陶士先，張麗君，單文軍

(1.北京探礦工程研究所，北京100083;2.地質(zhì)礦產(chǎn)部無錫鉆探工具廠，江蘇 無錫214174)

我國未來深部大陸科學鉆探計劃深度為13000 m，溫度梯度按3.0℃/100 m計算，井底溫度將達到390℃以上，鉆井液將面臨超高溫高壓環(huán)境，鉆井液技術(shù)將面臨嚴峻考驗。如此惡劣環(huán)境，對淡水鉆井液影響很大，對飽和鹽水鉆井液的影響更大，主要表現(xiàn)在超高溫高壓環(huán)境下濾失量的急劇升高和鉆井液懸浮能力變差。通常情況下，要保持飽和鹽水鉆井液高溫高壓條件下具有較低的濾失量，泥漿處理劑的加量很大，較大的處理劑加量使得飽和鹽水鉆井液在常溫下粘度急劇升高，維護困難，但經(jīng)過高溫老化后，粘度又會急劇下降。因此飽和鹽水鉆井液在超高溫、高壓環(huán)境下的流變性和濾失量控制十分困難。

作為超深井科學鉆探預研究項目，本文開展了超高溫飽和鹽水鉆井液研究。利用抗鹽粘土、抗高溫抗鹽降濾失劑、抗高溫抗鹽解絮凝劑及高溫保護劑等產(chǎn)品，配制出可適用于230℃高溫環(huán)境的飽和鹽水鉆井液。

1 高溫及電解質(zhì)對鉆井液性能的影響

在某一溫度下穩(wěn)定的鉆井液，當溫度升高時其原有的平衡將被破壞，性能將發(fā)生顯著變化，電解質(zhì)的存在，使得問題更加復雜。了解高溫及電解質(zhì)對泥漿材料及其性能的影響，通過泥漿材料及泥漿處理劑的合理選配，可以在現(xiàn)有高溫材料條件下配制出耐溫及耐電解質(zhì)污染性能更好的鉆井液。

1.1 高溫對鉆井液性能的影響

1.1.1 溫度對造漿材料性能的影響

水基鉆井液的主要造漿材料是膨潤土。如鈉膨潤土，用來增粘、降低濾失量、提高潤滑性能。高溫對造漿材料的影響主要是絮凝和分散。隨著溫度的升高，絮凝的嚴重性則隨之增加;同時高溫也增強了水分子滲入到粘土內(nèi)部的能力和粘土表面陽離子擴散和置換的能力，在布朗運動和外加剪切力作用下，促使顆粒分散。以基準鈉膨潤土為例，隨著老化溫度的升高，其表觀粘度、塑性粘度和動切力也隨之升高，濾失量逐漸增大，試驗結(jié)果見圖1;但高溫流變性試驗表明(試驗結(jié)果見圖2)，隨著溫度的升高其表觀粘度、塑性粘度和動切力變化趨勢是先升高然后急劇下降。

圖1 4%鈉基土所配鉆井液經(jīng)不同溫度老化后的API失水量變化曲線

圖2 4%鈉基土所配鉆井液經(jīng)不同溫度老化后的粘度變化曲線

實驗結(jié)果表明，高溫老化后膨潤土的流變性變化較大，進一步試驗表明，不同膨潤土加量，其變化幅度有較大的區(qū)別，圖3、圖4給出了不同膨潤土加量條件下鉆井液流變性及濾失量變化曲線。從圖4可以看出，隨著膨潤土加量的提高，其濾失量顯著降低;但當膨潤土加量＞5%時，隨著溫度的升高，其流變性發(fā)生急劇變化，這種變化不利于泥漿流變性控制。因此，要取得較好的抗溫效果，選擇合適的膨潤土加量是十分重要的。

