抗高温有机硅钻井液室内研究

由福昌，周书胜，韩银府，符 合，高 阳

（荆州嘉华科技有限公司，湖北荆州 434000）

随着国内工业化进程的加快，常规油气资源逐渐衰竭，为了解决国内能源供需矛盾，促使钻探工作向深部地层油气资源投入[1]，我国深层油气资源具有分布广、地质条件复杂、埋藏深和地温梯度大的特点[2]，对钻探工作所用钻井液技术提出挑战。钻井过程中易出现井壁失稳、井眼垮塌和起下钻复杂等复杂情况[3]。目前，已超过70%的施工井均在不同程度下出现井壁失稳现象，水基钻井液滤失与黏土含量高的泥页岩发生水化应力，破环泥页岩微裂缝胶结物，并在高温作用下，使岩石刚性强度降低，改变原有井眼应力分布，造成井壁失稳等井下复杂事故[4-6]，解决高温井壁失稳常见手段为强化钻井液降滤失、抗高温、抑制性能。有机硅钻井液具有优异的防塌性能、热稳定性、抑制性、无毒等特点[7]，并在多个油田应用效果良好[8]。本文采用有机硅降滤失剂、胺基硅醇抑制剂的机理出发，利于两者研制出能抗高温有机硅钻井液体系，并评价其流变性、降滤失性以及抑制性能。

1 实验部分

1.1 主要原料和仪器

Na2CO3、NaOH：分析纯，国药集团化学试剂公司；CaCl2：工业纯，长城钻探工程公司；抗高温稳定剂GBH：中国石油勘探开发研究院；降滤失剂DRISTEMP：Chevron Phillips Chemical 公司；流型调节剂GHY：北京远东联创科技有限公司；有机硅降滤失剂、胺基硅醇抑制剂：实验室自制。

GW300 高温滚子加热炉、AB104-N 型电子天平、ZNN-D6 六速旋转黏度计、NP-03 型高温高压页岩膨胀仪及S-530 型扫描电子显微镜等。

1.2 抗高温有机硅钻井液的配制

经过大量实验优选处理剂，最终确定抗高温有机硅钻井液配方：3.5%膨润土+0.25%NaOH+0.25%Na2CO3+1%抗高温稳定剂GBH+1.5%胺基硅醇抑制剂+（3%～4%）有机硅降滤失剂+（0.6%～0.9%）流型调节剂GHY+不同密度所需重晶石。

1.3 流变性能及降滤失性能测试

采用旋转黏度计测试热滚前后的流变，采用钻井液失水仪测量热滚后钻井液FLAPI以及高温高压失水仪测量热滚后钻井液FLHTHP，对钻井液性能测试具体参考GB/T 16783-2014。

1.4 抑制性能评价

将50 g 已风干的6～10 目露头岩样置于有机硅钻井液中，在一定温度下热滚16 h，将热滚后钻井液中的露头岩样过40 目筛收集，清洗干燥后称量其质量m2，计算露头岩样的滚动回收率R=m2/50，R 越大，则表明有机硅钻井液抑制性能越强。另外，通过膨润土线性膨胀率测试有机硅抑制性能，实验步骤参考钻井液用页岩抑制剂评价方法[9]。

2 结果与讨论

2.1 不同密度下有机硅钻井液性能评价

不同密度下有机硅钻井液在温度为200 ℃下热滚16 h，50 ℃测试其热滚前后的流变性能以及热滚后的滤失量、滚动回收率，数据（见表1）。

从表1 可知，不同密度有机硅钻井液在高温下热滚后性能稳定，热滚前后黏度、切力变化较小，表明钻井液中网架结构在高温下稳定，不易断裂，起到悬浮重晶石、携带钻屑的作用。钻井液高温高压滤失量均小于20 mL，露头岩样滚动回收率均大于90%，表明有机硅钻井液滤失量小、抑制性强以及抗高温性能优异。

