謝建宇，李 彬，張 濱

(中國(guó)石化中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001)

在深井、超深井鉆井過(guò)程中，為了平衡地層壓力，必須使用加重鉆井液，以滿(mǎn)足工程及地質(zhì)方面的要求，如新疆油田南緣山前構(gòu)造帶上的安4井、獨(dú)深1井，塔里木盆地迪那11井以及赤水官渡地區(qū)的官深1井等［1］。由于超高密度鉆井液固相含量高(重晶石體積分?jǐn)?shù)甚至可達(dá)50%以上)，加重材料及部分鉆屑長(zhǎng)期在高溫高壓環(huán)境下受高剪切速率作用及鉆頭研磨，致使鉆井液中細(xì)小粒子增多，流變性不易控制，導(dǎo)致機(jī)械鉆速降低。為解決這些難題，國(guó)內(nèi)科研人員往往通過(guò)在超高密度鉆井液中加入降黏劑來(lái)改善鉆井液流變性。由于普通降黏劑對(duì)重晶石分散作用有限，超高密度鉆井液的流變性仍然難以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求［2－6］。筆者利用天然材料與丙烯酸、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸和陽(yáng)離子單體進(jìn)行接枝共聚，研制出一種適用于超高密度鉆井液的兩性離子型接枝共聚物分散劑JZ－1，并對(duì)合成的分散劑進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

丙烯酸(AA)、2－丙烯酰胺基－2－甲基丙磺酸(AMPS)、二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)、天然材料T，均為工業(yè)品;相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑、過(guò)硫酸銨、氫氧化鈉，均為分析純。

1.2 分散劑JZ－1的合成

將反應(yīng)單體AA、AMPS和DMDAAC溶解于清水中備用，將引發(fā)劑過(guò)硫酸銨溶解于清水中備用，然后將天然材料與一定量的相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑溶解于清水中并加入到四口燒瓶中，加熱至60℃后，將反應(yīng)單體和引發(fā)劑溶液同時(shí)進(jìn)行滴加，滴加結(jié)束后將體系加熱至90℃反應(yīng)1 h，最后將產(chǎn)物用NaOH中和，烘干，得到天然材料接枝共聚物分散劑JZ－1。

1.3 泥漿性能評(píng)價(jià)

1.3.1 基漿配制

1)淡水基漿。在1 L水中加入1 g碳酸鈉和20 g膨潤(rùn)土，高速攪拌2 h，室溫下放置養(yǎng)護(hù)24 h，即得2%淡水基漿。

2)鹽水基漿。在2%淡水基漿中加入10%的氯化鈉，高速攪拌5 min，于室溫下放置養(yǎng)護(hù)24 h，即得鹽水基漿。

3)含鈣基漿。在2%淡水基漿中加入1%的氯化鈣，高速攪拌5 min，于室溫下放置養(yǎng)護(hù)24 h，即得含鈣基漿。

1.3.2 性能測(cè)試

1)分散率測(cè)定。將合成的分散劑JZ－1加入到配制的基漿中，高速攪拌5 min，于室溫下放置養(yǎng)護(hù)24 h或在一定溫度下滾動(dòng)老化16 h后，室溫下高速攪拌5 min，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定泥漿的流變性。按下式計(jì)算分散劑的分散率:

式中，φ0，φ1分別為加分散劑前、后時(shí)基漿在黏度計(jì)為100 min－1時(shí)的讀數(shù)。

2)頁(yè)巖回收率測(cè)定。所用頁(yè)巖樣為馬12井在井深2 700 m處的巖屑，取2.0～3.8 mm頁(yè)巖于(105±3)℃下烘至恒重，降至室溫。稱(chēng)取10 g頁(yè)巖(m0)放入待測(cè)鉆井液中，于150℃下滾動(dòng)16 h，降溫后取出，用孔徑0.42 mm篩回收巖心，于(105±3)℃下烘至恒重，降至室溫，稱(chēng)回收巖心質(zhì)量(m1);然后將已稱(chēng)重的回收巖心放入清水中于120℃下滾動(dòng)2 h，降溫后取出，用孔徑0.42 mm篩回收巖心，于(105±3)℃下烘至恒重，降至室溫稱(chēng)回收巖心質(zhì)量(m2)。以下式計(jì)算頁(yè)巖回收率:

