王建宇 趙素麗 石秉忠 陳鋮 李勝(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

鉆井液用高分子中空微珠減輕劑的生產(chǎn)及應(yīng)用

王建宇 趙素麗 石秉忠 陳鋮 李勝(中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

研制生產(chǎn)了一種高性能高分子中空微珠減輕劑，其外觀呈圓球形顆粒、表面光滑、殼層密閉、平均粒徑76μm、平均密度0.39g/ cm3，90℃下抗壓高達50MPa。在鄂爾多斯杭錦旗錦96井等進行了現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)果表明高分子中空微珠對鉆井液降密度效果明顯、在鉆井液中分散性好；鉆井施工過程中鉆井液密度穩(wěn)定、低密度維持時效長、對現(xiàn)場固控設(shè)備適應(yīng)性好、不發(fā)生吸附團聚現(xiàn)象，抗沖擊耐研磨能力強，綜合性能完全滿足鉆井液的應(yīng)用要求。

高分子中空微珠；減輕劑；低密度；鉆井液

0 引言

目前，許多老油田都陸續(xù)進入開發(fā)中后期，逐漸成為低壓或衰竭油氣層，油氣層保護需求及欠平衡鉆井技術(shù)的廣泛應(yīng)用，促使低密度鉆井液技術(shù)隨之迅速發(fā)展，在防止低壓地層漏失、保護油氣層、提高機械鉆速方面效果明顯，已成為低壓鉆井和欠平衡鉆井的核心技術(shù)之一[1,2]?，F(xiàn)場中常用的低密度鉆井液(密度≤1.0g/cm3)技術(shù)主要有混油、充氣及泡沫等。但混油鉆井液污染環(huán)境且影響地質(zhì)錄井；充氣與泡沫鉆井液設(shè)備投資巨大、影響隨鉆測量儀器應(yīng)用、腐蝕鉆具、水力計算困難。前期的實踐表明，使用中空微珠作為減輕劑的低密度鉆井液技術(shù)可有效解決上述混油、充氣及泡沫鉆井液存在的技術(shù)問題，是迄今為止使用最簡單、受限最少的技術(shù)。

1 玻璃中空微珠的缺陷及新型微珠的創(chuàng)新課題

截至目前，國內(nèi)外使用最多的減輕劑是美國3M公司生產(chǎn)的玻璃中空微珠，但從資料來看，實際使用效果并未達到滿意的效果。存在的主要問題是，由于玻璃中空微珠殼層為脆性大且不可變形的玻璃材料，在鉆井液動態(tài)循環(huán)過程中受到鉆頭水眼高速剪切、沖擊以及與鉆具、井壁等之間發(fā)生摩擦、碰撞，容易發(fā)生破碎。同時玻璃殼體密度大(2.4g/cm3)，破碎后反而加重鉆井液密度，在應(yīng)用中鉆井液密度難以控制、消耗率大、成本高(10萬元/噸)。以國內(nèi)DP-3井三開水平井段施工為例，1201米的井段因破碎消耗玻璃中空微珠近70噸，耗資高達700萬元，鉆井液初始密度為0.95g/cm3，至三開中完，密度上升到1.05g/cm3，中空微珠日破損率高達50%以上[3-5]。玻璃中空微珠減輕劑存在的上述嚴重制約了其在石油工程領(lǐng)域的進一步推廣應(yīng)用。

為研發(fā)一種高性能、高性價比的新型中空微珠材料作為新型鉆井液減輕劑。中國石化石油工程技術(shù)研究院率先提出利用高強度彈韌性高分子中空微珠替代玻璃中空微珠作為鉆井液減輕劑的技術(shù)思路。圍繞如何設(shè)計并研制生產(chǎn)出中空度、密度、粒度可控，抗壓、抗溫、耐研磨、抗沖擊、對鉆井條件適應(yīng)性強的鉆井液用中空微珠減輕劑開展了系統(tǒng)的創(chuàng)新性攻關(guān)研究[6]，突破了關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，填補了國內(nèi)外該領(lǐng)域的技術(shù)空白。基于“簡便、高效、低成本、安全、綠色”的技術(shù)思路，創(chuàng)新提出了中空微珠反應(yīng)成型及表面改性同步完成的技術(shù)工藝策略，成功研制出性能優(yōu)異、可回收再利用的高分子中空微珠減輕劑，研發(fā)了產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)，成功實現(xiàn)了規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)；并以此構(gòu)建了一套完型低密度鉆井液體系與應(yīng)用技術(shù)，建立了分散穩(wěn)定性控制計算模型，開展了現(xiàn)場應(yīng)用并取得了良好的效果。

2 鉆井液用高分子中空微珠減輕劑的生產(chǎn)

