环境友好型无铬高温高压水基钻井液的应用研究

20世纪七、八十年代，铬木质素磺酸盐由于具有良好的热稳定性、能够平衡控制钻井液高温高压滤失量和流变性并有效防止高温胶凝而成为高温水基钻井液的常用处理剂[1，2]。然而，随着环保要求的日益严格，含铬钻井液处理费用增加，人们开始寻求与铬木质素磺酸盐性质相似、环境友好的无铬处理剂。一种方法是使木质素磺酸盐与非铬金属离子络合；另一种方法是用新型无铬合成聚合物作为铬木质素磺酸盐的替代品[3]。尽管无铬处理剂的研究已取得一定进展，但面临的最大挑战仍是如何合成聚合物，使之实现平衡控制钻井液高温高压滤失量和流变性能且对环境友好。

作者在此对添加不同新型无铬合成聚合物的6种高温高压水基钻井液体系进行了性能对比，并介绍了基于新型无铬合成聚合物的高温高压水基钻井液体系的现场应用。

1 实验

1.1 材料与仪器

钻井液用膨润土，重晶石，有机胺，甲酸酯，除氧剂，钻井液用滤纸(φ90 mm、φ63.5 mm)。

Fann-35型粘度计，Hamilton型混频搅拌器，71型高温高压失水仪，API失水仪，XGRL-2型数显式磙子加热炉，电子天平。

1.2 新型无铬合成聚合物(表1)

表1 新型无铬合成聚合物

1.3 高温高压水基钻井液的配制

准确量取6份590 mL自来水(80℃)，倒入编号1#～6#的1 L钻井液杯中，然后按表2准确称取处理剂并逐次加入钻井液杯中，每加一种处理剂后匀速搅拌30 min；钻井液配制完毕后静置24 h，备用。其中1#、2#、6#添加有机胺作稳定剂；2#～6#添加甲酸酯作分散剂。

1.4 高温高压水基钻井液性能测试

将钻井液于230℃滚动老化16 h后，按GB/T 16783-1997水基钻井液现场测试程序测定钻井液老化后流变性及高温高压滤失量；按API标准测试钻井液老化后的静态剪切强度[4]。

2 结果与讨论

钻井液经230℃滚动老化16 h后的性能见表3。

表2 新型无铬合成聚合物高温高压水基钻井液配方/g

表3 6种钻井液经230℃滚动老化16 h后的性能

由表3可知，1#钻井液的塑性粘度满足要求，动切力 、高温高压滤失量大，表明高浓度聚合物(A+B)使钻井液结构增强，但并未降低钻井液高温高压滤失量；2#钻井液的高温高压滤失量满足要求，但塑性粘度、动切力过大，钻井液流变性不好；3#钻井液的各项性能均满足要求，表明添加聚合物D的高温高压水基钻井液性能优良；4#钻井液的动切力满足要求，但塑性粘度过大；5#钻井液的塑性粘度高达70 cP·s，同时高温高压滤失量偏大；6#钻井液的塑性粘度高于上限值，但动切力、静态剪切强度和高温高压滤失量满足要求，表明聚合物H也能较好地控制钻井液高温高压滤失量和流变性；1#钻井液老化后静切力明显高于2#～6#钻井液，表明甲酸酯作分散剂，可防止钻井液高温胶凝。

对比分析可知：(1)添加聚合物D的3#钻井液具有最佳的塑性粘度、动切力、静态剪切强度和高温高压滤失量。添加聚合物H的6#钻井液性能仅次于3#钻井液。(2)钻井液老化后的静态剪切强度反映钻井液高温胶凝程度，其值越大，则高温胶凝程度越严重，钻井液3#、6#的静态剪切强度最低，表明丙烯酰胺、磺化单体、乙烯噻吩三元共聚物D能很好地控制高温高压水基钻井液的流变性能和滤失量，并有效防止钻井液高温胶凝，是高温高压水基钻井液的首选处理剂。

3 现场应用

3.1 现场技术要求

将基于新型无铬聚合物开发的环境友好型高温高压水基钻井液分别用于南美、东非及东欧地区的3口井。现场应用中对钻井液有如下要求：(1)深部高温地层需具有良好的热稳定性、流变性和低的滤失量。(2)东非近岸浅水域严禁使用重晶石等黑色粉末，钻井液需保证低固相含量。(3)为维持钻井液性能稳定，需有效防止钻井液二氧化碳和硫化氢中毒。

3.2 现场技术措施

现场采取了以下3项技术措施，使高温高压水基钻井液保持了良好的性能(表4)。(1)南美、东非地区基于3#钻井液，通过添加聚合物D维持较低的高温高压滤失量，防止滤液进入地层，对地层伤害轻。通过添加分散剂使动切力维持在10 Pa以内，防止了高温胶凝。尤其东非地区通过聚合物D与流变性调节剂协同作用实现了平衡控制高温流变性和高温高压滤失量， 使经 230℃老化48 h后钻井液高温高压滤失量仍

表4 高温高压水基钻井液经200℃/230℃老化16 h后的性能

满足要求(低于35 mL)。(2)东欧地区通过添加聚合物C、I与流变性调节剂协同作用，使塑性粘度始终控制在40 cP·s以内，维持了良好的钻井液流变性，同时通过添加酚醛树脂分散剂将动切力控制在9 Pa以内，防止了高温胶凝。钻至200℃高温层时，通过调节重晶石加量使钻井液密度由2.0 g·cm-3成功增至2.3 g·cm-3，而对流变性无影响。(3)以4～6 g·L-1的加量加入生石灰和H2S吸收剂，有效防止钻井液CO2和H2S中毒。

3.3 现场应用效果

(1)基于新型无铬合成聚合物开发的环境友好型高温高压水基钻井液在南美、东非及东欧地区的应用是成功的。合成聚合物与分散剂协同作用，有效控制钻井液粘度和高温高压滤失量；酚醛树脂用于防止钻井液高温胶凝和调节钻井液高温高压滤失量；滤饼填充剂用于降低滤饼渗透率和厚度。

(2)该钻井液配方具有很好的灵活性，通过调节聚合物、分散剂、酚醛树脂、流变性调节剂及滤饼填充剂5大处理剂的加量，可使钻井液满足不同技术要求。因此可用于开发适用于不同要求的高温高压水基钻井液体系。

(3)该钻井液完钻的井，环境污染轻，满足环境友好型要求。

4 结论

(1)丙烯酰胺、磺化单体、乙烯噻吩三元共聚物D能很好地控制钻井液的流变性和高温高压滤失量，并有效防止钻井液高温胶凝，是高温高压水基钻井液的首选处理剂。

(2)现场应用结果表明，基于新型无铬合成聚合物的高温高压水基钻井液配方具有良好的灵活性，可用于开发适用于不同要求的环境友好型高温高压水基钻井液体系。

参考文献：

[1] 鄢捷年.钻井液工艺学[M].东营:石油大学出版社,2001：224-228.

[2] 黄汉仁.泥浆工艺原理[M].北京：石油工业出版社,1998：195-197，200-202.

[3] Marin J,Shah F,Serrano M,et al.First deepwater well successfully drilled in Colombia with a high-performance water-based fluid[C].SPE 120 768,SPE Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference,Cartagen,Colombia,2009.

[4] 李公让,赵怀珍，薛玉志，等.超高密度高温钻井液流变性影响因素研究[J].钻井液与完井液,2009,26(1):12-14.