一次頁(yè)巖回收率:R1=m1/m0×100%

二次頁(yè)巖回收率:R2=m2/m0×100%

相對(duì)頁(yè)巖回收率:R=R2/R1×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑在基漿中的性能評(píng)價(jià)

2.1.1 在淡水基漿中

淡水基漿配方:2%淡水基漿+重晶石，ρ=2.6 g/cm3。將分散劑(用量以基漿或鉆井液的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)，下同)加入到基漿中，然后測(cè)定基漿在室溫及150℃高溫老化16 h后的流變性能，結(jié)果如表1所示。

表1 分散劑在淡水基漿中的分散性能

從表1可以看出，在淡水基漿中加入分散劑后，經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)24 h或150℃高溫老化16 h后，分散劑的分散率隨著分散劑用量增加而提高;當(dāng)分散劑用量達(dá)到3%時(shí)，其分散率可達(dá)50%以上，表現(xiàn)出良好的分散性能。

2.1.2 在鹽水基漿中

鹽水基漿配方:2%淡水漿+10%NaCl+重晶石，ρ=2.6 g/cm3。將分散劑加入到鹽水基漿中，測(cè)定基漿在室溫養(yǎng)護(hù)24 h后的流變性能，結(jié)果如表2所示。

表2 分散劑在鹽水基漿中的分散性能

從表2可以看出，在鹽水基漿中加入分散劑，經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)24 h，分散劑的分散率隨著分散劑用量增加而提高，當(dāng)分散劑用量達(dá)到2%時(shí)，其在鹽水基漿中的分散率可以達(dá)到56%以上，這說(shuō)明分散劑在鹽水基漿中具有較好的抗鹽性能。

2.1.3 含鈣基漿

含鈣基漿配方:2%淡水漿+1%CaCl2+重晶石，ρ=2.6 g/cm3。將分散劑加入到含鈣基漿中，測(cè)定基漿在室溫養(yǎng)護(hù)24 h后的流變性能，結(jié)果如表3所示。

表3 分散劑在含鈣基漿中的分散性能

從表3可以看出，在含鈣基漿中加入分散劑后，經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)24 h，分散劑的分散率隨著分散劑用量增加而提高，當(dāng)分散劑用量達(dá)到2%時(shí)，其在含鈣基漿中的分散率可以達(dá)到55%以上，這說(shuō)明分散劑在含鈣基漿中具有較好的抗鈣性能。

2.2 分散劑在超高密度鉆井液中的性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)考察了分散劑JZ－1對(duì)超高密度鉆井液性能的影響。超高密度鉆井液基漿配方:1.25%土漿+4%SMP(磺化酚醛樹(shù)脂)+6%SMC(磺化褐煤)+0.1%LV－CMC(低黏度羧甲基纖維素)+1%潤(rùn)滑劑+重晶石。

2.2.1 分散劑用量對(duì)體系性能的影響

將不同量的分散劑JZ－1分別加入到超高密度鉆井液(ρ=2.8 g/cm3)中，經(jīng)150℃老化16 h后進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，結(jié)果如表4所示。當(dāng)分散劑JZ－1用量為2%時(shí)，就可以在超高密度鉆井液中發(fā)揮出較好的分散作用，體系漏斗黏度由不加分散劑的282 s降低至130 s，有效改善了體系流變性。由表4還可看出，體系經(jīng)室溫24 h靜置后，上下層密度差由不加分散劑的0.56 g/cm3降低至0.03 g/cm3，顯著提高了體系的懸浮穩(wěn)定性能。

表4 分散劑用量對(duì)鉆井液性能影響

2.2.2 分散劑對(duì)不同密度鉆井液性能的影響

在不同密度的鉆井液基漿中加入2%的分散劑JZ－1，經(jīng)150℃老化16 h后進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，結(jié)果如表5所示。