鉆井液用高分子中空微珠減輕劑生產(chǎn)技術(shù)屬于世界性技術(shù)難題，截止目前，國內(nèi)外尚無生產(chǎn)和應(yīng)用的報道。用于降低鉆井液密度的高分子中空微珠減輕劑。本體性質(zhì)方面，要求密度低、耐溫抗壓、抗沖擊、耐研磨，殼層密閉性好，高溫、高壓、高剪切的苛刻條件下中空微珠殼層不破碎不滲水；表面性質(zhì)方面，要求表面親水性好，在水溶液中易于形成完整、有序、強度高的溶劑化膜和ζ電位較大的雙電層結(jié)構(gòu)，高分子中空微珠之間及與鉆井液中其它固相顆粒之間不易發(fā)生吸附和團聚。由于上述特殊的應(yīng)用要求，現(xiàn)有常規(guī)高分子中空微珠產(chǎn)品的性能無法達到實際的應(yīng)用需要[7-12]，因此，對鉆井液用高分子中空微珠減輕劑的殼層結(jié)構(gòu)和材料性能進行了特殊設(shè)計：殼層為雙殼層復(fù)合結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為厚度較大且本體密度低、強度高、耐溫抗壓、耐沖擊、密閉性高的疏水性高分子材料；外層則為很薄的親水性分子層、在水溶液中可部分電離形成雙電層結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雙殼層復(fù)合結(jié)構(gòu)高分子中空微珠示意圖

通過6年技術(shù)攻關(guān)，研選出彈韌性高分子材料PSF、發(fā)泡劑、表面改性劑、催化劑等關(guān)鍵材料并自主研發(fā)出獨創(chuàng)的噴霧反應(yīng)成型及表面改性同步完成的高分子中空微珠生產(chǎn)技術(shù)，該生產(chǎn)技術(shù)分為四個主要工藝單元，即原料預(yù)反應(yīng)系統(tǒng)、噴霧反應(yīng)成型系統(tǒng)、產(chǎn)品收集系統(tǒng)及尾氣除塵系統(tǒng)。顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)的高分子中空微珠外觀形貌呈圓球形顆粒、表面光滑、殼層密閉，產(chǎn)品平均粒徑76μm、平均密度0.39g/cm3，90℃下抗壓高達50MPa，生產(chǎn)成本僅為進口3M玻璃中空微珠的1/3，具有很高的性價比。

3 鉆井液用高分子中空微珠減輕劑的現(xiàn)場應(yīng)用方法

高分子中空微珠減輕劑的現(xiàn)場應(yīng)用方法如下：

步驟1)：根據(jù)擬使用目標井的鉆井液設(shè)計方案，優(yōu)選各種配套處理劑如增黏劑、流型調(diào)節(jié)劑、降濾失劑、抑制劑、封堵防塌劑等；

步驟2)：確定合理的基液粘度/切力參數(shù)，使之能夠維持高分子中空微珠在基液中穩(wěn)定懸浮和分散；

步驟3)：根據(jù)目標區(qū)塊地層壓力和鉆井液設(shè)計，確定高分子中空微珠適宜加量；

步驟4)：采用循環(huán)加料方式向基液中逐漸加入高分子中空微珠；

步驟5)：根據(jù)鉆井液性能要求，補充降濾失劑、流型調(diào)節(jié)劑等處理劑；

步驟6)：充分攪拌循環(huán)后，測定鉆井液體系的密度、流變性、濾失量等參數(shù)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

本文以內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)的錦96井和錦111井為應(yīng)用目標，按照上述鉆井液用高分子中空微珠減輕劑使用方法，研選了配套處理劑，構(gòu)建了一套高分子中空微珠低密度鉆井液體系，體系配方為：清水+0.1%NaOH+0.3%XC+1%改性淀粉+2%天然改性瀝青+1%SMJA-1+1%RH-1+高分子中空微珠減輕劑。隨著高分子中空微珠減輕劑加量的增加，鉆井液體系的密度顯著降低，且熱滾老化前、后鉆井液密度變化幅度很小。

現(xiàn)場應(yīng)用中通過直接配制低密度鉆井液和循環(huán)加入鉆井液的方式驗證高分子中空微珠減輕劑的實際應(yīng)用效果。配制低密度鉆井液時，加入高分子中空微珠后無起泡現(xiàn)象，按質(zhì)量體積比加入4%高分子中空微珠后，鉆井液密度可由1.02g/cm3降至0.98g/cm3。通過加量漏斗直接加入循環(huán)系統(tǒng)時，泵壓平穩(wěn)、對鉆井參數(shù)無影響、固控設(shè)備未篩出高分子中空微珠。每次循環(huán)加入高分子中空微珠不僅可有效降低鉆井液密度，而且對現(xiàn)場鉆井液流變性未產(chǎn)生不良影響。在整個試驗井段中，鉆井液密度一直保持在0.97g/cm3～0.99g/cm3之間，表明高分子中空微珠鉆井液低密度維持時效良好。