圖3 不同膨潤土加量所配鉆井液的流變性變化曲線

圖4 不同膨潤土加量所配鉆井液的濾失量變化曲線

1.1.2 溫度對泥漿處理劑性能的影響

泥漿處理劑是影響鉆井液抗溫能力的主要因素。高溫對泥漿處理劑性能的影響主要表現(xiàn)在2個方面，即高溫高壓條件下處理劑的降解和分解。高溫下聚合物分子主鏈斷裂將使處理劑相對分子質(zhì)量降低，將導致處理劑功能部分或全部喪失，最終影響鉆井液性能，如聚丙烯酸鉀、80A51等有機高分子聚合物這種現(xiàn)象較為明顯。高溫高壓條件下，泥漿處理劑發(fā)生分解，也是造成處理劑失效(或部分失效)的另一主要原因，因為功能基團分解將導致功能基團減少，降低處理劑的吸附和水化能力，從而使處理劑的護膠能力和抗鹽污染能力降低。對處理劑的高溫老化試驗表明，目前多數(shù)泥漿處理劑在老化溫度＞200℃以后，會釋放出難以忍受的刺激氣味，泥漿的pH值明顯降低，泥漿性能發(fā)生顯著變化。

1.1.3 高溫交聯(lián)與高溫解吸作用

高溫對鉆井液的影響除體現(xiàn)在高溫對造漿材料、泥漿處理劑本身的影響外，還體現(xiàn)在鉆井液中泥漿處理劑之間的高溫交聯(lián)作用及處理劑與造漿材料之間的高溫解吸作用。

1.1.3.1 高溫交聯(lián)

對烯基單體聚合物而言，絕大多數(shù)情況下主要發(fā)生降解現(xiàn)象，但當鉆井液中含有一些可誘導產(chǎn)生自由基的過渡金屬離子時，可以產(chǎn)生交聯(lián)，適當交聯(lián)將有利于改善處理劑的降濾失能力，磺化酚醛樹脂必須配合磺化褐煤才能發(fā)揮作用，便是利用高溫交聯(lián)這一特性。適當交聯(lián)可以保持或提高處理劑的作用效果，但過度交聯(lián)時，會形成不溶于水的交聯(lián)產(chǎn)物，致使處理劑失去作用;如果交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進一步交聯(lián)成為體型結(jié)構(gòu)時，鉆井液成為凝膠，即出現(xiàn)了高溫稠化現(xiàn)象，鉆井液流變性變差。

1.1.3.2 高溫解吸

解吸與吸附是一個動平衡過程。升溫時平衡向解吸方向移動，因此升溫時理劑在粘土顆粒上的吸附量大大降低，粘土顆粒失去處理劑的保護，使粘土的高溫分散及絮凝作用無阻礙的進行，從而降低鉆井液的熱穩(wěn)定性。

1.2 電解質(zhì)對鉆井液性能的影響

鉆井液最常見的污染就是鈣侵和鹽侵。由于Ca2+易與鈉蒙脫石中的Na+發(fā)生離子交換，使其轉(zhuǎn)化為鈣蒙脫石，而Ca2+的水化能力要比Na+弱得多，因此Ca2+的引入使蒙脫石的絮凝程度增加，致使鉆井液的粘度、切力及濾失量顯著增大。

鉆井液中的粘土礦物由于晶格取代其顆粒表面帶有負電荷，吸附陽離子形成擴散雙電層。隨著進入鉆井液的Na+濃度不斷增大，必然會增加粘土顆粒擴散雙電層的陽離子數(shù)目，從而壓縮雙電層，使擴散層厚度減小，顆粒表面的ζ電位下降。在這種情況下，粘土顆粒間的靜電斥力減小，水化膜變薄，顆粒的分散度降低，顆粒之間端－面和端－端連接的趨勢增強。由于絮凝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，導致鉆井液的粘度、切力和濾失量逐漸上升。當Na+濃度增大到一定程度之后，壓縮雙電層的現(xiàn)象更為嚴重，粘土顆粒的水化膜變得更薄，致使粘土顆粒發(fā)生面－面聚結(jié)，分散度明顯降低，因而鉆井液的粘度和切力在達到其最大值后又轉(zhuǎn)化為下降，濾失量則繼續(xù)上升。

鉆井液中含鹽時，鹽將使粘土顆粒聚結(jié)，減少處理劑在粘土顆粒上的吸附，同時使處理劑的水化能力減弱，護膠能力下降。

1.3 高溫及電解質(zhì)對鉆井液性能的影響

高溫及電解質(zhì)對鉆井液性能影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)鉆井液流變性能波動幅度大，難以控制。常溫情況下鉆井液中加入鹽后，泥漿粘度顯著提高，但經(jīng)過高溫老化后，泥漿粘度又急劇下降，泥漿的懸浮能力顯著降低。