表5 分散劑對(duì)不同密度鉆井液性能的影響

從表5可看出，在密度為2.5～2.8 g/cm3的超高密度鉆井液中，加入2%分散劑JZ－1后，體系流變性有了明顯改善，說(shuō)明JZ－1可以在超高密度鉆井液體系中有效發(fā)揮對(duì)重晶石的分散作用。

2.2.3 老化時(shí)間對(duì)分散劑性能的影響

在密度為2.8 g/cm3的鉆井液基漿中加入2%的分散劑JZ－1，在150℃下老化，考察鉆井液流變性能，結(jié)果如表6所示。

表6 老化時(shí)間對(duì)分散劑性能的影響

從表6可以看出，經(jīng)72 h高溫老化后，超高密度鉆井液流變性能變化不大，這說(shuō)明分散劑可經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的高溫老化，抗溫性能較好，可滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

2.2.4 鉆井液游離水量

鉆井液中能夠提供鉆井液流動(dòng)性的液相稱(chēng)為游離水。由于其流動(dòng)能力很強(qiáng)，可用高速離心機(jī)將穩(wěn)定鉆井液中的游離水分離出來(lái)［7］。通過(guò)在超高密度鉆井液中加入分散劑，考察分散劑對(duì)超高密度鉆井液游離水量的影響。

準(zhǔn)確量取15 mL密度為2.8 g/cm3超高密度鉆井液并將其放進(jìn)入離心機(jī)，在4 000 min－1下離心分離20 min后關(guān)閉離心機(jī)電源，然后將離心管上層液體(即為游離水)倒入量筒測(cè)體積。

表7 分散劑對(duì)游離水量的影響

從表7可以看出，在超高密度鉆井液基漿中加入分散劑JZ－1后，游離水量增加。這說(shuō)明分散劑可以釋放鉆井液中束縛的游離水，有利于改善超高密度鉆井液的流變性。

2.2.5 分散劑抑制性

由于分散劑含有陽(yáng)離子基團(tuán)，為此對(duì)分散劑的抑制性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。在密度為2.8 g/cm3的超高密度鉆井液中加入部分頁(yè)巖，考察加入分散劑后超高密度鉆井液對(duì)頁(yè)巖的抑制、防塌性能，結(jié)果見(jiàn)表8。加有分散劑的鉆井液的頁(yè)巖回收率明顯高于清水及未加分散劑的鉆井液，前者的一次頁(yè)巖回收率達(dá)93.3%，相對(duì)回收率達(dá)到94.6%，表現(xiàn)出較好抑制泥頁(yè)巖水化分散性能。

表8 分散劑抑制性評(píng)價(jià)

2.3 紅外光譜分析

將合成的分散劑樣品經(jīng)純化后，用紅外光譜儀進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖1。3 408 cm－1處是羥基(—OH)伸縮振動(dòng)吸收峰，1 722 cm－1和 1 615 cm－1處是羰基(—C＝O)伸縮振動(dòng)吸收峰，1 184 cm－1和1 040 cm－1處為磺酸基(—SO3)伸縮振動(dòng)吸收峰。

圖1 分散劑的紅外光譜

2.4 熱分析

將合成的分散劑樣品經(jīng)純化后，用熱分析儀進(jìn)行熱分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。分散劑在280℃開(kāi)始分解，說(shuō)明分散劑具有較好的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

天然材料與乙烯基單體接枝共聚合成的超高密度鉆井液用分散劑JZ－1，在基漿和超高密度鉆井液中均表現(xiàn)出良好的分散性能，同時(shí)還具有一定的抑制、防塌能力，可顯著提高鉆井液的流變性和沉降穩(wěn)定性，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

圖2 分散劑的熱分析曲線(xiàn)

［1］王書(shū)琪，呂志強(qiáng)，賀文廷，等.超高密度壓井液在英深1井的應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2006，23(5):12－13.

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