表1 不同密度下有机硅钻井液性能评价

2.2 膨润土线性膨胀评价

为了进一步研究有机硅钻井液抑制性能，通过膨润土线性膨胀率测试上述三种不同密度钻井液的抑制性能，数据（见图1）。

图1 有机硅钻井液抑制性能评价

从图1 可知，三种不同密度的有机硅钻井液对膨润土水化膨胀具有优异的抑制效果，其线性膨胀率均小于6%，其抑制效果与油基钻井液相近，其机理为胺基硅醇分子含有胺基和硅羟基，使其与膨润土发生牢固地化学、物理吸附，包被黏土颗粒并在其表面形成疏水吸附膜，阻止黏土矿物水化反应进行[10]。随着钻井液密度降低，其抑制性能更强，其原因为钻井液密度越高，重晶石所占比例越高，使钻井液单位体积内胺基硅醇抑制剂浓度变小，使高密度钻井液抑制效果降低。

2.3 抗盐钙污染能力评价

钻井过程中，钻井液受盐钙污染是不可避免的，尤其钻遇盐膏层和盐岩层，盐钙污染易造成钻井液性能恶化，使钻井液护壁性能变差，严重时导致井壁垮塌。称取一定量CaCl2加入到密度为1.5 g/cm3有机硅钻井液中（200 ℃下热滚16 h，50 ℃测试其流变）来评价其抗盐钙污染性能，数据（见表2）。

表2 有机硅钻井液抗盐钙污染性能评价

从表2 可知，随着CaCl2加量增加，钻井液黏度逐渐增大、切力基本不变、滤失量逐步增大。CaCl2含量增加使钻井液中的Ca2+含量增大，使黏土颗粒扩散双电层变薄，Zeta 电位绝对值降低，黏土颗粒之间的斥力降低，黏土颗粒相互之间碰撞概率增大而形成空间网架结构[11]，使钻井液亚微固相颗粒增大，固相堆积使钻井液的渗透率增大，造成钻井液滤失量增大。当CaCl2含量为10%时，有机硅钻井液高温高压滤失量小于30 mL，表明有机硅钻井液具有良好的抗盐钙污染性能。

2.4 SEM 表征结果

200 ℃热滚16 h 后的1.5 g/cm3有机硅钻井液中泥饼的SEM 照片（见图2（a）），将有机硅钻井液中有机硅降滤失剂替换为Chevron Phillips Chemical 公司的抗高温降滤失剂DRISTEMP，相同条件下，得到该钻井液泥饼的SEM 照片（见图2（b））。

图2 钻井液泥饼SEM 图

从图2 两张SEM 分析，DRISTEMP 降滤失剂配制的钻井液在压差下形成的泥饼凹凸不平，存在微孔隙，泥饼渗透率大，而有机硅降滤失剂使泥饼平整、致密，泥饼渗透率小，使钻井液滤失量小。有机硅降滤失剂含有Si-O-C 键，在水中发生水解生成Si-OH，该基团与黏土颗粒羟基发生缩聚反应形成Si-O-Si，该键能大于400 kJ/mol，断裂能垒高，在高温下不易断裂[12]，使分子吸附在黏土表面，造成黏土颗粒Zeta 电位绝对值增大，在压差下堵塞滤饼孔隙，达到降滤失作用。

3 结论

（1）有机硅钻井液在200 ℃热滚前后性能稳定，其高温高压滤失量小于20 mL，使露头岩样滚动回收率大于90%，膨润土线性膨胀率小于6%，其抑制效果与油基钻井液相近，表明有机硅钻井液滤失量小、抑制性强以及抗高温性能优异。

（2）胺基硅醇抑制剂分子含有胺基和硅羟基，使其与膨润土发生牢固地化学、物理吸附，包被黏土颗粒并在其表面形成疏水吸附膜，有效抑制黏土矿物水化反应进行。有机硅降滤失剂含有Si-OH 键，与黏土颗粒羟基发生缩聚反应，使有机硅降滤失剂牢固吸附在黏土表面，提高其稳定、分散性能，在压差下堵塞滤饼孔隙，达到降滤失作用。