钻井液用抗盐聚合醇的优选与评价

董平华，侯珊珊，吴 宇，周书胜，可 点

（1.中海石油（中国）有限公司 天津分公司，天津300459；2.荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000）

随着国内油气勘探开发的逐渐加快，常规油气井已趋向饱和，越来越多恶劣地区的复杂井都已提上日程。与此同时，相应的钻井液技术也面临着安全快速钻井、油气层保护、环境保护等方面的巨大挑战。由此而产生了诸如聚合醇钻井液、硅酸盐钻井液、类油基钻井液、环保合成基钻井液等新型钻井液体系。其中，聚合醇钻井液由于其特殊的优点被广泛研究[1-5]，如无毒可生物降解，有助于环保；无荧光，不影响地质录井；核心材料聚合醇为一类非离子型处理剂，与其他处理剂配伍性好；具有浊点效应，兼具良好的润滑、抑制和封堵性能等。但市面上大多数聚合醇抗盐性较差，即在盐含量较高的溶液中容易产生“盐析”现象，导致聚合醇在高含盐钻井液中浊点大幅度降低，由于钻井液循环返出井口时仍然具有较高温度，其中的聚合醇还没来得及溶解于钻井液中就随钻屑一起被大量筛除，造成巨大的浪费，还影响了井下安全。室内通过自主合成研制并筛选出具有抗盐性能的聚合醇，避免了这样无端的浪费，且能充分发挥聚合醇的功效，为保障井下安全奠定了扎实基础。

1 实验部分

1.1 材料

膨润土、烧碱（NaOH）、纯碱（Na2CO3）、聚阴离子纤维素类降滤失剂PF-PAC-LV、聚丙烯酰胺类包被剂PF-PLUS、改性阳离子淀粉类降滤失剂PF-FLOCAT、生物聚合物增粘降失水剂PF-JHVIS、无机盐类抑制剂KCl和NaCl、小颗粒固体类润滑剂PFGRA、刚性封堵剂PF-HTC、重晶石，现场海水，中海油田服务股份有限公司；自主合成材料：丙三醇、乙二醇、催化剂、扩链剂，分析纯，天津市天力化学试剂有限公司。

1.2 仪器

DZKW-D-6型电热恒温水浴锅、ZNN-D6B型电动六速旋转粘度计、XGRL-4A型滚子加热炉、XYM-2型液体密度计、GJS-B12K型变频高速搅拌器、GGS42-A型高温高压滤失仪、SD6B型常温中压API滤失仪，青岛创梦仪器有限公司；FA型无渗透钻井液滤失仪（青岛海通达专用仪器厂）；EP-2型极压润滑仪、高温高压PPA封堵装置，美国Fann Instrument Company。

1.3 实验方法

1.3.1 3%膨润土浆的配制 取10L水边搅拌边缓慢加入300g膨润土，待膨润土分散均匀后慢慢加入质量为18g的Na2CO3均匀搅拌30min，将配制好的膨润土浆密封放置24h待用。

1.3.2 模拟现场钻井液的配制

（1）取水化24h后的3%膨润土浆400mL，将其置于高搅器上，以8000r·min-1的转速搅拌，并向其中加入2.0g NaOH和1.2g Na2CO3，搅拌5min；

（2）缓慢加入2.0g PF-PAC-LV，搅拌10min；

（3）继续缓慢加入0.4g PF-PLUS，搅拌10min；

（4）继续缓慢加入1.2g PF-JHVIS，搅拌15min；

（5）继续加入 24g KCl和 48g NaCl，搅拌 5min后加入聚合醇，搅拌10min后，继续加入2.0g PFGRA和20g PF-HTC，搅拌10min后，加入重晶石至密度为1.25g·cm-3。充分搅拌均匀后得模拟现场钻井液。

1.3.3 钻井液流变性的测定 参照国家标准GB/T 16783.1-2014《石油天然气工业中钻井液现场测试（第1部分：水基钻井液）》测试钻井液性能，评价钻井液流变性、失水造壁性（高温高压）、抑制性、封堵性和润滑性，其中流变测试温度为30℃，其他性能测试温度下文另作说明。

