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1、1新型保护环境的高温水基泥浆体系CJThaemilitz 等著 邓建玲 译摘要：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
2、（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： 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
3、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
4、（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
5、性结构溶液中的交联结构水水图 1-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
6、分可达 30%左右。实验研究 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。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 1.5
7、3 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 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 10min， 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
8、粘度明显降低，失去悬浮能力。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。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
9、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/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）6
10、00 48聚合物 2（交联聚合物）16300 32 9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 初始 1.5 小时3 小时600 55 41 35 20 21 22300 34 28 23 11 12 13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) 68 50 42 50300(rpm) 45 25 23 30PV 23 25 19 20YP 22 0 4 10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
11、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 A600(rpm) 271 190300(rpm) 180 118200(rpm) 140 89100(rpm) 89 536(rpm) 12 83(rpm) 7 5PV，cP 91 72YP,lb/100ft2 89 4610 s gel 8 610 min gel 8 7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
12、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
13、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/g
14、al)用 50C型 范 氏 粘 度 计 以 不 同 的 剪 切 速 率 测 得 的 剪 切 应 力020406080100120140160100 150 200 250 300 350 400 450温 度 ,OF剪切应力,lb/10036100200300600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020406080100120140160180100 150 200 250 300 350 40
15、0 450温 度 ,OF剪切应力,lb/100 36100200300600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020406080100120140160180200100 150 200 250 300 350 400 450温 度 ,OF剪切应力,lb/10036100200300600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
16、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 1 2 3 4水，bbl 0.673 0.673 0.673 0.673膨润土，lb/bbl 6 6 6 6流型控制剂，lb/bbl 10 10 10 10NaOH，lb/bbl 1 1 1 1降失水剂，lb/bbl 6 6 6 6重晶石，lb/bbl 412 412 412 412Rev 灰（固体） ，lb/gal 30 30泥浆比重，lb/gal 16.0 16.0 16.0 16.0老化温度， 400 400 400 400老化时间，h 16 64 16 64静切, lb/100ft2 10 50 80 110重晶石沉降 无 无 无 部分老化后 pH 值 8.4 8.7 8.4 8.5600（rpm） 98 86 82 103300（rpm） 52 4
