新型保护环境的高温水基泥浆体系

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1、1新型保护环境的高温水基泥浆体系新型保护环境的高温水基泥浆体系CJThaemilitz 等著等著 邓建玲邓建玲 译译 摘要：摘要：一种适应于高温 232（450）高压钻 井条件的新型保护环境水基聚合物钻井液体系 研制成功。该体系的主要成分为近年来发展起 来的不含铬离子和其它任何对环境有害的物质 的合成基聚合物，这种新型聚合物能在高温条 件下发挥其特殊的作用，具有加量少、抗高温等特点。 该体系简化了泥浆添加剂加入的种类，除 了两种聚合物组分分别用以控制高温下钻井液 的流变性和失水量外，体系中仅需加入 pH 值控 制剂、加重剂以及少量的粘土以控制泥饼的质 量。与为防止高温降解而加入大量的热稳定剂

2、的传统钻井液体系相比，具有明显的优势。 该体系的另一特点是适应性强（不论淡水钻 井液和海水钻井液体系等各种条件均适用）。并 具有良好的抗钙、镁、固相等污染的能力。 本文将对其抗高温性能、合成基聚合物、体 系配方以及应用进行论述。介绍：介绍： 高温水基钻井液的应用过去主要是 在传统油基钻井液使用过程中所出现的问 题的基础上发展起来的，以解决环境保护、 偏远地区的运输、钻井液中气溶性等问题。 虽然在过去的几十年里高温水基钻井液的 组分不断得到改进，采用了天然改性产品， 并且具有良好的性能，但如今对环境和钻 井更高的要求，迫使我们必须对这些产品 进行更新。 过去二十年里，磺化聚丙烯酸类产 品广泛应用

3、于泥浆降失水剂和稳定剂，这 类产品在合成时所用的单体大都选自一些 常用的单体，而采用该类产品配制的高温 水基钻井液体系往往需要加入一些天然改 性的产品以满足其必备的性能。本文所述 的新型高温水基聚合物钻井液所选用的聚 合物是用新的、经济可行的单体通过采用 不同的合成方法合成出来的，这种钻井液 体系不需要加入那些改性等产品即可获得良好的流变性和降滤失性。新型抗高温聚合物新型抗高温聚合物钻井液滤失量的控制钻井液滤失量的控制 一种新型的 抗高温高压降失水剂丙烯酰胺单体（A） 、 磺甲基单体（S）和一种交联剂（X）交 联共聚而成，其中交联程度直接影响到聚 合物的溶解性能，既而影响其降失水作用。 交联程

4、度过大，聚合物难以溶解；交联程 度过小，其性能则类似于普通的丙烯酰胺 聚合物（其线性长链结构易断裂且抗污染 能力差） 。 这种新型的交联聚合物具有致密、 球状的形态结构（见图 1） ，和未交联的线性聚合物溶解后其线性结构伸展情况相 比，该聚合物溶解后仍保持其致密的球状 结构，这种特殊的结构使其具有空间稳定 性，从而水解稳定性增加，抗污染和抗剪 切能力增强，既而使水基钻井液体系具有 良好的流变性和降失水能力。 除分子量外，交联聚合物的微观结构 也是影响抗高温水基钻井液性能的主要因 素。另外，单体的加入顺序、共聚物内部 结构都直接影响到离子团的性质，从而影 响聚合物束缚二价阳离子的能力。钙、镁 离

5、子是具有很强螯合能力的阳离子，它们 易于渗透聚合物周围的水化膜并与结构中 的阴离子结合，从而产生聚合物盐析现象， 这种现象可能发生在链内或链间。当析出 的量达到一定程度，聚合物就会不溶解而溶液中的线性结构溶液中的线性结构溶液中的交联结构溶液中的交联结构水水水水图图 1-聚合物结构聚合物结构2沉淀下来，从而失去其作用。聚合物中阳 离子的盐基度反映了阴离子电荷的稳定性， 阴离子团的电荷越强，二价阳离子越易被 束缚。这种高温高压降失水聚合物链中丙 烯酰胺单体与阴离子团以氢键的形式链接。 聚合物微观结构会直接影响到磺甲基阴离 子团（单体 S）的盐基度。处于两个丙烯 酰胺单体之间的离子团要比处于阴离子团

