謝建宇 李 彬 張 濱

（中原石油勘探局鉆井工程技術(shù)研究院）

在深井、超深井鉆井過(guò)程中，需使用加重鉆井液平衡地層壓力，特別是在鉆遇異常高壓地層時(shí)，必須使用超高密度鉆井液（2.5g／cm3＜ρ≤3.0g／cm3）來(lái)滿足工程及地質(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，塔里木盆地的英深1井以及赤水官渡地區(qū)的官深1井等［1－3］。由于超高密度鉆井液固相含量高（重晶石體積分?jǐn)?shù)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，從而導(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粘劑來(lái)改善鉆井液流變性，由于普通降粘劑對(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足現(xiàn)場(chǎng)需求［4－11］。本實(shí)驗(yàn)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)分散劑進(jìn)行了室內(nèi)評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

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

1.2 分散劑JZ－1的合成

將AA、AMPS和DMDAAC溶解于清水中備用，然后將天然材料T與一定量的相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑溶解于清水中加入四口燒瓶，再將過(guò)硫酸銨溶解于清水中備用。待體系加熱至60℃后，同時(shí)滴加反應(yīng)單體和引發(fā)劑溶液，滴加結(jié)束后將體系加熱至90℃反應(yīng)1h，最后用NaOH中和并烘干產(chǎn)物，得到天然材料接枝共聚物分散劑JZ－1。

1.3 鉆井液性能評(píng)價(jià)

1.3.1 基漿配制

淡水基漿：在1L水中加入1g Na2CO3和20g膨潤(rùn)土，高速攪拌2h，室溫下放置養(yǎng)護(hù)24h，即得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淡水基漿。

鹽水基漿：在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淡水基漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl，高速攪拌5min，于室溫下放置養(yǎng)護(hù)24h，即得鹽水基漿。

1.3.2 性能測(cè)試

將研制的分散劑加入配制的基漿中，高速攪拌5min，于室溫下放置養(yǎng)護(hù)24h或在一定溫度下滾動(dòng)老化16h后，室溫下高速攪拌5min，用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定鉆井液的流變性；然后按式（1）計(jì)算分散劑的分散率。

式中：（Ф100）0為不加分散劑時(shí)淡水基漿用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)100r／min下的讀數(shù)；（Ф100）1為加入分散劑后相同條件下的讀數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成條件對(duì)分散劑性能的影響

2.1.1 相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑的影響

固定其他反應(yīng)條件不變，改變相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑用量，然后將合成的分散劑樣品加入基漿中（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%），經(jīng)150℃老化16h后，考察不同相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑用量下，分散劑在基漿中的分散性能。

表1 相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑對(duì)分散劑性能影響Table 1 Effect of relative molecular mass regulator on dispersant performance

從表1可以看出，隨著相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑用量的增加，分散劑的分散性能呈上升趨勢(shì)。當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1.25%時(shí)，繼續(xù)增加用量對(duì)分散劑性能影響不大。因此，合適的相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)節(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為單體質(zhì)量的1.25%～1.5%。

2.1.2 單體AMPS加量的影響

固定其他反應(yīng)條件不變，改變單體AMPS用量，然后將合成的分散劑樣品加入基漿中（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%），經(jīng)150℃老化16h后，考察不同AMPS用量下，分散劑在基漿中的分散性能。

從表2可以看出，隨著AMPS用量的增加，分散劑的分散性能大致呈上升趨勢(shì)；當(dāng)AMPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25%時(shí)，繼續(xù)增加用量對(duì)分散劑分散性能影響不大。因此，合適的AMPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為單體質(zhì)量的25%～30%。

表2 AMPS對(duì)分散劑性能影響Table 2 Effect of AMPS on dispersant performance

2.1.3 天然材料與乙烯基單體配比的影響

固定其他反應(yīng)條件不變，改變天然材料與乙烯基單體配比，然后將合成的分散劑樣品加入基漿中（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%），經(jīng)150℃老化16h后，考察不同天然材料與乙烯基單體配比條件下，分散劑在基漿中的分散性能。

表3 材料配比對(duì)分散劑性能影響Table 3 Effect of raw materials ratio on dispersant performance

從表3可以看出，隨著乙烯基單體與天然材料用量比例的降低，分散劑的分散性能呈先上升再降低的趨勢(shì)，當(dāng)乙烯基單體與天然材料用量達(dá)到2∶8時(shí)，實(shí)驗(yàn)中繼續(xù)增加天然材料用量，分散劑性能下降。因此，合適的乙烯基單體與天然材料用量比為（2∶8）～（3∶7）。

2.2 性能評(píng)價(jià)

2.2.1 在淡水基漿中

將分散劑JZ－1加入基漿后，測(cè)定基漿在室溫及150℃高溫老化16h后的流變性能，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 分散劑在淡水基漿中的分散性能Table 4 Performances of dispersant in fresh water based slurry

從表4可以看出，在淡水基漿中加入分散劑后，經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)24h或150℃高溫老化16h后，分散劑的分散率隨著分散劑用量的增加而升高；并且當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%，分散劑的分散率可達(dá)50%以上，表現(xiàn)出良好的分散性能。

