抗高温水基钻井液处理剂研究进展

刘瑞，于培志

(中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083)

近年来，油气资源勘探开发不断向深部发展，基于深部、超深部储层的高温环境，钻井液性能的稳定性面临着巨大挑战。油基钻井液抗温性佳，性能稳定，同时具备抑制性强、润滑性好等优势，但是油基钻井液极易造成污染，严重限制了它的进一步发展，抗高温高性能的水基钻井液体系成为了众多学者的研究重点。高温对水基钻井液体系的影响主要体现在对处理剂的影响上[1-3]，因此，研究开发抗高温水基钻井液处理剂，对深层、超深层油气资源勘探开发具有重要意义。笔者简要概述了水基钻井液处理剂在高温下存在的问题，并从增强分子结构、改善聚集态结构、添加纳米材料等方面综述了近年来抗水基钻井液关键处理剂的研究与应用进展，并对其发展方向进行了展望。

1 水基钻井液处理剂在高温下存在的问题

目前，水基钻井液关键处理剂以高分子聚合物为主，其在高温环境下主要存在两方面的问题：①高温降解。深井高温环境下，高分子聚合物处理剂易发生高温水解，钻井液循环过程中的剪切作用会加剧水解，造成处理剂分子主链与支链的断裂，失去效果，进而影响钻井液体系的性能；②高温交联。当高分子聚合物处理剂分子链中含有活性基团或者不饱和键时，在高温的作用下，活性基团之间会出现彼此交联反应，使处理剂分子量显著增大，导致处理剂作用效果变差[4-5]。针对上述问题，国内外学者通过增强分子结构、改善聚集态结构、添加纳米材料等方式研发了一系列抗高温高性能水基钻井液处理剂，对上述研究进行梳理分析，对抗高温水基钻井液关键处理剂的进一步研发具有重要的指导作用。

2 抗高温水基钻井液关键处理剂研究进展

2.1 增强分子结构

增强优化聚合物分子结构是提高其耐温性能的关键手段。研究表明：—C—C—抗温性能优异，适合作为聚合物处理剂的主链；将苯环等刚性基团或者大型基团引入聚合物侧链，能够提高分子运动时的空间位阻，可显著提高聚合物处理剂抗温性能[6]。

胡正文等[7]引入长链季铵盐单体11-丙烯酰氧基十一烷基-二甲基-羟乙基溴化铵(ADAB)，将其与丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚得到了聚合物降滤失剂PAAAA。含1.5%(w)PAAAA的淡水基浆200 ℃老化后，中压滤失9.0 mL，高温高压滤失16.0 mL，抗温性能优异。Aghdam等[8]通过自由基聚合，使用1-乙烯基咪唑(VI)、AM、AMPS合成了一种三元共聚抗高温降滤失剂AAV，与传统改性淀粉类降滤失剂相比，AAV可形成更加平滑致密的泥饼，180 ℃高温老化后AAV具备更低的滤失量。采用反向乳液聚合的方式，Huo等[9]利用苯乙烯磺酸钠(SSS)、AM、AMPS研制了一种三元共聚物，含有1.2%该共聚物的水基钻井液体系在160 ℃老化16 h后，API滤失量为9.4 mL，降滤失效果远优于SMC、SMP-Ⅱ等传统降滤失剂。同时，该共聚物能够使钻井液体系在高温下保持良好的流变性，保证了对岩屑的有效悬浮与携带。张现斌等[10]采用自由基聚合，制备了四元共聚物增粘剂ANAD，由于ANAD分子链中含有刚性基团与大分子侧链，赋予了其优异的抗温、抗盐与抗剪切的能力，其在15%盐水基浆中抗温可达180 ℃，在淡水基浆中抗温可达230 ℃，性能远优于80A51等传统增粘剂。Cao等[11]通过引入4-乙烯基吡啶(VP)提高了分子链的刚性，进而提高了AM、AMPS、VP三元共聚物处理剂的耐温性能，同时，带正电的VP基团可增强该共聚物与膨润土之间的相互作用，改善膨润土颗粒的胶体稳定性，显著提高钻井液体系的抗温抗钙能力，实验表明，CaCl2污染浓度在20%时，含1%该共聚物降滤失剂的钻井液体系150 ℃老化16 h后，API滤失仅为8.2 mL。 邱正松等[12]选取温敏性单体N-乙烯基己内酰胺(NVCL)，以自由基胶束乳液聚合法，将其与N,N-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)以及对苯乙烯磺酸钠(SSS)共聚制得抗高温增粘剂SDTP，SDTP分子链中具有苯环刚性侧链以及NVCL的七元环侧链结构，提升了空间位阻，增强了SDTP分子主链的刚性，从而提高了其抗温性能，含有0.3% SDTP的水基钻井液体系230 ℃老化后仍具备优异的性能，南堡油田南堡3-81井现场应用证明了SDTP能够在低密度、超高温环境下发挥良好的作用，保证了钻井施工的顺利进行。

