劉瑞，于培志

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

近年來，油氣資源勘探開發(fā)不斷向深部發(fā)展，基于深部、超深部儲(chǔ)層的高溫環(huán)境，鉆井液性能的穩(wěn)定性面臨著巨大挑戰(zhàn)。油基鉆井液抗溫性佳，性能穩(wěn)定，同時(shí)具備抑制性強(qiáng)、潤滑性好等優(yōu)勢(shì)，但是油基鉆井液極易造成污染，嚴(yán)重限制了它的進(jìn)一步發(fā)展，抗高溫高性能的水基鉆井液體系成為了眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)。高溫對(duì)水基鉆井液體系的影響主要體現(xiàn)在對(duì)處理劑的影響上[1-3]，因此，研究開發(fā)抗高溫水基鉆井液處理劑，對(duì)深層、超深層油氣資源勘探開發(fā)具有重要意義。筆者簡要概述了水基鉆井液處理劑在高溫下存在的問題，并從增強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)、改善聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、添加納米材料等方面綜述了近年來抗水基鉆井液關(guān)鍵處理劑的研究與應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 水基鉆井液處理劑在高溫下存在的問題

目前，水基鉆井液關(guān)鍵處理劑以高分子聚合物為主，其在高溫環(huán)境下主要存在兩方面的問題：①高溫降解。深井高溫環(huán)境下，高分子聚合物處理劑易發(fā)生高溫水解，鉆井液循環(huán)過程中的剪切作用會(huì)加劇水解，造成處理劑分子主鏈與支鏈的斷裂，失去效果，進(jìn)而影響鉆井液體系的性能；②高溫交聯(lián)。當(dāng)高分子聚合物處理劑分子鏈中含有活性基團(tuán)或者不飽和鍵時(shí)，在高溫的作用下，活性基團(tuán)之間會(huì)出現(xiàn)彼此交聯(lián)反應(yīng)，使處理劑分子量顯著增大，導(dǎo)致處理劑作用效果變差[4-5]。針對(duì)上述問題，國內(nèi)外學(xué)者通過增強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)、改善聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、添加納米材料等方式研發(fā)了一系列抗高溫高性能水基鉆井液處理劑，對(duì)上述研究進(jìn)行梳理分析，對(duì)抗高溫水基鉆井液關(guān)鍵處理劑的進(jìn)一步研發(fā)具有重要的指導(dǎo)作用。

2 抗高溫水基鉆井液關(guān)鍵處理劑研究進(jìn)展

2.1 增強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)優(yōu)化聚合物分子結(jié)構(gòu)是提高其耐溫性能的關(guān)鍵手段。研究表明：—C—C—抗溫性能優(yōu)異，適合作為聚合物處理劑的主鏈；將苯環(huán)等剛性基團(tuán)或者大型基團(tuán)引入聚合物側(cè)鏈，能夠提高分子運(yùn)動(dòng)時(shí)的空間位阻，可顯著提高聚合物處理劑抗溫性能[6]。