2.2.2 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽水基漿中

將分散劑JZ－1加入鹽水基漿后，測(cè)定基漿在室溫養(yǎng)護(hù)24h后的流變性能，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 分散劑在鹽水基漿中的分散性能Table 5 Performances of dispersant in brine based slurry

基漿配方：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的淡水漿＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的 NaCl＋重晶石，ρ＝2.6g／cm3，“－”表示在此轉(zhuǎn)速下讀數(shù)超出儀器量程。

從表5可以看出，在鹽水基漿中加入分散劑，經(jīng)室溫養(yǎng)護(hù)24h后，分散率隨著分散劑用量的增加而升高，當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時(shí)，其在含鈣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。

2.2.3 在超高密度鉆井液中

將分散劑JZ－1加入超高密度鉆井液中，經(jīng)150℃老化16h后進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 分散劑加量對(duì)鉆井液性能影響Table 6 Effect of dispersant dosage on drilling fluid performance

從表6可以看出，當(dāng)分散劑JZ－1質(zhì)量分?jǐn)?shù)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282s降低至130s，有效改善了體系流變性。并且，體系在室溫靜置24h后，上下層密度差由不加分散劑的0.56 g／cm3降低至0.03g／cm3，顯著提高了體系的懸浮穩(wěn)定性能。

2.3 分散劑對(duì)重晶石表面Zeta電位及粒徑影響

2.3.1 重晶石表面Zeta電位分析

將一定量的重晶石放入烘箱中，在105℃下干燥2h，然后取10g重晶石加入含100mL蒸餾水的錐形瓶中，再將一定量分散劑JZ－1加入錐形瓶中，室溫下在水浴振蕩器中恒溫振蕩2h，然后取部分懸浮液，利用JS94H型微電泳儀測(cè)定重晶石顆粒表面Zeta電位，結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，隨著分散劑JZ－1濃度增加，重晶石表面Zeta電位呈下降趨勢(shì)，當(dāng)JZ－1質(zhì)量濃度為0.5g／L時(shí)，重晶石表面Zeta電位由未加分散劑時(shí)的－5.7mV 下降為－51.6mV（荷負(fù)電），顯著提高了重晶石的表面帶電量，增加重晶石之間的靜電斥力，防止重晶石之間的團(tuán)聚，有效改善了重晶石的分散效果。

2.3.2 重晶石粒徑分析

將重晶石樣品和經(jīng)質(zhì)量濃度為0.5g／L分散劑分散后的重晶石樣品分別用Winner2000ZD激光粒度分析儀測(cè)定重晶石粒徑，結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，加入分散劑后，重晶石的粒度分布有了明顯降低，平均粒徑由15.16μm下降為13.25μm。這是由于重晶石在水中存在團(tuán)聚現(xiàn)象，而加入分散劑后，分散劑可以將團(tuán)聚的重晶石有效分散，從而使得測(cè)定的重晶石粒徑變小。

2.4 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)，圖中3 408cm－1是羥基（－OH）伸縮振動(dòng)吸收峰，1 722cm－1和1 615cm－1是羰基（－C＝O）伸縮振動(dòng)吸收峰，1 184cm－1和1 040cm－1為磺酸基（－SO3）伸縮振動(dòng)吸收峰。

2.5 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。從圖4可以看出，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

利用天然材料T與乙烯基單體進(jìn)行接枝共聚合成了超高密度鉆井液用分散劑JZ－1，其可以提高重晶石表面的Zeta電位，防止重晶石之間的聚集，顯著提高鉆井液的流變性和沉降穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。

［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.

［2］林永學(xué)，楊小華，蔡利山，等.超高密度鉆井液技術(shù)［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（6），1－5.

［3］蔡利山，林永學(xué)，田璐，等.超高密度鉆井液技術(shù)進(jìn)展［J］.鉆井液與完井液，2011，28（5），70－77.

［4］余加水，李競(jìng)，孔德強(qiáng)，等.超高密度鉆井液技術(shù)研究［J］.鉆井液與完井液，2005，22（增刊），17－20.

［5］張軍，羅健生，彭商平，等.川東北地區(qū)抗高溫超高密度鉆井液研究［J］.鉆井液與完井液，2009，26（2），39－42.

［6］艾貴成，田效山，蘭祖權(quán)，等.超高溫超高密度有機(jī)鹽鉆井液技術(shù)研究［J］.西部探礦工程，2010，22（9），47－49.

［7］匡韶華，蒲曉林，羅興樹(shù)，等.超高密度有機(jī)鹽鉆井液流變性和濾失量控制技術(shù)［J］.石油鉆采工藝，2010，32（2），30－33.

［8］劉平德，牛亞斌，張梅.兩性離子聚合物鉆井液體系PL的研制［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（3）：71－73.

［9］郭祥鵑，馬會(huì).高密度鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2009，26（4），8－10.

［10］李公讓，趙懷珍，薛玉志，等.超高密度高溫鉆井液流變性影響因素研究［J］.鉆井液與完井液，2009，26（1），12－14.

［11］楊春旭，唐洪林，崔海林，等.DP19井小井眼欠平衡長(zhǎng)水平段水平井的鉆井技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（11）：76－80.