，而纤维素衍生物类耐温性亦不能满足井下需求;天然高分子类降滤失剂的耐温虽较高，但仍然基本低于180 ℃。所以，现场钻探需求的耐高温性更高的降滤失剂基本为人工合成的高分子材料。王松[10]合成的降滤失剂抗温到达 210 ℃, 且具有优异的抗钙镁盐的能力,因此在淡水、盐水、海水及含盐的钻井液体系中降滤失性均优于国外的降滤失剂,应用前景广泛。夏小春等[11]开发的FRT-2正是由以上三种物质AM、DMAM、AMPS共聚形成的新型耐高温降滤试剂。FRT-2是由反应物氢氧化钠、硝酸铵、丙烯酰胺甲基丙磺酸和二甲基丙烯酰胺在适当剂量的引发剂过硫酸铵中反应30 min得到聚合物胶凝，再将其剪切、造粒，并在105 ℃下烘干碾压，得到白色的粉末态的三元共聚物。实验表明，FRT-2有很好的降滤失性能，且具有耐高温、降粘性等能力。还有一种耐高温抗盐新合成降滤试剂 RSTF，RSTF是两种以上的聚合物单体以及腐殖酸，接枝共聚制成，耐温可达220 ℃。周向东[12]合成了三元聚合物的高分子降滤失剂WH-1，能抗240 ℃高温，并抗盐抗钙，在50多口井上的测试实验表明，地层温度阶梯较大的情况下WH-1仍有较好的滤失量。王中华[13]合成聚合物降滤失剂 P(AMPS—AM—AA)／SMP。最优制备条件下合成的P(AMPS—AM—AA)／SMP可耐240 ℃高温，且降滤失作用较好。可以同时优化钻井液的流动性和高温高压下的滤失量。Lewis 等[14]以褐煤为主体在化学键上接枝，合成了AMPS/AM/AA/DMDAAC接枝聚合物，能抗 260 ℃的高温。降滤失时还能保护油气层，是一种高效优异的实用降滤失剂。还有学者通过实验，优选出一种新型抗高温抗盐降滤失剂 JZA-1[15]，对其降滤失机理进行了研究发现，JZA-1 能契合地附着在粘土粒子表面，吸附效果优于SMP-1，增大了粘土表层水化膜厚度，从而使粘土粒子具有更强的稳定性。可耐220 ℃高温。

3 护胶剂

护胶剂应具有热稳定性较高的化学键，通常带有能提高抗温抗盐特性的强水化基团。由王富华等[4]研究得到的护胶剂GHJ-1与磺化处理剂一起使用，可抗240 ℃，在含盐含钙的环境中都有良好的溶解性，可以很好地调节钻井液体系的流动变性。常晨等[16]研究的护胶剂MG-H可耐240 ℃高温，具有适度盘绕、连接、水合等多重作用，护胶剂MG-H吸附黏土，有良好的护胶性，可以提高其他配伍试剂的耐高温性。

4 抑制剂

抑制剂是水基钻井液中一种特别的添加剂，抑制水化、分解、膨胀。聚胺抑制剂 XJA-1[16]能够有效地抑制泥页岩的水化分散和黏土的水化膨胀，且耐150 ℃高温，优于传统抑制剂氯化钾。包被抑制剂SDE[17]，是一种小分子的带正电性的PAM，抑制作用明显。Zhong Hanyi[18]在国际石油大会提到自行开发了一种抑制剂SDJA-1，通过实验在200 ℃老化4 h后抑制率仍能达到70%，可用于深井钻探。

5 成膜封堵防塌剂

成膜封堵防塌剂是一种能够封堵井壁、地层缝隙的试剂，从而防止井壁坍塌，同时能够保护油层。HOSEAL[16]是一种是由不同大小分子、原子、离子配合而成的成膜封堵防塌剂。经实验测得，当HOSEAL与其他处理剂配合使用时可耐 240 ℃高温。新型的封堵防塌剂 HA-1[17]是通过化学作用实现防塌的。HA-1是由多聚铝酸盐和醋酸乙脂聚合而成的。在进入层状岩石时，酸性的地中水会使两性化合物HA-1生成氢氧化铝沉淀，在页岩和缝隙中沉积，增强井壁稳定性。同时铝基聚合物的亲电性可以抑制黏土的分解，十分适于泥页岩的防塌，可耐120 ℃的温度。