1.3.4 钻井液起泡率的测定

（1）将400mL加入了聚合醇样品的基浆倒入高搅杯中，并将高搅杯置于高速搅拌机上；（2）调整高速搅拌机的转速至 8000r·min-1；（3）启动高搅，并开始计时，搅拌5min后，关闭高搅；（4）将高搅杯内的基浆及泡沫快速转移至1000mL量筒中，记录基浆及泡沫的体积 V p。起泡率 P=（V p-400）÷400×100%。

1.3.5 聚合醇浊点的测定

（1）准备称取试样 1.0g（精确到 0.01g），加入100mL蒸馏水，搅拌使试样充分溶解，然后将溶液用慢速滤纸过滤；（2）量取15～20mL上述试样滤液，置于试管中，插入温度计，放在水浴中加热；（3）用温度计轻轻搅拌至溶液完全呈混浊状（溶液温度不超过混浊温度10℃），停止加热，在温度计搅拌下缓缓降温；（4）记录混浊完全消失时的温度。重复试验3次，取平均值，即为该浓度下聚合醇的浊点温度。

2 结果与讨论

2.1 聚合醇的作用机理

聚合醇钻井液核心材料为聚合醇，也称作多元醇和复合醇，其特点在于兼具优良的润滑性能、抑制性能和封堵性能。关于其作用机理，普遍认识如下。

2.1.1 吸附效应 聚合醇由于其分子中含大量醚键，溶于水后接触到粘土时会与水分子竞争吸附在粘土表面，从而产生体积较大的化合物层，如果钻井液或者地层水中含有钾离子，该化合物层会与钾离子产生协同效果，使吸附在粘土表面的聚合醇结构的有序性和致密性得到进一步提高，从而将同样吸附在粘土上的水分子排斥出去，起到减缓页岩表面水化，维持页岩持续稳定的作用。

国外学者在这一方面做了比较深入的研究，其中，Aston首先得出在聚合醇和KCl共存情况下，岩样在其中浸泡后的聚合醇浓度和水浓度与浸泡时长及处理剂的加量之间的函数关系，发现浸泡时间越长，或者聚合醇浓度越高，会出现含水量降低和聚合醇含量增大的情况。这说明在聚合醇与KCl共存的情况下，其中的聚合醇能够排斥出岩样中的吸附水，抑制泥页岩的表面水化。而Reid在其基础上做了机理分析，分析表明在聚合醇单独存在的情况下，虽然也能够吸附在粘土表面，但其抑制能力并未随着吸附量增加而增强，主要是因为形成在粘土之间的双分子化合物不稳定；而在聚合醇与KCl共存时，则主要以致密单分子结构定向排列在粘土层间，稳定性大增，能够有效控制泥页岩井壁稳定。

2.1.2 浊点效应 另一方面，聚合醇还具有浊点效应。其分子结构中含有的聚氧乙烯基团具有较强的亲水性，而聚氧丙烯基团则具有较强的疏水性，两者根据不同比例的调节可以改变聚合醇性能，使之对温度较为敏感，并随着温度的升高，疏水性增强引起溶解度降低从而在水溶液中以微乳液形式析出，表现出浊点效应。这一现象赋予了聚合醇良好的润滑性能、封堵性能和抑制性能。以微乳液形式存在的聚合醇会吸附在钻屑和泥页岩井壁表面形成疏水膜，起到抑制页岩表面水化的作用；同时还具备良好的润滑性能，能够降低钻具与井壁之间的摩阻；另外微乳液尺寸一般在纳微米级，可以有效封堵致密性地层的孔喉，起到一定封堵作用。而当温度下降到浊点以下时，原先析出的聚合醇乳液又开始溶解，这保证了聚合醇在钻井液中循环上返时不会被振动筛和其他固控设备除去。

2.2 聚合醇的研制与优选

称取一定的丙三醇与NaOH、催化剂、扩链剂加入到三口烧瓶中，边搅拌边通少量水溶解，不断通入N2排空氧气，边搅拌边升温至120～140℃，保持反应30min后，继续通入一定量乙二醇恒定反应1h，反应结束，用酸中和残余碱，将产物进行过滤，并加入一定量消泡剂混合均匀，得到最终产物即为所需的聚合醇。

通过上述反应，适当改变原料加量合成了5个样品聚合醇PCA-1～聚合醇PCA-5，按1.3.1中要求配制搬土浆，分别加入3%聚合醇样品，测定基浆中的润滑系数及其水溶液和12%NaCl+6%KCl盐水溶液中的浊点，实验结果见表1。

