一種簡單高效水基鉆井液的研究

賴全勇，諶鵬飛

（中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)研究院，河北燕郊 065201）

在各種水基鉆井液體系中，KCl/PLUS 體系是世界范圍內(nèi)廣泛使用的一種鉆井液，它應(yīng)用了K+的防塌抑制和水解聚丙烯酰胺的絮凝包被作用，是一種抑制很強(qiáng)的不分散低固相聚合物體系[1-2]。然而，在實(shí)際運(yùn)用中，體系包含的材料種類也較多，大概有10 種處理劑，現(xiàn)場使用和維護(hù)較為繁瑣。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，鉆井液追求越來越簡單化、環(huán)保化和高效化，類如國外油服巨頭MI SWACO 開發(fā)的高性能水基鉆井液體系Veratherm，就一個(gè)核心處理劑Veravis[3]。而在國內(nèi)，也有專家提出鉆井液技術(shù)要達(dá)到的水平之一就是處理劑的多功能化和鉆井液體系方便化[4-5]，但國內(nèi)開展的研究相關(guān)報(bào)道較少[6-7]。本文嘗試開發(fā)一種環(huán)保多功能處理劑，并基于其構(gòu)建一種簡單高效鉆井液體系展開研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

主要試劑：淀粉ST-Ⅲ（工業(yè)級）；包被抑制劑SiP（自制）；增黏提切劑XC（工業(yè)級）；磺化瀝青封堵劑LSF（工業(yè)級）；氯化鉀（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；氫氧化鈉（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；純堿（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

主要儀器：九陽磨粉機(jī)；OFI800 流變儀；OFI 常溫中壓濾失儀；OFI 五軸滾子爐；WT-2000A 變頻高速攪拌器。

1.2 多功能處理劑的制備

包被抑制劑SiP 的制備：它基于某有機(jī)硅抑制劑，與較低相對分子質(zhì)量陰離子聚丙烯酰胺聚合物按一定比例共混，制備的一種新型包被抑制劑，它結(jié)合了有機(jī)硅抑制劑和聚丙烯酰胺聚合物二者的性能，具有良好的抑制性能、有一定的增黏降濾失能力。

多功能處理劑的制備：多功能處理劑采用集成型技術(shù)方法，一層一層優(yōu)選，一級一級復(fù)配，實(shí)現(xiàn)最終抑制、降濾失、增黏的統(tǒng)一；具體是在6 份包被抑制劑SiP的基礎(chǔ)之上，復(fù)配6 份淀粉ST-Ⅲ和1 份增黏提切劑XC，在九陽磨粉機(jī)高速剪切攪拌下，得到了一種均一的灰白色多功能處理劑。該處理劑同時(shí)兼具增黏提切、包被抑制以及降濾失作用。

1.3 生物毒性評價(jià)

根據(jù)國標(biāo)GB 18420.1—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性》和GBT 18420.2—2009《海洋石油勘探開發(fā)污染物生物毒性》，以鹵蟲為實(shí)驗(yàn)材料，檢測制備的多功能處理劑的生物毒性。

1.4 單劑性能評價(jià)

往400 mL 蒸餾水中加入16.00 g 氯化鈉，1.20 g碳酸氫鈉，攪拌溶解后加入40.00 g API 標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)土，在11 000 r/min 條件下高速攪拌15 min，然后靜置24 h作為基漿。最后將制備的多功能處理劑加入基漿中，經(jīng)WT-2000A 變頻高速攪拌器攪拌后，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783 1—2006《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場測試》的方法測試并計(jì)算表觀黏度（AV，mPa·s）、塑性黏度（PV，mPa·s）、動切力（YP，Pa），并用OFI 常溫中壓濾失儀測定API 濾失量（FL，mL）。

滾動回收率測定采用模擬鉆屑HolePlug 進(jìn)行，稱取25.00 g HolePlug 加入實(shí)驗(yàn)用漿，經(jīng)80 ℃熱滾16 h后用40 目篩網(wǎng)收集HolePlug，烘干后稱質(zhì)量，并與初始加入質(zhì)量相比，其值作為滾動回收率。

1.5 體系構(gòu)建研究

以多功能處理劑為核心，構(gòu)建一套無土的新型鉆井液體系，基本配方見表1，并對體系性能進(jìn)行綜合評價(jià)研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 包被抑制劑SiP 的制備

為了確定最佳的有機(jī)硅抑制劑和陰離子聚丙烯酰胺聚合物的原材料配比，進(jìn)行了系列單因素實(shí)驗(yàn)，以HolePlug 滾動回收率作為指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1 可以看出，有機(jī)硅抑制劑與聚丙烯酰胺聚合物比值介于10∶2 與10∶3 之間都有較好的效果，因此使用10∶2 比例復(fù)配得到最終的包被抑制劑SiP。

圖1 包被抑制劑SiP 組分比例對滾動回收率的影響

2.2 多功能處理劑性能評價(jià)

