一種耐高溫交聯(lián)淀粉鉆井液降濾失劑的制備與評價

李佳琦，楊海彤，葛 兵，楊 笑，姜漢橋，孫明波

(1.中國石油大學(北京)，北京 102249；2.中國石油西部鉆探工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

0 引 言

鉆井過程中，鉆井液失水是必然存在的，當濾失量過大時，可能會導致地層浸泡嚴重，造成井壁縮徑或坍塌，同時濾餅厚度變大，井眼環(huán)空變小，導致鉆井液循環(huán)困難，泵壓升高。加入降濾失劑可以在井壁表面形成一層薄且致密的濾餅，一方面可以降低鉆井液內(nèi)自由水向井壁的滲透損失，另一方面，起到保護井壁的作用[1-4]。目前常用的鉆井液降濾失劑包括天然產(chǎn)物及其改性產(chǎn)品、聚合物類降濾失劑及樹脂類降濾失劑等。天然產(chǎn)物類降濾失劑具有環(huán)保及成本優(yōu)勢，但其耐溫耐鹽性能較差；聚合物類降濾失劑雖然耐溫性強，但成本較高，不適合大規(guī)模使用[5]；樹脂類降濾失劑制備簡單，熱穩(wěn)定性較高，但生成的反應(yīng)物大多為有毒物質(zhì)，同時在使用過程中存在高溫增黏和金屬離子污染增黏等問題。淀粉用做鉆井液降濾失劑具有綠色環(huán)保、價格低廉、降濾失效果明顯的特性，特別適用于做為飽和鹽水鉆井液的降濾失劑。但常規(guī)淀粉鉆井液降濾失劑也存在明顯的缺點，其熱穩(wěn)定性差，工作溫度一般在100 ℃以下。隨著鉆井深度的不斷增加，對鉆井液降濾失劑的耐溫性能的要求越來越高[6-9]。為此，以玉米淀粉、三偏磷酸鈉為原料，采用交聯(lián)反應(yīng)法合成了交聯(lián)淀粉鉆井液降濾失劑(簡稱交聯(lián)淀粉降濾失劑，下同)，并評價了其降濾失及耐溫耐鹽性能。

1 交聯(lián)淀粉降濾失劑耐溫原理

針對常規(guī)玉米淀粉耐溫性不足的問題，采用交聯(lián)反應(yīng)的方式對玉米淀粉進行交聯(lián)，提高其耐溫性能，其原理為：常規(guī)的玉米淀粉加入到鉆井液中會迅速溶解，當溫度升高時，以溶解狀態(tài)存在的玉米淀粉分子化學鍵的破壞速度非?？欤荒蜏?；當加入交聯(lián)劑后，通過交聯(lián)反應(yīng)可以將2個或多個淀粉分子交叉連接起來，形成復(fù)雜的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，得到的交聯(lián)淀粉具有很高的抗剪切性能。將交聯(lián)淀粉加入到鉆井液中，高交聯(lián)度的淀粉分子遇水會形成球形顆粒，球形顆粒溶脹但不溶解，具有變形封堵能力，可起到降濾失的作用；當高溫破壞顆粒表面的化學鍵時，球形顆粒的交聯(lián)體結(jié)構(gòu)并不會被破壞，因此，具有耐溫性能[10-11]。

2 實驗材料與儀器

實驗材料：玉米淀粉，山東玉皇糧油食品有限公司；羧甲基淀粉(CMS)，肥城鴻瑞公司；鉆井液基漿，自行配制；無水亞硫酸鈉，阿拉丁試劑，分析純。實驗儀器：NGJ-3S型數(shù)顯高速攪拌機，青島善德石油儀器有限公司；ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計，青島膠南分析儀器廠；ZNS-6A型泥漿失水量測定儀，青島膠南分析儀器廠；XTD-7000型滾子加熱爐，余姚依泰溫度儀表廠。

3 降濾失劑的制備

3.1 交聯(lián)劑優(yōu)選

通過耐溫機理分析可知，交聯(lián)淀粉的耐溫性能與交聯(lián)度有關(guān)，當交聯(lián)度越高時，交聯(lián)淀粉在鉆井液體系中形成的球形顆粒就越大，越穩(wěn)定，其耐溫和封堵的能力就越強。目前市售的交聯(lián)劑主要有甲醛、環(huán)氧氯丙烷、三偏磷酸鈉等，為了選出交聯(lián)性能最好的交聯(lián)劑，分別將3種交聯(lián)劑與玉米淀粉進行交聯(lián)反應(yīng)，將得到的交聯(lián)淀粉樣品分別加入到鉆井液中，鉆井液體系中交聯(lián)淀粉的質(zhì)量分數(shù)為3.0%，在120 ℃下老化16 h后，測量不同鉆井液體系的API濾失量(表1)。

