抗高温抗复合盐聚合物降滤失剂研究与应用

时间：2024-09-03

万伟，黄平，李轩，廖清清, 唐纯洁

(1中石油川庆钻探工程有限公司钻井液技术服务公司 2中石油川庆钻探工程有限公司页岩气勘探开发项目经理部 3中石油西南油气田分公司天然气研究院)

随着全球经济的飞速发展，世界各国对油气资源的需求日益增加，预计到2035年，油气资源在全球能源消费中仍占一半以上的比例。据调查，我国有超过50%可进行开采利用的油气资源埋藏较深，在深部地层钻井过程中，随着井深的增加，一方面井下的高温高压环境导致钻井液密度高且性能维护处理空间狭窄;另一方面，地质结构更加复杂，膏盐层或高压盐水等复杂地质情况时有出现，对钻井液的维护处理稍有不当均将导致井下复杂事故的发生[1-4]。同时，随着全球环保意识的增强，作为钻井液体系中的核心处理剂，不含重金属且可降解的聚合物类抗温抗盐降滤失剂逐渐成为全球油田化学领域研究的重点。目前，国外各研究机构开展了大量研究，取得了较为丰硕的成果，但国内相关研究起步相对较晚，有一定研究成果，但工业化产品较少。

一、技术路线

本文以抗高温抗复合盐聚合物降滤失剂性能要求为出发点，根据目前聚合物降滤失剂的抗温抗盐能力较弱原因分析，即：聚合物分子中的主链和侧链中原子间键能较弱，在高温条件下主链或侧链发生断裂，聚合物分子降解后不具有功效；在高盐环境中，聚合物分子中的功能基团卷曲，未能很好伸展开而吸附在黏土颗粒表面发挥其应有的功效。经分子结构设计、聚合单体优选，采用氧化还原引发体系，通过共聚合反应合成以乙烯基磺酸盐、乙烯基酰胺盐、乙烯基吡咯烷酮为主要单体的聚合物降滤失剂[5-7]。本文对该聚合物降滤失剂的工业化产品进行产物表征、热重分析、应用性能评价和现场应用，均反映出其具有很好的抗高温、抗复合盐能力，且在现场应用中获得了成功。

二、作用机理

本文研究的抗高温抗复合盐聚合物降滤失剂主要通过其主链的高键能和功能基团的作用效能使其具有较好的抗高温、抗复合盐的能力，其作用机理如下：首先，该降滤失剂主链仅为碳碳键，碳原子之间形成高键能的共价键，使得该共价键在高温、高压、高复合盐环境条件下具有较强的化学稳定性；其次，该降滤失剂侧链釆用C-S、C-C、C-N等键能较髙、热稳定性好的联结方式，进一步保证共聚物在高温、高压、高复合盐环境下保持稳定；最后，分子链中选用酰胺基为非离子吸附基团、磺酸基团为阴离子水化基团、吡咯烷基为刚性支撑基团，在保证聚合物具有强刚性结构的同时形成较强溶剂化层，从而起到抗高温、抗复合盐污染的作用。

三、产物表征

采用红外光谱仪对合成的高效封堵剂进行结构表征见图1。由图1可知：波数为3 447 cm-1对应-NH2伸缩振动峰；波数为2 918 cm-1对应脂肪族C-H伸缩振动峰，即-CH3与-CH2-伸缩振动峰；波数为1 670 cm-1对应-CONH2中C=O伸缩振动峰；波数为1 195 cm-1对应磺酸基不对称吸收峰；波数为1 030 cm-1对应磺酸基对称特殊吸收峰；在波数为3 050～3 110 cm-1处没有出现C=C伸缩振动峰。通过以上对红外光谱分析可知，合成的产物中含有甲基、亚甲基、酰胺基、磺酸基等，且无C=C，可以判断单体之间发生了较为充分的共聚反应。

图1 聚合物降滤失剂红外光谱图

四、产物性能评价

1. 热重分析

热重分析是指在通过程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，主要用来研究材料在高热环境下结构稳定性。通过热重分析图2可知，该降滤失剂于235℃前质量略微有所下降，分析其主要原因是由于其分子中的吸附水在高温环境下脱水造成，说明其在240℃以下基本无热分解，热稳定性较好。当温度升至240℃左右时，曲线迅速下降，表明此温度下该降滤失剂分子结构开始分解，分析其原因主要是由于侧链上的酰胺基、磺酸基和羟基等的热分解所导致。当温度升至420℃左右时，该降滤失剂的质量分数仍然在50%以上，说明其具有较高的热稳定性。综上所述，该降滤失剂在230℃环境下自身不会分解，分子结构具有较好的热稳定性。

图2 聚合物降滤失剂热重分析图

2. 环保性能

对形成的抗高温抗复合盐聚合物降滤失剂进行环保性能评价，主要测试其生物毒性和生物降解性。其中：生物毒性评价方法参照标准Q/SY 111-2007《油田化学剂、钻井液生物毒性分级及检测方法发光细菌法》，通过测定其EC50值进行判定，EC50≥10 000 mg/L则判定为实际无毒；生物降解性评价方法则通过测定其BOD5与COD的比值进行判定，BOD5/COD≥25%则判定为易降解。该聚合物降滤失剂测定结果见表1。