(2)鉆井液高溫高壓條件下濾失量大幅度提高，泥餅厚度增加明顯。

(3)處理劑用量大幅度提高。

(4)泥漿的潤滑性能明顯變差。

(5)鉆井液的pH值顯著降低，鉆具腐蝕加劇。

2 耐高溫飽和鹽水鉆井液試驗與評價方法

2.1 主要試驗儀器

六速粘度計:用于常溫條件下泥漿流變性測定。

API濾失量測定儀:用于常溫條件下泥漿濾失量測定。

高溫滾子爐:用于高溫條件下泥漿養(yǎng)護。

高溫高壓濾失儀:用于高溫條件下泥漿濾失量測定。

Fan50高溫流變儀:用于不同溫度下泥漿的流變性測定。

2.2 試驗條件確定

2.2.1 溫度確定

2.2.1.1 最高試驗溫度確定

試驗溫度主要依據(jù)鉆井液在孔內(nèi)的溫度變化、可能遭遇的最高溫度及實驗儀器本身的測試能力來確定。鉆井液所遭受的最高溫度應是鉆井液在井內(nèi)長時間靜置后所導致的，但一般不超過井底溫度的80%。按此計算，鉆井液的最高測試溫度≮210℃。從測試儀器看，高溫老化儀器的極限溫度為260℃，實際使用溫度≯240℃;高溫高壓濾失儀的極限溫度為260℃，但實際使用溫度≯230℃(試驗過程中已遭遇多次由于加熱套(或釜體)變形，導致養(yǎng)護釜無法從加熱套中取出)。高溫流變儀Fan50的極限測試溫度為260℃。綜合考慮，高溫養(yǎng)護溫度最高為230℃，高溫高壓濾失量最高試驗溫度為210℃，高溫流變性最高試驗溫度為240℃。

2.2.1.2 溫度范圍確定

鉆井液在井內(nèi)循環(huán)過程中溫度變化規(guī)律為由低到高，然后又逐漸降低;長時間靜止時鉆井液的最高溫度點是在孔底。因此高溫流變試驗所選擇的試驗溫度為30～240℃，級差為30℃。

2.2.2 老化時間確定

對鉆井液進行高溫老化試驗，一般情況下高溫老化時間為16 h，但考慮設備維修、測井等特殊情況下，鉆井液可能需要高溫長時間靜置，同時考慮老化儀器的安全性，最多老化時間為72 h。

2.3 評價內(nèi)容與試驗程序

(1)常溫條件下鉆井液流變性能及API濾失量的測定，考察鉆井液常溫條件下的性能，并作為高溫后性能對比的依據(jù)。按API標準測定程序測定。

(2)測定鉆井液高溫老化后鉆井液的流變性能及API濾失量，考察鉆井液經(jīng)過特定時間高溫老化后鉆井液的性能。試驗程序按API標準測試程序測定。

(3)高溫高壓濾失量測定:為了更好與孔內(nèi)條件相吻合，試驗漿采用經(jīng)過高溫老化后的鉆井液。試驗程序按API標準試驗程序執(zhí)行。

(4)鉆井液高溫流變性試驗:采用Fann50高溫高壓流變儀，試驗漿采用高溫老化后的鉆井液，最高試驗溫度為240℃，最低試驗溫度為30℃，級差為30℃。試驗溫度由低到高，然后停止加熱由高到低，記錄試驗數(shù)據(jù)，并繪制粘度、塑性粘度等流變參數(shù)曲線。

(5)鉆井液抑制性試驗。采用高溫老化后的鉆井液，測定其在常溫常壓及高溫高壓下的抑制性能。試驗用巖心采用天然鈣膨潤土壓制，用蒸餾水做空白對比樣。

3 耐高溫飽和鹽水鉆井液配方研究

3.1 耐高溫飽和鹽水鉆井液設計依據(jù)

(1)合理選擇泥漿材料及泥漿處理劑。

鉆井液的耐溫能力及抗電解質(zhì)污染能力與泥漿材料及泥漿處理劑的耐溫程度及抗污染能力有關(guān)。在造漿材料方面，凹凸棒土及海泡石土具有較強的抗溫和抗污染能力。泥漿材料選擇重點考慮分子結(jié)構(gòu)、功能基團及相對分子量。