表1 聚合醇样品优选Tab.1 Polymer alcohol sample preference

从表1中可以直观的看出，聚合醇PCA-5的润滑系数降低率最高，起泡率最低，抗盐性最佳；其中聚合醇PCA-1润滑性好，但抗盐性差，盐水溶液中浊点大幅度下降；聚合醇PCA-3抗盐性好，但润滑差，起泡率高。综合考虑，优选聚合醇PCA-5为最佳配比的聚合醇样品。

2.3 聚合醇对钻井液性能影响评价

室内按照1.3.2配制现场模拟钻井液，加入不同加量的聚合醇PCA-5，在一定温度下老化16h后，分别评价其对流变、润滑、抑制、封堵性能的影响。

2.3.1 对流变性的影响

表2为六速旋转粘度计评价流变性的数据。

表2 聚合醇对钻井液流变性影响评价Tab.2 Evaluation of rheological effects of polyalcohol on drilling fluid

表2结果表明，聚合醇PCA-5加入到钻井液中后其粘切变化微小，表明该剂对体系的流变性影响较小，表现出良好的配伍性。

2.3.2 对润滑性的影响 室内评价了不同加量下的聚合醇对含盐钻井液润滑性的影响，实验结果见表3。

表3 聚合醇对钻井液润滑性能影响Tab.3 Effect of polymer alcohol on the lubrication performance of drilling fluid

表3结果表明，空白泥浆的润滑系数与温度关系并不大；而加了聚合醇PCA-5的泥浆在浊点温度以下时润滑性能改善有限，3%加量下润滑系数降低率仅13.2%；在浊点温度以上时润滑性能显著增强，3%加量下润滑系数降低率达到46.2%，且其抗盐性良好。

2.3.3 对抑制性的影响 取6～10目的模拟泥岩钻屑，分别加入到不同加量聚合醇的钻井液中，通过滚动回收率实验评价其抑制性，实验结果见表4。

表4 聚合醇对钻井液抑制性能影响Tab.4 Effect of polyalcohol on drilling fluid inhibition performance

表4结果表明，空白泥浆本身含较多无机盐，具有一定抑制泥岩钻屑分散的能力，但仍然不够；加入聚合醇PCA-5后，在浊点温度以下时，由于聚合醇的吸附效应，其与KCl产生了协同作用，抑制性得到提高，并随着加量增加而逐渐增强；在浊点温度以上时，吸附效应和浊点效应同时起作用，抑制性得到进一步加强。

2.3.4 对封堵性的影响 室内通过高温高压PPT封堵实验评价了聚合醇的封堵效果，实验结果见表5。

表5 聚合醇对钻井液封堵性能评价Tab.5 Evaluation of plugging performance of drilling fluid with polymer alcohol

表5结果表明，空白泥浆高温高压滤失量FLHTHP＞10mL，且100℃下测试的滤失量大于60℃下测试的滤失量。当加入聚合醇PCA-5之后，在浊点温度以下时，FLHTHP降低率很小；而在浊点温度以上时，FLHTHP降低率显著提高，3%聚合醇PCA-5加量下FLHTHP仅7.8mL。这说明聚合醇在浊点温度以上析出后，对沙盘孔喉起到了有效封堵，降低了滤失量。

3 结论

（1）室内采用丙三醇、乙二醇等多元醇为原料制备了5种不同浊点的聚合醇，并通过性能评价筛选出聚合醇PCA-5为最优产品，3%聚合醇PCA-5水溶液浊点为 87℃，盐水溶液（6%KCl+12%NaCl）浊点为72℃，抗盐性能良好。

（2）聚合醇PCA-5与钻井液配伍性良好，对流变性影响较小。

（3）聚合醇PCA-5兼具良好的润滑、抑制和封堵性能。钻井液中加入3%聚合醇PCA-5，当温度在浊点以上时，润滑性方面，润滑系数从0.1538降低至0.0828，降低率达到46.2%；抑制性方面，滚动回收率从70.8%提高到96.1%，提高率达到35.7%；封堵性方面，高温高压滤失量FLHTHP从12.6mL降低至7.8mL，降低率达到38.1%，效果显著。