6、 与丙烯酰胺单体之间和两个阴离子团之间 稳定，这是因为相邻丙烯酰胺单体为形成 稳定的氢键提供了保障。由于单体 S 与 丙烯酰胺单体聚合几率很高，因此相同比 例的两种单体为生成丙烯酰胺磺甲基交 替排列的聚合物结构提供了最大的可能性， 采用常规的反相乳化技术合成聚合物，其 有效成分可达 30%左右。 实验研究实验研究 粘度粘度 交联作用降低聚合 物的粘度。在 300g 水中分别溶解 1.5g 交 联聚合物和未交联聚合物，用 Hamilton Beach 搅拌器搅拌 15min 后，在室温下测 其粘度，结果见表 1。其中聚合物 1（未 交联）和聚合物 2（交联）具有相同的单 体组分和基本相等的分子量

7、。抗剪切能力抗剪切能力 剪切对两种聚合物性能 的影响采用以下方式。分别将 2g 的两种 聚合物溶解于 300 g 水中，用 Hamilton Beach 搅拌器搅拌 15min 后测其初始流变 特性，然后将两种聚合物置于 silverson Lightning 高速搅拌器上在 8,000 转/分的 转速下搅拌 1.53 小时，在室温下测其流 变性能（见表 2） 。从表 2 中可以看出， 剪切力增加，非交联聚合物粘度明显降低， 而交联聚合物则变化不大。固体污染固体污染 实验证明，交联聚合物在加入一定量的固体之后仍具有良好的剪切 稳定性。取 1.5 g 两种聚合物溶于 300 g 水并充分搅拌 1

8、0min， 然后加入 300 g 重晶石，再充分搅拌 10min 后在室温下 测定初始流变性能。接着将样品置于 silverson Lightning 高速搅拌器上在 8,000 转/分的转速下搅拌 45min 后再次记录其 流变性能（见表 3） 。从表 3 中可以看出， 聚合物 2（交联）仍具有良好的剪切稳定 性，而聚合物 1（未交联）则表现出粘度 明显降低，失去悬浮能力。钻井液流变性控制钻井液流变性控制 要使水基钻井液 在高温条件下保持般土和其它活性固相的 稳定性（悬浮）的关键是钻井液必须具有 良好的流变性和滤失性。众所周知，通过 改性的天然产品，如褐煤和木质素磺酸盐， 具有良好的分散性。

9、但因为涉及到可能发 生地层损害和环境污染，人们普遍使用合 成的稳定剂产品。这些传统的合成稳定剂 是具有低分子量和高电荷密度的均聚物或 共聚物。像丙烯酸、马来酸酐以及普通磺 化产品（如 AMPS） ，都是广泛使用的稳 定剂原料。 新型的处理剂主要对聚合物中的磺化 部分（如 AMPS 等）进行了改性，使其 稳定性和抗温性方面有明显的改善。从而 不需要加入褐煤、沥青或木质素磺酸盐即 可制备抗高温高压水基钻井液。表 4 给出 了这种加入新处理剂(聚合物 A)的淡水泥 浆与 AMPS丙烯酸盐共聚物淡水泥浆性 能对比情况。其中每 1913 kg/m3 (16 lb/gal)测 试钻井液中含 5.17 kg

10、/m3(2 lb/bbl)的活性 稳定剂，45.67 kg/m3 (16 lb/gal)膨润 土，0.11 m3(0.7 bbl)的水，0.29 kg/m3(0.1 lb/bbl)的 NaOH 以及 1158 kg/m3(406 lb/bbl)的重晶石。钻井液在 200下热滚 16 小时，pH 值调整为 9.0，然后在 204表 1：两种聚合物粘度(范氏粘度计)对比 转 速 （rpm）聚合物 1 （未交联聚合物） 60048聚合物 2 （交联聚合物） 16 300329表 2：两种聚合物粘度（范 氏 粘 度 计） 对 比 转速 聚合物 1 聚合物 2 （rpm ）初始1.5 小 时3 小时 初

