孫偉，彭潔，王倩，趙海峰，季亮

(1.中聯(lián)煤層氣國家工程研究中心有限責(zé)任公司，北京 100095；2.中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京102249；3.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京 102200；4.中石油煤層氣公司韓城分公司，陜西 韓城 715400)

與水基鉆井液相比，油基鉆井液具有防塌效果好、抗污染能力強、良好的熱穩(wěn)定性和潤滑性等特點。提切劑是油基鉆井液的核心處理劑之一，油基鉆井液的切力直接影響到攜巖效果、重晶石沉降、當(dāng)量循環(huán)密度、激動壓力等。只有適當(dāng)控制切力并保持其穩(wěn)定，才能成功鉆探復(fù)雜井，尤其是深水井、高溫高壓井和安全密度窗口窄的井段[1-4]。國內(nèi)目前主要使用有機土作為增黏提切劑，改善其流變性能，提升對于加重材料及鉆屑的懸浮與攜帶能力，但有機土活化慢，降低了鉆井液的固相容量，易污染低滲透儲層，并且在高溫下易稠化，進(jìn)而導(dǎo)致油基鉆井液的使用壽命降低甚至使其失效[5-11]。為此，筆者以飽和脂肪酸二聚體、多元醇胺以及多烯多胺為原料，采用四元聚合法合成一種抗高溫油基鉆井液提切劑，并對其性能進(jìn)行了綜合評價。通過測定不同油水比、提切劑含量等條件下的流變曲線來研究該提切劑對油基鉆井液切力的影響，實驗數(shù)據(jù)表明鉆井液切力大幅上升；通過設(shè)置溫度梯度(150～240 ℃)來測定提切劑的抗高溫性能，抗溫可達(dá)220 ℃；分析了其化學(xué)結(jié)構(gòu)、電穩(wěn)定性和降濾失性，并在油基和合成基鉆井液體系中評價提切劑對體系切力和其他性能的影響。

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

Ofite900型六速旋轉(zhuǎn)黏度計，美國OFITE公司；FANN-23E型電穩(wěn)定性測試儀，美國Fann公司；GGS71-B型高溫高壓濾失儀，青島海通達(dá)專用儀器廠。

二聚酸(OA)，虹宇化工有限責(zé)任公司;二乙烯三胺(DETA)，桑菲經(jīng)貿(mào)有限公司；二乙醇胺(DEA)，仁恒化工有限公司；三乙醇胺(TEA)，仁恒化工有限公司。

1.2 提切劑的合成

使用純度98%二聚酸、二乙烯三胺和二乙醇胺在165 ℃條件下反應(yīng)，使用圓底四口燒瓶，將其放置在數(shù)顯控溫電加熱套上，安裝多功能攪拌器和溫度實時測量裝置。然后按n(二聚酸)∶n(二乙烯三胺)∶n(二乙醇胺)=1∶1∶0.34加入到四孔燒瓶中。調(diào)節(jié)電加熱套的溫控裝置升溫至165 ℃，反應(yīng)時間為2 h，剛開始用低速攪拌，待反應(yīng)穩(wěn)定后調(diào)高攪拌速度，約200～300 r/min。待反應(yīng)結(jié)束，觀察合成物顏色及黏稠度，降溫至60 ℃出料。直接使用合成后的產(chǎn)品進(jìn)行表征及性能評價。提切劑的合成過程如圖1所示。

圖1 提切劑的合成過程

1.3 提切劑性能測試

實驗配方為5#白油+CaCl2水溶液+乳化劑+合成的提切劑FPR-1+2%有機土+2%CaO+4%降濾失劑+400 g重晶石(ρ=1.5 g/cm3)。首先，配制不同油水比的基液，如10∶0(全油基)、8∶2、7∶3等，然后，將提切劑加入到基液中，分別對不同加量的提切劑做對比實驗，再使用旋轉(zhuǎn)黏度儀、HTHP濾失量測定儀、破乳電壓儀等儀器測試提切劑FPR-1的性能。