通过多元共聚等方式增强分子结构能够显著提高水基钻井液聚合物处理剂的抗温性能，此类研究较多，应用也较为成熟。但部分聚合物处理剂制备过程中单体原料单一，反应繁琐，产出率低，工业化生产条件较差，难以形成高的经济效益。可结合反应机理进一步深入研究，提高生产效率与经济价值。

2.2 改善聚集态结构

高分子聚合物分子链的排列状态称为聚集态结构，通过疏水缔合、引入两性离子等方式改善聚合物聚集态结构以提高抗温性能，是众多学者研究的重点。

两性离子聚合物分子链中同时含有阴、阳离子基团，正负电荷之间的静电作用有利于提高聚合物在高温环境下的稳定性[13-14]。李斌等[15]使用对苯乙烯基磺酸钠(SSS)、AMPS两种磺酸基单体，选用阳离子单体二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)制备了两性离子抗高温抗钙分散剂。由于苯环的阻聚作用，形成的共聚物分子量较小，赋予了其较好的高温稳定性。基于该分散剂配制的钻井液体系在Ca2+污染情况下，150 ℃老化后分散良好，无絮凝现象，高温高压滤失为12.2 mL，性能良好。马喜平等[16]同样选取DMDAAC作为阳离子单体，通过自由基聚合，制备了两性离子降滤失剂PAASDA，相较于传统的SPNH、SMP等磺化降滤失剂，PAASDA性能更加突出下，2.0% PAASDA的盐水基浆180 ℃老化后API滤失仅为9.8 mL，在复合盐水聚磺钻井液体系中，老化后API滤失为2.2 mL，高温高压滤失为8.2 mL，远优于其他降滤失剂。

疏水缔合聚合物分子链中含有一定的疏水基团，疏水基团在水溶液中聚集产生缔合作用形成网络结构[17-19]，增强聚合物的抗温耐盐性能。卢兴国等[20]以新型疏水缔合聚合物SDH-N为主处理剂，研发了一套钻井液体系，该体系140 ℃老化后API滤失3.9 mL，高温高压滤失8.4 mL，抗温性能良好，该体系同时具备良好的抗Ca2+、Mg2+能力。马喜平等[21]引入了长链烷烃，并通过季胺化制备了疏水性单体ADMA-16，并利用该单体与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)、AM共聚合成了疏水缔合聚合物PADA，室内实验表明该聚合物处理剂具备一定的抗温抗盐性能。张耀元等[22]通过引入疏水缔合聚合物PL-5，配制了抗高温无固相水基钻井液体系，当老化温度低于160 ℃时，该体系流变参数满足现场应用需求，体系同时兼备良好的抑制性能。DF1-1气田现场实验证实，该体系抗温性能优越，成功解决了水平井长裸眼段的井壁稳定与井眼净化问题。