6 稳定剂

高温条件下，钻井液水分减少，可能会表现出高温变稠，严重时黏土会发生胶凝聚沉，甚至固化。新型高温稳定剂STBHT[19]由球状高分子的柔性链接构成，提高了硫酸钡（重晶石）的悬浮性，还有润滑、滤失的特性。实验表明在180 ℃的高温下连续加热16 h后钻井液还具有明显的流动性，没有使黏土失活，稳定剂STBHT有效。高温稳定剂XP[3]为一种多元共聚物, 有护胶、协同增效的作用；且能够抑制泥岩与页岩间岩石的水化膨胀，阻止油气逸散，稳定井壁，防止塌陷。不仅自身耐高温，当它与其他处理剂搭配使用时，形成新的配位化合物，提高了其他处理剂的耐高温限度，高温稳定剂XP[20]由维生素C钠盐、1,3,5-三戊烷和柠檬酸按比例系数聚合而成的，配合着表面活性剂使用，分别在TW-80和SJ-1这2种钻井液中实验证实，这种稳定剂可耐250 ℃高温，耐高温性极强。

7 增黏剂

增黏剂在钻井液、完井液中用量较多，除了基本的增黏作用外，还可以调整钻井液内部凝胶网状结构的强度、粘滞塑形弹性、滤失量和失水量、保护井壁的稳定和油层完好。闫丽丽[21]制取了新型增粘剂 PADA，是用具有抗盐性的 AMPS、有侧基效应的二氮二甲基丙烯酰胺DMAM和基本不水合、热稳定性好的丙烯腈AN，这3种物质为原料单体，在一定条件下制得的。实验测得新型增粘剂分解温度为350 ℃，在200 ℃的深井下性质不变，且在钻井液体系中发挥出了良好的增黏性，是一种优良的耐高温耐盐降滤增粘剂剂，可以在盐膏地层和复合盐层的深井钻探中得到应用。

8 结束语

笔者论述了水基钻井液中处理剂耐高温性的研究现状，对耐200 ℃左右高温水基钻井液中的各类试剂进行比较和评价。作者认为以下几个方面可以多进行研究：①抗热氧化降解、热稳定性的提高；②处理剂可以增强高温超高温条件下粘土粒子水化膜水化能力为技术新思路，提高普通钻井液聚合物材质的抗温极限；③在传统钻、完井液体系中加入高温稳定剂等处理剂增加其应用温度范围。

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Research Progress of High Temperature Resistance Water-based Drilling Fluid

LI Jia-xin1,YANG Shuang-chun1,PAN Yi1,ZHANG Jin-hui1,LIU Rong-quan1,WANG Song2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China；2. Liaoning Branch of China Post, Liaoning Shenyang 110016, China）

The complex conditions of downhole decide the depth of the drilling.Water-based drilling fluid is an important kind of drilling fluid. Its treating agent is the key to the exploitation of deep well, and high temperature resistance of the treating agent is very important. In this paper, the current status and progress of high temperature resistance research of the treating agent were discussed, and some suggestions about the future research were put forward.

High temperature resistance；Water-based fluid；Viscosity agent；Fluid loss agent；Resistance to salinity

TE 357.9

A

1671-0460（2016）03-0630-03

辽宁石油化工大学2015年大学生创新创业训练计划项目:热情融融责任有限公司。

2015-10-17

李佳欣（1997-），女，黑龙江省大庆市人，研究方向：石油工程。E-mail：panhongxiang@126.com。

张金辉（1963-），男，辽宁抚顺人，教授，研究方向：石油及化工产品的应用研究。E-mail：yangchun_bj@126.com。