表1 聚合物降滤失剂环保性能评价

通过表1数据可知，该聚合物降滤失剂EC50测定值为58 700 mg/L，大于10 000 mg/L，达到实际无毒标准，BOD5/COD比值为51.26%，大于25%，达到易降解标准。由此可知，该聚合物降滤失剂对环境的影响较小，具有很好的环保性能。

五、应用性能评价

采用一套目前现场应用较为成熟的抗复合盐聚合物钻井液体系作为基础配方，加入2%抗高温抗复合盐聚合物降滤失剂，其具体配方为：5%膨润土+0.5%碳酸氢钠+1%聚合物包被剂+2%抗高温抗复合盐聚合物降滤失剂+3%环保润滑剂+0.1%抗高温乳化剂+0.1%亚硫酸氢钠+重晶石。以此配方为评价其基础性能、抗温能力、抗盐能力等。

1. 基础性能

按照上述配方配制聚合物钻井液体系，测定其配置后的基础性能，并将其置于恒温滚子炉中，在160℃条件下恒温滚动16 h，冷却至室温，高速搅拌20 min后进行性能测试，测试结果见表2。

表2 钻井液基础性能评价

通过表2数据可知，热滚前，该钻井液体系的黏度和切力相对热滚后高，但是现场设备完全能够满足配制的需求。热滚后，黏度和切力有所降低，该流变性能够为钻进过程中提供很好的携带和悬浮钻屑的能力，同时，其高温高压滤失量低，可有效避免过多水分进入井壁后造成的井壁失稳垮塌。由此可知，该聚合物降滤失剂配伍性较好，且在保证体系具有一定黏度和切力的同时还具有很好的滤失控制能力。

2. 抗复合盐能力

在配制好的配方中，按比例加入一定质量体积比的氯化钠，充分搅拌1 h后，在160℃条件下恒温滚动16 h，冷却至室温，高速搅拌20 min后进行性能测试，以此评价该钻井液体系的抗一价盐污染能力，测定结果见表3。

表3 抗一价盐污染能力评价

在加入30%氯化钠后，再按比例加入一定质量体积比的氯化钙，充分搅拌1 h后，在160℃条件下恒温滚动16 h，冷却至室温，高速搅拌20 min后进行性能测试，以此评价该钻井液体系的抗二价盐污染能力，测定结果见表4。

通过表4数据可知，该聚合物钻井液体系在受到复合盐污染后，其黏度和切力下降，HTHP滤失量增大，但变化幅度均较低。分析原因主要是功能基团中的吡咯烷基依托其较强的刚性结构抑制聚合物在高盐环境下的卷曲，使功能团有效发挥其各自作用所致。由此可知，该聚合物降滤失剂具有很强的抗复合盐污染的能力，完全能够满足井底膏盐污染环境下的钻井所需。

表4 抗二价盐污染能力评价

3. 抗温能力

为保证加入有抗高温抗复合盐聚合物降滤失剂的钻井液体系能够适用于井底温度高的深井、超深井中，在配制好的配方中加入30%氯化钠和0.5%氯化钙后，充分搅拌1 h，分别在不同温度条件下恒温滚动16 h，冷却至室温，高速搅拌20 min后进行性能测试，以此评价该钻井液体系的抗温能力，测试结果见表5。

表5 抗温能力评价

通过表5数据可知，该聚合物钻井液体系在180℃条件下仍具有较好的综合性能，随着温度升高至200℃、210℃后，钻井液黏度和切力明显降低，HTHP滤失量明显增大，尤其是在210℃条件下影响更加明显。由此可知，该聚合物降滤失剂至少完全能够满足井底温度180℃环境下的钻井作业所需。

六、现场应用

目前，四川盆地高磨区块作为勘探开发较为成熟的区域之一，其地质结构的掌握和工程措施的准备均较为完善，同时，该区块在整口井的钻井作业过程中会面临膏盐污染、高密度、井底较高温度的情况，故此，于2018年选取此区块对该聚合物降滤失剂开展现场试用[8]。该区块以灯影组为目的层，垂深在5 000 m以上，井底温度为150℃左右，井身结构为五开井。钻井过程中，将分别钻遇含有大段石膏层的雷口坡组～嘉陵江组、地层压力大且处于造斜段的嘉二段～筇竹寺组、井底温度较高且处于大斜度段的灯影组，这就要求钻井液性能需满足具有较好的抗盐污染、高密度条件下的良好流变性、抗高温能力以及具有很好的润滑性。钻井液配制过程中，采用该聚合物降滤失剂与润滑剂、无机盐、有机盐、乳化剂等进行复配，使其达到钻井所需，选取具有代表性的某口井为例，各段钻井液主要性能见表6。

表6 各段钻井液主要性能

通过表6数据可知，采用该聚合物降滤失剂配制的钻井液在穿越大段膏盐层时有效克服了膏盐对钻井液性能的影响、高地层压力井段很好的解决了高密度和流变性的矛盾、较高井底温度段仍具有很好的综合性能以及造斜井段和水平井段保证了很好的润滑性能。同时，与同类型井对比，其机械钻速、钻井周期、井径扩大率、起下钻摩阻、传输电测和下套管一次成功率等无较大差异。目前，该聚合物降滤失剂已成功应用于川渝地区多个区块、70余口井次，下步将持续在更高井底温度的区块对其进行推广应用。