1.4 提切劑的表征

1.4.1 紅外分析

圖2是聚合物FPR-1的紅外光譜。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，在3 400 cm-1處出現(xiàn)一個尖峰是分子內(nèi)氫鍵—CO—NH—的特征吸收峰； 2 929 cm-1為—CH2—基團的對稱伸縮振動吸收峰；1 655 cm-1為羰基—C=O特征吸收峰；1 413 cm-1為—C—N—骨架振動吸收峰；1 295 cm-1為醇胺中—C—O—鍵振動吸收峰；1 191、1 134、1 025 cm-1等為羥基—OH不對稱伸縮振動特征峰；分析表明FPR-1分子鏈上具有單體中存在的特征官能團，說明合成方案可行，實現(xiàn)了設(shè)計的分子結(jié)構(gòu)。

圖2 FPR-1紅外光譜

1.4.2 相對分子質(zhì)量分析

提切劑的相對分子質(zhì)量影響著提切劑的性能，本文中合成的提切劑相對分子質(zhì)量可以通過各個反應(yīng)物的相對分子質(zhì)量計算得到，其中，二聚酸的相對分子質(zhì)量為564.92，二乙烯三胺相對分子質(zhì)量為103.17，二乙醇胺相對分子質(zhì)量為105.14，三乙醇胺相對分子質(zhì)量為149.19，由提切劑反應(yīng)方程式可以計算，合成的提切劑相對分子質(zhì)量大約在1 000。從聚合物角度來看，由于FPR-1提切劑的相對分子質(zhì)量很小，加入之后不會影響油包水乳液的內(nèi)部摩擦力，所以不會增加鉆井液的塑性黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同油水比對基漿流變性及電穩(wěn)定性的影響

2.1.1 不同油水比對流變性的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，在配制油基鉆井液的過程中，隨著不斷改變其油水比，其稀稠度也發(fā)生了變化，因此可以判定其流變性能也在發(fā)生變化，使用黏度計測得不同油水比的六速黏度并計算出表觀黏度、塑性黏度及動切力，配方為5#白油+乳化劑+20%CaCl2水溶液+有機土+CaO+降濾失劑+重晶石(ρ=1.5 g/cm3)，測試溫度65 ℃，具體數(shù)據(jù)及分析如表1和圖3所示。

表1 不同油水比鉆井液基漿流變參數(shù)數(shù)據(jù)表

圖3 鉆井液的剪切應(yīng)力隨油水比的變化曲線

由表1和圖3可以看出，測得油基泥漿的剪切應(yīng)力(儀器讀數(shù))隨油水比的不斷降低而變大，增加趨勢由剛開始的緩慢升高，然后增長速度變快，最后趨于穩(wěn)定，剪切應(yīng)力上升到某一固定值后，油水比繼續(xù)降低，剪切應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

此外，油水比在5∶5前后，鉆井液的剪切應(yīng)力讀數(shù)浮動較大，剪切應(yīng)力變化較大，這是因為體系中水相高于油相之后，鉆井液中油滴被沖散，其黏滯性增強。

由圖4可知，油水比從10∶0降低到1∶9，其表觀黏度曲線和塑性黏度曲線持續(xù)上升，黏度變大，這說明油水比居于中間偏大的比例為最佳，在保持較好的流動性時，切力越大越有利于攜巖和控制固相含量。

圖4 不同油水比鉆井液基漿表觀黏度及塑性黏度變化

由圖5可知，鉆井液動切力隨油水比的降低逐漸增大，在油水比等于5∶5前后變化較大，這是因為流體從塑性流體變成了假塑性流體，油水比不斷降低，體系中的水相含量過多，已經(jīng)將鉆井液的油滴完全沖散，使鉆井液已由W/O型變成了O/W型乳狀液，所以油水比小于5∶5的情況不符合油基鉆井液體系的條件。

圖5 不同油水比鉆井液基漿動切力變化

2.1.2 穩(wěn)定性測試分析

在油基鉆井液體系中，破乳電壓值越大，油包水乳液越穩(wěn)定，破乳電壓大于400 V表示體系復(fù)合穩(wěn)定指標(biāo)。具體測量數(shù)據(jù)見表2。

從表2及圖6可知，隨著油水比的不斷減小，其破乳電壓不斷下降，當(dāng)油水比小于5∶5時，破乳電壓已低于400 V，油包水乳液被破壞，體系破乳，不能滿足鉆井液的穩(wěn)定性要求，所以油水比8∶2和9∶1為最佳。