(2)合理利用泥漿處理劑之間的協(xié)同作用和高溫交聯(lián)作用。

高溫對泥漿處理劑與泥漿處理劑之間的影響，就是處理劑之間的高溫交聯(lián)，處理劑之間適當?shù)慕宦?lián)，可以保持或提高處理劑的作用效果。同時不同類型吸附基團的協(xié)同作用，保證在高溫下有足夠的吸附量，提高鉆井液的抗溫及抗鹽效果。在處理劑組份未知的情況下，配方優(yōu)化試驗是考察處理劑配伍性的重要手段。

(3)預防高溫高壓條件下泥漿處理劑的降解和分解。

采用抗氧化劑預防泥漿處理劑的高溫降解和分解，提高泥漿處理劑的分解溫度。因此高溫鉆井液配方試驗中，高溫穩(wěn)定劑(或保護劑)是必不可少的。

(4)控制鉆井液的pH值。

3.2 試驗用材料選擇

3.2.1 造漿材料優(yōu)選

粘土是鉆井液的基礎材料，又稱造漿材料。其主要作用:增加粘度和切力，提高井眼凈化能力;形成低密滲透率的致密泥餅，降低濾失量;對于膠結(jié)不良的地層，可以改善井眼的穩(wěn)定性;防止井漏。

造漿材料好壞，直接影響鉆井液的性能。不同廠家，由于其膨潤土礦來源不同、加工方法不同，因此導致膨潤土的抗溫性能有很大差別。圖5～8給出了由不同廠家不同造漿土配制的飽和鹽水鉆井液的抗溫性能。由圖8可以看出，江蘇抗鹽土和海泡石復合的抗鹽及抗溫性能相對較好。

圖5 4%江蘇抗鹽土所配鉆井液的流變曲線圖

圖6 4%山東鈉膨潤土所配鉆井液的流變曲線圖

圖7 4%海泡石土所配鉆井液的流變曲線圖

圖8 4%江蘇抗鹽土+2%海泡石所配鉆井液的流變曲線圖

從圖6、圖7可以看出，選用的鈉膨潤土和海泡石土造漿能力較差;江蘇抗鹽土造漿性能比較好，4%江蘇抗鹽土和2%海泡石在飽和鹽水鉆井液中抗溫效果比較好，流變性能好，因此選用江蘇抗鹽土和海泡石做配方優(yōu)化試驗。

3.2.2 抗鹽泥漿處理劑優(yōu)選

泥漿處理劑抗溫能力的高低，很大程度上決定了鉆井液抗溫能力的水平，泥漿處理劑的抗溫能力越高，鉆井液的抗溫能力也將隨之提高。很多處理劑由于生產(chǎn)廠家出于保密等原因，其組份不是很清楚，無法簡單按產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)等理論去篩選，因此項目組收集了大量國內(nèi)外不同廠家(含同類產(chǎn)品)的產(chǎn)品進行對比和篩選。

試驗配方:飽和鹽水+4%抗鹽土+2%海泡石+3%的處理劑，調(diào)pH值至8～10。

試驗溫度:高溫老化溫度及高溫高壓濾失量的測定溫度均為180℃。

通過試驗篩選的泥漿處理劑性能見表1。

表1 高溫處理劑耐溫性能一覽表

(1)磺甲基酚醛樹脂(SMP):常用高溫降濾失劑，其作用機理可相當于高溫低分子類有機處理劑的機理，主要是通過改善泥餅質(zhì)量和增加濾液粘度來實現(xiàn)。

(2)GCL－1:丙烯酸、丙烯酰胺接枝共聚物與磺化腐植酸衍生物復配而成，抗溫250℃，具有良好的降失水效果和調(diào)節(jié)泥漿流型。

(3)SN樹脂:由改性腐植酸與有機小分子接枝而得，具有良好的抗溫和降濾失性能，能有效改善泥餅質(zhì)量和調(diào)整鉆井液的流變性，常用于深井鉆井液中。

(4)KJAN:高溫降濾失劑，具有不增粘、耐高溫、無毒性等優(yōu)良性能。

(5)SMC:褐煤腐植酸的衍生物，又名磺化腐植酸，是褐煤經(jīng)堿化、磺化再經(jīng)鉻鹽交聯(lián)而成，是一種能耐200～220℃高溫的淡水鉆井液的降粘劑和濾失量控制劑。

