油基钻井液用抗高温树脂类封堵剂的研制

＊程荣超 王建华 闫丽丽 张继国 兰笛 李颖颖

（1.中国石油集团工程技术研究院有限公司 北京 102206 2.中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井液公司 北京 100108）

引言

近年中国非常规油气的开采力度不断加大，随之而来的是钻井难度的不断增大。针对此问题，由于油基钻井液[1-2]具有相较于水基钻井液更好的抑制和润滑能力，导致其使用频率逐渐增加。但是油基钻井液通过微裂缝进入地层，液相压力通过微裂缝传递会导致其井壁失稳。因此，提高油基钻井液的封堵性能是解决油基钻井液井壁失稳问题的关键途径[3-4]。目前油基钻井液封堵材料[5-6]主要有无机封堵剂如二氧化硅及其改性物[7]、超细碳酸钙、氧化铁类和铁基/钙基改性材料，和有机封堵剂[8-9]如交联聚合物、铝络合物类[10]、沥青类材料[11]居多。但无机封堵剂悬浮性差，刚性较强不易变形导致封堵性能较差；有机封堵剂在高温条件下易分解导致封堵失效。而高分子树脂类材料[12-13]作为油基钻井液封堵剂还有待进一步研究，本文基于此研制出一种油基钻井液用丙烯酸树脂类封堵剂，能显著提高油基钻井液的封堵性，有望改善油基钻井液的井壁失稳问题。

1.实验部分

(1)实验药品与仪器

实验药品：苯乙烯（ST，纯度大于99.0%）、甲基丙烯酸甲酯（MMA，纯度99.0%）、丙烯酸十八酯（纯度大于98.0%）、过硫酸钾（K2S2O8，纯度大于99.0%）、乳化剂OS（MS-1，纯度40.0%）、三烯丙基异氰脲酸酯（TAIC，纯度98.0%），所有钻井液处理剂由长城钻探钻井液公司提供。

实验仪器：傅立叶红外光谱仪：IRTRacer-100，日本岛津；六速旋转黏度计：ZNN-6型，青岛海通达；泥浆失水量测定仪：SD-3型，青岛同春石油仪器有限公司；高温高压失水量测定仪：GGS71-B型，青岛同春石油仪器有限公司；滚子加热炉：BGRL-45型，青岛同春石油仪器有限公司；破乳电压测试仪：Fann23D，美国FANN；中压砂床滤失仪：FA型，青岛胶南分析仪器厂；高温高压动静态封堵仪：HKY型，海安石油科研仪器有限公司。

(2)实验方法

①封堵剂的制备

取100mL去离子水加入到烧杯中，向其中加入乳化剂OS 1g，在500r/min的搅拌速度下，将MMA 14g、丙烯酸十八酯3g、ST 30g、TAIC 0.08g加入到烧杯中，持续搅拌30min，形成稳定的水包油预乳液；将预乳液加入到四口烧瓶中，在80℃下油浴加热，通入氮气，升温后滴加过硫酸钾引发剂（单体总质量3%，溶于2.5mL去离子水中）在200r/min搅拌速度下反应4h；反应完成后，置于烘箱中在105℃下干燥24h，粉碎即得封堵剂产品。

图1 封堵剂分子结构示意图

②封堵剂的表征

将封堵剂样品在105℃真空环境下烘干后研磨成粉末，使用IRTracer-100型红外光谱仪，利用KBr压片法在室温下测量其FT-IR光谱，频率范围为500cm-1到4000cm-1，分辨率为4cm-1。

③油基钻井液基浆的配制

首先配置质量分数为20%的CaCl2水溶液80mL，将320mL的5#白油置于高脚杯中，以6000r/min的转速不断搅拌的条件下，缓慢加入80mL之前配置好的CaCl2水溶液，随后缓慢加入1.5%的主乳化剂和2%的辅乳化剂。10min后，按顺序加入质量分数为3%的有机土和3%的CaO。随后将搅拌转速提高至9000r/min，持续搅拌30min，得到油水比为4:1的一份油基钻井液基浆。

④封堵剂性能评价

中压砂床实验：按照实验测试的相关要求，向配制好的油基钻井液基浆中添加一定浓度的封堵剂，5000r/min转速下搅拌20min制备成相应测试基浆，将需要测试的基浆加入至滚子加热炉中在180℃/16h的老化条件下进行老化，得到老化后的相应测试基浆。取一定实验要求目数范围内的干燥石英砂，倒入至中压砂床封堵仪的钢化玻璃圆柱筒中至350mL刻度，多次敲打压实后将测试基浆缓慢倒入至250mL刻度，加压至0.7MPa后开始计时，30min时对测试基浆在砂床中的侵入深度和滤失量进行记录。

高温高压静态砂床封堵实验：针对井下的复杂条件和油基钻井液的施工要求，选用高温高压动静态封堵仪模拟井下的漏失情况，选用一定目数范围的干燥石英砂填入至仿真模型中，将安装好的仿真模型接在测试釜体的下端，然后向釜体中加入老化后的含有不同浓度封堵剂的油基钻井液基浆，按照操作说明书安装和封死所有的实验要求管线和阀门后，按下开始开关，同时点击电脑上的实验开始，按照实验流程依次加压并保持1MPa/10min的加压速率，最后得到实验结果。