表2 不同油水比油基鉆井液的破乳電壓數(shù)據(jù)表

圖6 不同油水比油基鉆井液的破乳電壓

2.2 提切劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對油基鉆井液的影響

在測試提切劑FPR-1加量對鉆井液性能影響的實驗中，主要考慮了在油基鉆井液中分別加入了0、1%、2%、3%、4%的FPR-1提切劑，測出其流變性與電穩(wěn)定性，優(yōu)選出提切劑發(fā)揮作用的最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)。實驗結(jié)果見表3。

由表3及圖7可分析出提切劑加量對油基鉆井液切力(動靜切力)大小的影響，在提切劑加量小于2%時，鉆井液動切力與靜切力增加不顯著，從提切劑w(FPR-1)=0時的切力為6.132，w(FPR-1)=1%時的切力為7.154，提切效果不明顯；當(dāng)提切劑加量大于2%時，動切力與靜切力均急劇增加，提升到13以上，提切效果顯著，且加入提切劑之后，油基體系的破乳電壓也保持較高數(shù)值的穩(wěn)定，均處于1 400 V左右，滿足要求。

表3 FPR-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)對流變性與電穩(wěn)定性影響實驗數(shù)據(jù)表

圖7 FPR-1質(zhì)量分?jǐn)?shù)對鉆井液切力的影響

2.3 提切劑的抗溫性能評價

為了考察FPR-1提切劑在鉆井液中的抗溫性能，在油基鉆井液體系中加入FPR-1提切劑，由2.2中實驗結(jié)果分析出2%的提切劑加量能起到良好的提切效果，因此選用2%這個量是最合適的。在抗溫實驗設(shè)計方面，選取了150、180、200、220、240 ℃ 5個老化溫度條件。配方為320 mL 5#白油+6%乳化劑+2%提切劑+2%有機土+80 mL 20%CaCl2水溶液+4%降濾失劑+2%CaO+400 g重晶石(油水比80∶20；密度1.5 g/cm3)。

表4為不同老化溫度對提切劑和鉆井液體系的影響，圖8是動切力變化趨勢。

表4 不同老化溫度對提切劑和鉆井液體系的影響

圖8 動切力變化趨勢

由表4和圖8所示，加入提切劑FPR-1后，油基鉆井液的表觀黏度AV，塑性黏度PV和動切力YP均大幅度增加，提切效果十分明顯。然后，經(jīng)過不同溫度條件下的熱滾，提切效果仍然明顯，說明加入提切劑后該油基體系在不同溫度下性能穩(wěn)定。由此看出，在不同溫度下，該提切劑在發(fā)揮作用的同時并沒有破壞體系整體的穩(wěn)定性。在溫度升高到240 ℃時，鉆井液中加入的提切劑空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到了破壞，提切劑受高溫分解失效，因此，提切劑FPR-1抗溫可達(dá)220 ℃。

3 結(jié) 論

a.以飽和脂肪酸二聚體、多元醇胺以及多烯多胺為原料，采用四元聚合的方法合成了一種抗高溫油基用提切劑FPR-1，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明合成的聚合物提切劑與實驗初期的設(shè)計一致。

b.測定不同油水比條件下的各個油基鉆井液流變參數(shù)及其電穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)分析得到油水比8∶2為最佳。然后，對提切劑加量進(jìn)行梯度測試，優(yōu)選出能達(dá)到很好提切效果的提切劑最少加量為2%，此時的靜切力Φ6/Φ3=13/12，破乳電壓約1 400 V，提切效果顯著。

c.研制的提切劑FPR-1能有效提高油基鉆井液體系的表觀黏度、塑性黏度及動切力，加入提切劑FPR-1后，測試的油基鉆井液流變性能良好，破乳電壓Es升高，HTHP濾失量變小，且該提切劑能使體系有較高的剪切稀釋性，有利于鉆井過程中的破巖和返排時攜帶巖屑。另外，該提切劑的熱穩(wěn)定性十分好，加入該提切劑后，鉆井液體系抗溫可高達(dá)220 ℃，不影響體系的整體穩(wěn)定性，對鉆探深井、高溫高壓井以及復(fù)雜井有重要指導(dǎo)作用，是一種良好的油基鉆井液用提切材料。