2.2.1 生物毒性評價(jià) 嚴(yán)格按照國標(biāo)中規(guī)定的檢驗(yàn)方法對多功能處理劑的生物毒性進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。多功能處理劑對鹵蟲96 h LC50 約為40 000 mg/L，大于一級海區(qū)的生物毒性容許值，是一種環(huán)保性能較高的產(chǎn)品。

表2 多功能處理劑的生物毒性

2.2.2 單劑性能評價(jià) 在基漿中加入1.0%的樣品，按照1.4 的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測試，性能見表3。由表3 可以看出，制備的多功能處理劑具有優(yōu)異的提切性能，能夠提高鉆井液的懸浮性和攜砂性。具有優(yōu)秀的降濾失性能，能有效降低濾失，同時(shí)1.0%加量下即具有較高鉆屑的滾動回收率，說明該新型多功能處理劑具有良好的包被抑制性能，可以有效包被黏土和鉆屑，防止固相污染。產(chǎn)品各方面性能達(dá)到預(yù)期。

表3 多功能處理劑基本性能

2.3 新型鉆井液體系研究

以多功能處理劑作為核心功能性鉆井液添加劑，搭配海水基液、無機(jī)鹽KCl、瀝青封堵劑LSF、加重劑重晶石等構(gòu)建了一套新型鉆井液體系。

2.3.1 流變及濾失性能評價(jià) 改變多功能處理劑加量，考察其加量對體系性能的影響，結(jié)果見表4。由表4可以看出，多功能處理劑在加量為2.5%時(shí)，新型鉆井液體系的API 濾失量可控制在5.3 mL，YP 為14 Pa。另外，僅通過多功能處理劑的加量就可以獲得符合作業(yè)需求的黏度、動切力和濾失量。

表4 多功能處理劑加量對新型鉆井液體系性能的影響

2.3.2 抑制性能評價(jià)

2.3.2.1 抗鉆屑侵入 在多功能處理劑加量為2.5%的情況下，實(shí)驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)污染土RevDust，依次按0、5%、10%、15%的量加入鉆屑粉，性能見圖2。由圖2 可以看出，當(dāng)鉆屑粉加量為10%時(shí)，體系仍然具有較好的流型及濾失，體現(xiàn)了較強(qiáng)的抗鉆屑污染能力。

圖2 新型鉆井液體系抗污染土實(shí)驗(yàn)

2.3.2.2 滾動回收率 在多功能處理劑加量為2.5%的情況下，采用滾動回收率評價(jià)體系的抑制性，并用3.0%KCl 鹽水作為對照組，實(shí)驗(yàn)選用HolePlug 鉆屑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 新型鉆井液體系鉆屑滾動回收率實(shí)驗(yàn)

由圖3 可以看出，3.0%KCl 鹽水的滾動回收率僅為5.16%，而在多功能處理劑加量為2.5%時(shí)，新型鉆井液體系的滾動回收率可以達(dá)到86.45%，性能良好。熱滾前后鉆屑形貌對比見圖4，在新型鉆井液體系熱滾后，鉆屑仍然保持了較高的完整度。

圖4 鉆屑在新型鉆井液體系熱滾前后形貌對比

2.4 抗污染性能

現(xiàn)場作業(yè)中，水泥會污染鉆井液，對體系的流變、失水及pH 值等產(chǎn)生影響，所以考察了CaCl2加量對體系性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5 可以看出，CaCl2加量至2.0%時(shí)，新型鉆井液體系性能變化很小，動切力及API 失水沒有明顯變化，說明新體系的抗鈣離子污染能力較強(qiáng)。

圖5 新型鉆井液體系抗水泥污染能力實(shí)驗(yàn)

3 與KCl/PLUS 體系對比研究

KCl/PLUS 標(biāo)準(zhǔn)配方如下：海水基液+2.0%～3.0%膨潤土+0.6%PF-PAC LV+0.2%PF-PAC HV+0.3%PFXC+2.0%VIF+0.5%PF-PLH+5.0%KCl+2.0%PF-LSF+2.0%EZCARB+2.0%PF-LUBE+重晶石，該體系是海洋鉆井中常用的KCl/PLUS 體系，材料種類十余種，而本文研究的新型鉆井液體系配方為海水基液+2.5%多功能處理劑+3.0%KCl+2.0%PF-LSF+重晶石，材料種類才5 種。此外，功能材料累計(jì)總加量也更少，除去封堵劑和潤滑劑，功能性聚合物處理劑加量才2.5%，低于KCl/PLUS 體系的3.6%，是一種簡單高效的鉆井液體系。

4 結(jié)論

（1）制備了一種新型環(huán)保多功能處理劑，該處理劑兼具環(huán)保、包被抑制、增黏提切、降濾失等功能。

（2）新型環(huán)保多功能處理劑，搭配海水基液、氯化鉀、封堵劑、加重劑等構(gòu)建了一套新型鉆井液體系，性能優(yōu)良。

（3）與KCl/PLUS 體系對比，新型簡單高效鉆井液體系種類少，加量也更少。