表1 不同交聯(lián)淀粉配置的鉆井液的API濾失量

由表1可知：在120 ℃下老化16 h后，對比鉆井液基漿，3種交聯(lián)淀粉鉆井液均起到了降濾失的效果，其中，三偏磷酸鈉交聯(lián)淀粉鉆井液的API濾失量最低，僅為8.4 mL，說明3種交聯(lián)劑中，三偏磷酸鈉的交聯(lián)效果最好，交聯(lián)程度最高，形成的球形顆粒在鉆井液體系中更穩(wěn)定，耐溫性更強。因此，確定三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑。

3.2 交聯(lián)參數(shù)的優(yōu)化

3.2.1 交聯(lián)時間

將1 mol玉米淀粉(質(zhì)量為180 g，水的質(zhì)量分數(shù)為10.0%)，加入到325 mL三偏磷酸鈉水溶液中(含三偏磷酸鈉3.3 g)，利用碳酸鈉調(diào)節(jié)溶液pH值至10.2，將充分溶解的樣品放置于50 ℃的水浴鍋內(nèi)加熱，進行交聯(lián)反應(yīng)。在反應(yīng)時間為3、5、10、18、24、36 h時分別取樣，樣品經(jīng)中和、過濾、水洗、干燥后加入到鉆井液基漿中，鉆井液體系中交聯(lián)淀粉的質(zhì)量分數(shù)為3.0%，在常溫下進行黏度及API濾失量測試(圖1)。

圖1 交聯(lián)時間優(yōu)化實驗結(jié)果

由圖1可知：隨著交聯(lián)時間的延長，鉆井液體系的API濾失量和黏度總體呈逐漸降低的趨勢，這是因為隨著交聯(lián)時間的延長，玉米淀粉的交聯(lián)程度不斷增大，形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定，同時鉆井液中的球形顆粒聚集到一起會使鉆井液中的小顆粒減少，黏度下降。當交聯(lián)時間超過24 h后，交聯(lián)反應(yīng)已經(jīng)進行得十分充分，樣品性能的提升幅度逐步變緩。綜合考慮交聯(lián)時間和樣品性能的影響，在50 ℃的水浴鍋中交聯(lián)反應(yīng)24 h后得到的交聯(lián)淀粉樣品足以滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求，此時鉆井液體系濾失量為7.8 mL，黏度為25.0 mPa·s，既能降低濾失，又不會有增黏的副作用。

3.2.2 交聯(lián)劑用量

將1 mol玉米淀粉(質(zhì)量為180g，水的質(zhì)量分數(shù)為10%)，分別加入到103、214、325、425、570 mL三偏磷酸鈉水溶液中(三偏磷酸鈉質(zhì)量對應(yīng)為0.8、2.4、3.3、4.5、5.1 g)，利用碳酸鈉調(diào)節(jié)溶液pH值至10.2，將充分溶解的樣品放置于50 ℃的水浴鍋內(nèi)加熱24 h，進行交聯(lián)反應(yīng)。分別將不同交聯(lián)劑用量的交聯(lián)淀粉樣品經(jīng)中和、過濾、水洗、干燥后加入到鉆井液基漿中，鉆井液體系中交聯(lián)淀粉的質(zhì)量分數(shù)為3.0%，在常溫下進行黏度及API濾失量測試(圖2)。

圖2 交聯(lián)劑用量優(yōu)化實驗結(jié)果

由圖2可知：隨著交聯(lián)劑用量的增加，交聯(lián)淀粉在鉆井液基漿中的降濾失能力也不斷增大，表現(xiàn)為鉆井液的濾失量和黏度不斷減小，這是因為在相同的交聯(lián)時間內(nèi)(24 h)，交聯(lián)劑用量越多，交聯(lián)反應(yīng)進行得越充分，形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，鉆井液體系中的球形顆粒也越大。但當交聯(lián)劑用量超過3.3 g后，濾失量降低的幅度變小，這是因為當玉米淀粉的量一定時，3.3 g的交聯(lián)劑已經(jīng)足夠玉米淀粉進行充分的交聯(lián)反應(yīng)，過多的交聯(lián)劑不會再增大交聯(lián)程度。

3.2.3 交聯(lián)淀粉降濾失劑用量

將不同質(zhì)量的交聯(lián)淀粉降濾失劑分別加入鉆井液基漿中，鉆井液體系中交聯(lián)淀粉降濾失劑質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%、1.5%、3.0%、4.0%，分別測試鉆井液體系的API濾失量和黏度(圖3)。

圖3 交聯(lián)淀粉降濾失劑用量優(yōu)化結(jié)果

由圖3可知：隨著交聯(lián)淀粉降濾失劑用量增加，API濾失量不斷降低，當交聯(lián)淀粉降濾失劑質(zhì)量分數(shù)增至1.5%時，鉆井液的濾失量降至8.6mL，隨著用量繼續(xù)增加，濾失量幾乎不變；隨交聯(lián)淀粉降濾失劑增加，交聯(lián)淀粉鉆井液的黏度僅小幅增加，沒有明顯增黏效果。因此，確定交聯(lián)淀粉降濾失劑質(zhì)量分數(shù)為1.5%為最佳用量。