11、始 1.5 小 时3 小时600554135202122 300342823111213表 3：两种聚合物粘度（范氏粘度计）对比聚合物 1 聚合物 2 初始45 分钟 初始 45 分钟 600(rpm)68504250 300(rpm)45252330 PV23251920 YP220410 重晶石沉降重晶石未沉降3(400)下老化 48 小时。若将表 4 中的钻井液在更高温度， 固体污染物以及钙、镁等污染物进行对比 可进一步评价区分出这两种处理剂的性能 差别。 表 4：两 种 稳 定 剂 性 能 对 比49(120)AMPS/丙烯酸盐 共聚物新型 聚合物 A 600(rpm)271190 3

12、00(rpm)180118 200(rpm)14089 100(rpm)8953 6(rpm)128 3(rpm)75 PV，cP9172 YP,lb/100ft28946 10 s gel86 10 min gel87由于高温高压水基钻井液的复杂性, 所以仅选用一种聚合物并适应所有的条件。 进一步的研究表明，若将聚合物 B 和 C 与聚合物 A 复合使用，钻井液体系可以 适应更多的条件。表 5 概述了每一种聚 合物在钻井液中的特性。这些聚合物制成 干粉也可以很容易地溶解于淡水及盐水钻 井液中。钻井液钻井液淡水体系淡水体系 室内对这种新型钻井液置 于高温和固体污染物中污染一定时间后对 其热稳定

13、性进行研究。表 6 给出了加入 和不加惰性固体 1913 kg/m3(16 lb/gal)淡 水配方分别老化 16 和 64 小时后的钻井液 性能。 由于井下温度梯度变化很大，所以室内对 38232(100450)、不同 剪切速率下不同钻井液配方的流变性能进行了比较，研究过程中选用了带有程序加 热和自动获取数据系统的范氏 50C 型粘 度计。图 2 和 3 分别给出了配方 2 和 4 在 204条件下老化 64 小时后的钻井液 性能。由于配方 1 和 3 老化 16 小时的流变性能与前者很相似，其结果未给出。图 4 给出了与钻井液配方 1 相似的钻井液性 能。它是用 10 g NaCl 处理的

14、模拟海水钻 井液。该钻井液的 HTHP177（350） 滤失量为 28.0 ml。表 5 ： 新 型 稳 定 剂 特 性新型处理剂主 要 性 能不加该处 理剂情况聚合物 A稀释或稳定作用 胶凝作用、 抑制作用凝胶强 度过高聚合物 B抗膨润土污染API 失水、 HTHP 失水 明显增加聚合物 C降低粘、切力粘、切力 明显提高在400OF下老化64小时的淡水基泥浆体系(密度为16 lb/gal)用50C型范氏粘度计以不同的剪切速率测得的剪切应力020406080100120140160100150 200250300350 400450 温度,OF剪切应力,lb/10036100200300600

15、图2-无固相流变性曲线在400oF下老化64小时的淡水基泥浆体系(密度为16 lb/gal)用50C型范氏粘度计以不同的剪切速率测得的剪切应力020406080100120140160180100150200250300350400450 温度,OF剪切应力,lb/10036100200300600图3-有固相流变性曲线在400oF下老化16小时的海水基泥浆体系(密度为16lb/gal)用50C型范氏粘度计以不同的剪切速率测得的剪切应力020406080100120140160180200100150200250300350400450 温度,OF剪切应力,lb/100361002003006

16、00图4-海水基泥浆流变性曲线4室内还对表 6 的钻井液配方在不同 超高压下用范氏 70 型粘度计对其流变性 能进行了研究。因钻井液的不可压缩性， 该项研究意义不大。 表 6：老化 16h、64h 后淡水泥浆性能对比 钻井液配方1234 水，bbl0.6730.6730.6730.673 膨润土， lb/bbl6666流型控制剂， lb/bbl10101010NaOH，lb/bb l1111降失水剂， lb/bbl6666重晶石， lb/bbl412412412412Rev 灰（固 体） ，lb/gal3030泥浆比重， lb/gal16.016.016.016.0老化温度， 400400400400老化时间，h16641664 静切, lb/100ft2105080110重晶石沉降无无无部分 老化后 pH 值8.48.78.48.5 600（rpm）988682103 300（rpm）52