將現(xiàn)場收集的經(jīng)振動篩、除砂器、離心機處理后的鉆屑進行烘干處理，并采用掃描電鏡在不同放大倍數(shù)下觀察鉆屑表面表明，經(jīng)振動篩、除砂器、離心機等固控設(shè)備處理后的鉆屑表面未發(fā)現(xiàn)球狀物存在，表明經(jīng)固控設(shè)備處理后的鉆屑中不含有高分子中空微珠，高分子中空微珠在施工中未發(fā)生吸附、團聚現(xiàn)象，對現(xiàn)場的鉆井液固控設(shè)備具有良好的適應(yīng)性。

將現(xiàn)場鉆井液經(jīng)清水稀釋后在燒杯中靜止放置24h，并收集燒杯液面漂浮的高分子中空微珠，然后將收集的高分子中空微珠經(jīng)80℃烘干，用掃描電鏡觀測其在不同放大倍數(shù)下的狀態(tài)，結(jié)果顯示，鉆井液中的高分子中空微珠顆粒完整性好，破碎率低，表明高分子中空微珠能經(jīng)受住鉆頭水眼的高速剪切沖擊和研磨，耐研磨、抗沖擊、抗剪切性能良好。

現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，自主研制生產(chǎn)的高分子中空微珠減輕劑綜合性能完全滿足了鉆井液應(yīng)用要求效果良好。

5 結(jié)語

根據(jù)鉆井液減輕劑的特殊使用要求，自主研制綜合性能滿足鉆井液應(yīng)用要求的高分子中空微珠減輕劑產(chǎn)品，其外觀呈圓球形顆粒、表面光滑、殼層密閉，產(chǎn)品平均粒徑76μm、平均密度0.39g/cm3，90℃下抗壓高達50MPa，生產(chǎn)成本僅為進口3M玻璃中空微珠的1/3?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，自主研制生產(chǎn)的高分子中空微珠減輕劑，在鉆井液中分散穩(wěn)定性好，其鉆井液低密度維持時效長，與鉆屑不發(fā)生吸附、團聚現(xiàn)象，具有良好的耐研磨、抗沖擊及抗剪切能力，而且對現(xiàn)場固控設(shè)備適應(yīng)性良好?？赏〈F(xiàn)有玻璃中空微珠而成為新一代鉆井液減輕劑，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1]耿曉光，鄭濤，周大宇．HGS低密度鉆井液在全過程欠平衡水平井中的應(yīng)用[J]．鉆井液與完井液，2008，25(6)，87-88．

[2]李燕梅，蒲曉林，侯勤立,等.空心玻璃球低密度水基鉆井液技術(shù)[J].鉆井液與完井液，2008，25(1)：18-20．

[3]賈興明，馮學(xué)榮，楊蘭平，等．中空玻璃微珠低密度鉆井液的現(xiàn)場應(yīng)用工藝[J].鉆井液與完井液，2007，24(1)：26-27．

[4]葉艷，鄢捷年．高強度空心玻璃微珠低密度水基鉆井液室內(nèi)研究及應(yīng)用[J].石油鉆探技2006，34(3)：41-44．

[5]俞憲生．玻璃微珠低密度無固相鉆井液在DP3井中的應(yīng)用[J]．探礦工程，2008，10：14-16．

[6]趙素麗，陳鋮，石秉忠聚苯乙烯中空微珠及其鉆井液的研究[J].油田化學(xué)，2013，30(3)：323-325.

[7]Ding J F．Polystyrene block poly(2-cinnamoylethyl methacrylate)nanospheres with crosslinked shells[J]．Macromolecules，1998，31(19)：6554-6558．

[8]Nardin C．Polymerized ABA triblock copolymer vesicles[J]．Langmuir，2000，16(3)：1035-1041．

[9]Jang J．Fabrication of hollow polystyrene nanospheres in microemulsion polymerization using triblock copolymers[J]．Langmuir，18(14)：5613-5618．

[10]Park M K．Cross-linked luminescent spherical colloidal and hollow-shell particles[J]．Langmuir，2001，17(24)：7670-7674．

[11]梁志武，郝廣杰，申小義，等．中空結(jié)構(gòu)聚合物微粒的制備方法[J]．高分子通報，2003，(5)：36-41.

[12]Kida T．Fabrication of hollow capsules composed of poly(methyl methacrylate) stereocomplex films[J]．Angewandte Chemie-International Edition，45(45)：7534-7536．

王建宇（1974.7-），男，博士，高級工程師，從事鉆井液研究與開發(fā)工作。

中國石化科技部重點科技攻關(guān)項目，項目編號：P10036、P13008。