4 降濾失劑性能評價

選擇鉆井液基漿、鉆井液基漿+1.5%交聯(lián)淀粉降濾失劑(簡稱交聯(lián)淀粉鉆井液)、鉆井液基漿+1.5%CMS(簡稱CMS鉆井液) 3種鉆井液體系，通過對比法評價降濾失劑性能。

4.1 降濾失效果

在常溫下，分別測試3種鉆井液體系的黏度和濾失量(表2)。由表2可知：交聯(lián)淀粉鉆井液體系和CMS鉆井液體系均有較好的降濾失效果，但CMS具有使鉆井液體系增黏效果。因此，交聯(lián)淀粉降濾失劑能夠更好滿足鉆井要求。

表2 降濾失效果評價實驗數(shù)據(jù)

4.2 耐溫性

分別將3種鉆井液體系在120、150、160 ℃條件下老化16 h，測定鉆井液體系的黏度及濾失量(表3)。由表3可知：交聯(lián)淀粉鉆井液體系的耐溫性較強，在160 ℃老化16 h的情況下，黏度為33.5 mPa·s，濾失量為11.0 mL；CMS鉆井液體系雖然在低溫條件下降濾失效果較好，但在高溫下結(jié)構(gòu)被破壞，失去降濾失作用，而且增黏嚴重。

表3 耐溫性評價實驗數(shù)據(jù)

4.3 耐鹽性

在3種鉆井液體系加入氯化鈉，形成質(zhì)量分數(shù)為4.0%的鹽水體系，測試鉆井液體系在常溫和150 ℃時的黏度和濾失量(表4)。由表4可知：在鹽水體系中，交聯(lián)淀粉降濾失劑的降濾失性能有所下降，但依然滿足現(xiàn)場鉆井需要，而CMS的降濾失效果依舊很好。其原因為：當鉆井液處于鹽水體系中時，鉆井液中黏土顆粒的雙電層會被壓縮，導致黏土小顆粒聚集發(fā)生絮凝作用，形成泥餅，泥餅越厚，滲透率越高，濾失量越大。CMS等水溶性淀粉會保護鉆井液體系中的黏土顆粒，防止其發(fā)生絮凝，因此，濾失量降低；交聯(lián)淀粉鉆井液由于其交聯(lián)作用，在鉆井液體系中不發(fā)生水溶，因此，在鹽水鉆井液體系中，交聯(lián)淀粉降濾失劑無法對黏土顆粒進行保護，導致濾失量大于普通淀粉降濾失劑。但綜合考慮耐溫性和不增黏的特性，交聯(lián)淀粉降濾失劑仍具有重要的應(yīng)用價值。

表4 耐鹽性評價實驗數(shù)據(jù)

5 現(xiàn)場應(yīng)用效果

YB井是中石化西南油氣分公司的一口開發(fā)評價水平井，位于四川盆地元壩區(qū)塊。目標區(qū)塊主要開發(fā)層系為長興組，屬于超深低孔低滲常壓高溫油藏。油藏最大埋深接近8 000 m，巖石類型以白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r為主，平均孔隙度為5.67%，平均滲透率為0.48 mD，地層壓力為66～70 MPa。該井導眼段完鉆垂深為6 736 m，斜深為7 100 m，水平段完鉆垂深為6 603 m，斜深為7 781 m，井底溫度達到150 ℃。為提高高溫井段鉆井液降濾失性能，決定加入交聯(lián)淀粉降濾失劑。交聯(lián)淀粉降濾失劑在YB井應(yīng)用時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)如表5所示。由表5可知：在150 ℃時，在鉆井液中加入質(zhì)量分數(shù)為1.5%的交聯(lián)淀粉降濾失劑，鉆井液的濾失量降低了40%，且鉆井液體系的黏度無明顯增加。說明交聯(lián)淀粉鉆井液降濾失劑在現(xiàn)場得到了成功應(yīng)用，耐溫性能可達150 ℃。

表5 交聯(lián)淀粉降濾失劑在YB井應(yīng)用數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

(1) 以玉米淀粉為原料，以三偏磷酸鈉為交聯(lián)劑，交聯(lián)反應(yīng)時間為24 h，可制備得到耐高溫交聯(lián)淀粉鉆井液降濾失劑。交聯(lián)淀粉降濾失劑的耐溫性能較強，在160 ℃老化16 h的情況下，鉆井液體系黏度為33.5 mPa·s，濾失量為11.0 mL。

(2) 交聯(lián)淀粉降濾失劑耐鹽性能稍差，不建議在高鹽環(huán)境中使用。

(3) 現(xiàn)場應(yīng)用實例證明，在150℃高溫井段，在鉆井液中加入質(zhì)量分數(shù)為1.5%的交聯(lián)淀粉降濾失劑，在不增黏的情況下，鉆井液的濾失量降低了40%，具有較好的降濾失性能。