(6)褐煤樹脂SPNH:為磺化酚醛樹脂和磺化褐煤組成的耐溫抗鹽的鉆井液降濾失劑。褐煤樹脂SPNH是在苯環(huán)單元引入磺酸基，苯環(huán)間又以碳原子相連，能夠抗高溫。又因為苯羥基在鄰對位上引進了磺酸鈉基－SO3Na，水化作用強、締合水的鍵能高，因而又解決了它的水溶性，決定了它抗鹽、抗鈣、降低高溫高壓降失水量的作用。

(7)黑樹脂:成分不詳。

(8)水解聚丙烯腈銨鹽:較低分子量的降濾失劑，高溫條件下具有較好的降濾失效果，粘度隨溫度變化相對穩(wěn)定。

(9)水解聚丙烯腈鈉鹽:較低分子量的降濾失劑，高溫條件下具有較好的降濾失效果，粘度隨溫度變化相對穩(wěn)定。(10)國外高溫處理劑(DDP):組分不詳。(11)GCL－2:高溫濾失劑。

3.2.3 高溫保護劑GBHJ(或稱高溫穩(wěn)定劑)

向鉆井液中加入保護劑是保持鉆井液高溫穩(wěn)定的關(guān)鍵，其主要作用原理:一是抑制(或防止)高溫下泥漿處理劑的降解和分解;二是護膠作用。圖9為鹽水泥漿加高溫保護劑前后其性能的變化。

圖9 鹽水泥漿加高溫保護劑前后其性能的變化

從圖9中可以看出，在飽和鹽水中加入高溫穩(wěn)定劑GBHJ的作用效果明顯，能經(jīng)過高溫熱滾后粘度變化不大，鉆井液體系的耐溫能力至少提高60℃以上。

3.3 配方優(yōu)化

為了盡量體現(xiàn)不同材料之間的配伍性，配方優(yōu)化研究主要采用正交試驗，并通過正交實驗數(shù)據(jù)的極差分析，確定處理劑對配方性能的影響。經(jīng)過大量室內(nèi)試驗，得到的鉆井液配方如下:

水+3%～5%抗鹽土+1%～3%海泡石+2%～5%SMP+2%～5%GCL－1+3%～5%SPNH+3%～5%GCL－2+0.5%DDP+1%GBHJ(加鹽至飽和)。

3.4 鉆井液性能評價

性能評價主要針對鉆井液高溫老化前后性能變化、高溫高壓濾失量、高溫條件下鉆井液的流變性能及鉆井液的抑制性能展開評價。

3.4.1 高溫老化前后鉆井液性能(見表2)

3.4.2 高溫流變性評價

表2 鉆井液高溫老化前后流變性能及濾失性能表

經(jīng)過230℃高溫滾動16 h后的鉆井液，在Fann50s上做高溫流變性試驗，試驗溫度由低到高，而后再由高到低，試驗結(jié)果見圖10。

圖10 230℃熱滾后鉆井液流變曲線圖

由圖10可以看出，鉆井液配方隨著溫度的升高，粘度下降，隨著溫度的降低粘度可恢復到原來的90%以上。該鉆井液配方具有良好的流變性且性能穩(wěn)定，可以滿足深井超深井鉆井工藝要求。

3.4.3 鉆井液抑制性評價

試驗巖心采用山東安邱土壓制。試驗結(jié)果見表3。試驗結(jié)果表明，該體系經(jīng)過高溫老化后，仍具有良好的抑制性能。

4 結(jié)論

(1)高溫保護劑(GHBJ)的使用，可顯著提高飽和鹽水鉆井液的耐溫能力。

表3 鉆井液體系高溫老化后的抑制性能

(2)由抗鹽土、DDP等處理劑配制的飽和鹽水鉆井液經(jīng)過230℃高溫老化16 h后，仍具有良好的流變性能和降濾失性能。

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