通过改善聚集态结构以提高水基钻井液聚合物处理剂抗温性能是近年来的研究热点，已取得一定的成果，随着高分子理论研究的不断深入，改善聚集态结构对提高水基钻井液聚合物处理剂抗温性能意义重大。

2.3 添加纳米材料

近年来，纳米材料因其独特的性能优势在石油工程中得到了广泛的应用[23-25]，纳米材料引入到水基钻井液聚合物处理剂中，可有效改善处理剂的抗温耐盐等性能。

Mao等[26]以AM、AMPS以及苯乙烯(St)为主要原料，采用反相乳液聚合和溶胶-凝胶法制备了核壳结构疏水缔合聚合物纳米二氧化硅复合材料SDFL。实验结果显示，1%的SDFL浓度可使钻井液滤失量明显降低， 220 ℃老化16 h后，高温高压滤失量仅为16 mL，同时体系的流变性保持良好，分析认为，SDFL分子可使溶剂疏水缔合，引入的无机二氧化硅纳米粒子使二氧化硅的刚性和热稳定性与疏水缔合共聚物的性能相结合，可以有效地保持钻井液在高温高压下的粘度，从而起到降低滤失量的作用。 在超声的协同作用下，Chang等[27]制备了木质素纳米微球，并通过接枝AMPS与N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)合成了一种新型两性聚合物降滤失剂，实验结果表明，在260 ℃老化16 h后，含2.0%该降滤失剂的膨润土基浆的滤失量仅为8.0 mL，抗温性能优异。Ma等[28]通过自由基聚合，成功的将AM、AMPS、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)接枝到了改性纳米二氧化硅表面，形成了球形核壳结构共聚物降滤失剂PAAN-SiO2，实验结果表明该降滤失剂具备优异的抗温抗盐性能，同样在180 ℃老化，含2%氯化钙的基浆在加入质量分数为2%的PAAN-SiO2后，滤失量由186 mL降到6 mL，扫描电镜显示纳米材料有效封堵了泥饼上的微孔，形成了薄而致密的泥饼，有效的降低了滤失。孙立君等[29]使用偶联剂KH-550对纳米二氧化硅进行了改性，并以其为原料通过自由基聚合制备的有机/无机钻井液降滤失剂LJ-1，纳米二氧化硅比表面积大，增大了LJ-1的熵对比热的贡献，使其更容易吸收热量，从而提高了体系的抗温性能，LJ-1加量为 3% 时，盐水钻井液体系高温高压滤失量为18.4 mL，性能优于AAID等降滤失剂。

研究表明纳米材料能够显著提高水基钻井液处理剂抗温性能，纳米材料的粒径、表面性质等特性对其性能存在一定的影响，需要继续深入研究，随着理论研究与生产工艺的发展，纳米材料应用前景广阔。

3 总结与展望

为满足深部、超深部油气资源勘探开发的要求，进一步提高水基钻井液体系的抗高温性能，近年来在抗高温聚合物处理剂方面进行了一系列的研究，主要可总结为以下方面：①通过引入刚性基团或者大侧链等方式增强优化分子结构，显著提高了聚合物处理剂的抗温性能，新型高效抗温单体有待进一步研究开发；②疏水缔合、引入两性离子等方式有利于改善聚合物处理剂的聚集态结构，提高了其在高温环境下的稳定性，可结合理论机理进一步深入研究；③纳米材料粒径小，比表面积大，通过接枝共聚等方式与聚合物形成复合材料，可提高水基钻井液处理剂的抗温性能，应用前景较广。

目前，抗高温水基钻井液处理剂仍需进一步研发，应主要集中于以下几个方面研究：①目前已有的抗温单体较为单一，继续研究难以形成较大突破，应扩大原料来源，开发新型高效抗温单体，同时优化反应过程，降低工业化生产难度，提高经济效益；②目前对环保的要求日益严格，无毒可降解的处理剂将成为研究热点，应立足于天然环保材料，结合高分子理论，研发绿色环保聚合物处理剂。