⑤封堵剂对油基钻井液基浆流变和滤失性能影响

取4份400mL油基基浆在7000r/min的转速下，分别向其中加入0g、4g、8g、12g的封堵剂，充分搅拌40min。搅拌完成后，在常温下使用六速旋转粘度计和泥浆失水量测定仪测试钻井液的流变和API滤失性能，记录数据。

常温流变和API滤失测试完成后，将剩余的钻井液分别装入老化罐中，在200℃/16h条件下滚动老化，结束后取出冷却至常温，在7000r/min的转速下，搅拌40min，搅拌完成后使用六速旋转粘度计、泥浆失水量测定仪和高温高压失水仪（200℃，压差3.5MPa）测试老化后的流变、API滤失量和高温高压滤失量。

2.结果与讨论

(1)封堵剂的结构表征

图2为封堵剂的红外光谱图。694cm-1、758cm-1为单取代苯环C-H键的面外变形峰，1602cm-1为苯环C=C骨架的弯曲振动峰，表明苯乙烯参与反应；980cm-1为-COO-的面内变形峰，1197cm-1为-C-O-C-的伸缩振动峰，1373cm-1为-CH3的对称变形振动峰，1450cm-1为-CH2-的弯曲振动峰，1728cm-1为C=O的伸缩振动峰，表明甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸十八酯参与反应；2931cm-1为主链-CH2-的不对称伸缩振动伸缩振动峰，红外谱图显示合成材料为目标产物。

图2 封堵剂的红外光谱图

(2)性能评价

①中压砂床封堵实验

选用20-40目、40-60目和60-80目的石英砂，分别对加入质量分数为1%、2%和3%封堵剂的油基钻井液剂将进行中压砂床封堵实验，实验结果见图3。由图3分析可知，随着砂床粒度的不断降低，相同封堵剂加量下油基钻井液对砂床的侵入深度不断降低，说明封堵效果逐渐增强。合成的丙烯酸树脂封堵剂对三种目数范围砂床的侵入深度均较浅，说明封堵剂封堵效果良好且能够适应一定范围内的封堵尺度要求。同时，随着封堵剂加量的上升，封堵效果逐渐增强，2%封堵剂加量的油基钻井液与3%加量的情况时封堵效果相近，说明2%为封堵剂最优加量。

图3 中压砂床封堵实验结果

②高温高压静态砂床封堵实验

高温高压动静态封堵仪，选择20-40目和40-60目的石英砂构建仿真模型且安装好后，向测试釜体中加入180℃/16h老化后含有2%质量分数封堵剂的油基钻井液基浆，按照实验方案进行180℃高温高压静态封堵实验，得到相应的突破压力和对应时间的漏失量如下表1。

表1 封堵剂承压能力

由表1可知，两种不同目数的砂床仿真模型中，2%加量的封堵剂的漏失量均在60g-70g左右，能够有效地对不同目数范围的砂床及进行封堵。同时发现，两种仿真封堵模型突破压力均为7MPa，说明承压极限为6MPa。

(3)封堵剂对钻井液性能的影响

不同浓度封堵剂对油基钻井液基浆性能的影响如表2所示。由表2可见，200℃热滚16h后，加入不同浓度封堵剂的油基钻井液的粘度和动切力都有所增加，但是增量都比较小；破乳电压基本没发生变化，说明封堵剂可以有效的保持油基钻井液的电稳定性。老化前油基钻井液基浆的泥浆失水量（FLAPI）为6.4mL，当加入了1%封堵剂后，FLAPI减小到4.4mL，表明封堵剂具有优异的封堵性能；当封堵剂的加量为2%和3%时，FLAPI分别为2.4mL、2.2mL；加量为3%时，API滤失量与加量为2%时的滤失量相差较小，出于经济性考虑，封堵剂的最优加量为2%；此外老化后，FLAPI都有所增大，但是变化量都很小，表明封堵剂具有优异的抗温能力。

表2 封堵剂对钻井液性能的影响

对老化后的基浆和含不同浓度封堵剂的油基钻井液进行高温高压滤失量（200℃，压差3.5MPa）测定，如图4所示，可以很明显的观察到当封堵剂的加量为1%时，高温高压滤失量从14mL降到10.8mL，随着封堵剂的浓度增加，滤失量进一步减小，表明封堵剂具有优异的抗温、承压和封堵性能。当加量大于2%时，高温高压滤失量变化量很小。

图4 添加不同浓度封堵剂的油基钻井液高温高压滤失量

3.结论

（1）采用乳液聚合法，以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸十八酯为单体，合成了一种丙烯酸树脂类封堵剂。红外光谱实验表明单体之间进行了反应，合成材料为目标产物。

（2）中压砂床封堵实验和高温高压静态砂床封堵实验结果表明，合成的封堵剂对不同粒径的砂床都具有优良的封堵效果，可有效降低滤失量，且承压能力达6MPa。

（3）封堵剂对油基钻井液的流变性能影响不大，在提高油基钻井液电稳定性的同时，还显著降低了滤失量。

（4）封堵剂具有优异的抗高温能力，200℃老化后，仍具有较好的降滤失效果和封堵效果。