胡正文等[7]引入長鏈季銨鹽單體11-丙烯酰氧基十一烷基-二甲基-羥乙基溴化銨(ADAB)，將其與丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚得到了聚合物降濾失劑PAAAA。含1.5%(w)PAAAA的淡水基漿200 ℃老化后，中壓濾失9.0 mL，高溫高壓濾失16.0 mL，抗溫性能優(yōu)異。Aghdam等[8]通過自由基聚合，使用1-乙烯基咪唑(VI)、AM、AMPS合成了一種三元共聚抗高溫降濾失劑AAV，與傳統(tǒng)改性淀粉類降濾失劑相比，AAV可形成更加平滑致密的泥餅，180 ℃高溫老化后AAV具備更低的濾失量。采用反向乳液聚合的方式，Huo等[9]利用苯乙烯磺酸鈉(SSS)、AM、AMPS研制了一種三元共聚物，含有1.2%該共聚物的水基鉆井液體系在160 ℃老化16 h后，API濾失量為9.4 mL，降濾失效果遠(yuǎn)優(yōu)于SMC、SMP-Ⅱ等傳統(tǒng)降濾失劑。同時(shí)，該共聚物能夠使鉆井液體系在高溫下保持良好的流變性，保證了對(duì)巖屑的有效懸浮與攜帶。張現(xiàn)斌等[10]采用自由基聚合，制備了四元共聚物增粘劑ANAD，由于ANAD分子鏈中含有剛性基團(tuán)與大分子側(cè)鏈，賦予了其優(yōu)異的抗溫、抗鹽與抗剪切的能力，其在15%鹽水基漿中抗溫可達(dá)180 ℃，在淡水基漿中抗溫可達(dá)230 ℃，性能遠(yuǎn)優(yōu)于80A51等傳統(tǒng)增粘劑。Cao等[11]通過引入4-乙烯基吡啶(VP)提高了分子鏈的剛性，進(jìn)而提高了AM、AMPS、VP三元共聚物處理劑的耐溫性能，同時(shí)，帶正電的VP基團(tuán)可增強(qiáng)該共聚物與膨潤土之間的相互作用，改善膨潤土顆粒的膠體穩(wěn)定性，顯著提高鉆井液體系的抗溫抗鈣能力，實(shí)驗(yàn)表明，CaCl2污染濃度在20%時(shí)，含1%該共聚物降濾失劑的鉆井液體系150 ℃老化16 h后，API濾失僅為8.2 mL。 邱正松等[12]選取溫敏性單體N-乙烯基己內(nèi)酰胺(NVCL)，以自由基膠束乳液聚合法，將其與N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)以及對(duì)苯乙烯磺酸鈉(SSS)共聚制得抗高溫增粘劑SDTP，SDTP分子鏈中具有苯環(huán)剛性側(cè)鏈以及NVCL的七元環(huán)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)，提升了空間位阻，增強(qiáng)了SDTP分子主鏈的剛性，從而提高了其抗溫性能，含有0.3% SDTP的水基鉆井液體系230 ℃老化后仍具備優(yōu)異的性能，南堡油田南堡3-81井現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明了SDTP能夠在低密度、超高溫環(huán)境下發(fā)揮良好的作用，保證了鉆井施工的順利進(jìn)行。

通過多元共聚等方式增強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)能夠顯著提高水基鉆井液聚合物處理劑的抗溫性能，此類研究較多，應(yīng)用也較為成熟。但部分聚合物處理劑制備過程中單體原料單一，反應(yīng)繁瑣，產(chǎn)出率低，工業(yè)化生產(chǎn)條件較差，難以形成高的經(jīng)濟(jì)效益?？山Y(jié)合反應(yīng)機(jī)理進(jìn)一步深入研究，提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.2 改善聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

高分子聚合物分子鏈的排列狀態(tài)稱為聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，通過疏水締合、引入兩性離子等方式改善聚合物聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以提高抗溫性能，是眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。

兩性離子聚合物分子鏈中同時(shí)含有陰、陽離子基團(tuán)，正負(fù)電荷之間的靜電作用有利于提高聚合物在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性[13-14]。李斌等[15]使用對(duì)苯乙烯基磺酸鈉(SSS)、AMPS兩種磺酸基單體，選用陽離子單體二甲基二烯丙基氯化銨(DMDAAC)制備了兩性離子抗高溫抗鈣分散劑。由于苯環(huán)的阻聚作用，形成的共聚物分子量較小，賦予了其較好的高溫穩(wěn)定性?；谠摲稚┡渲频你@井液體系在Ca2+污染情況下，150 ℃老化后分散良好，無絮凝現(xiàn)象，高溫高壓濾失為12.2 mL，性能良好。馬喜平等[16]同樣選取DMDAAC作為陽離子單體，通過自由基聚合，制備了兩性離子降濾失劑PAASDA，相較于傳統(tǒng)的SPNH、SMP等磺化降濾失劑，PAASDA性能更加突出下，2.0% PAASDA的鹽水基漿180 ℃老化后API濾失僅為9.8 mL，在復(fù)合鹽水聚磺鉆井液體系中，老化后API濾失為2.2 mL，高溫高壓濾失為8.2 mL，遠(yuǎn)優(yōu)于其他降濾失劑。

疏水締合聚合物分子鏈中含有一定的疏水基團(tuán)，疏水基團(tuán)在水溶液中聚集產(chǎn)生締合作用形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[17-19]，增強(qiáng)聚合物的抗溫耐鹽性能。盧興國等[20]以新型疏水締合聚合物SDH-N為主處理劑，研發(fā)了一套鉆井液體系，該體系140 ℃老化后API濾失3.9 mL，高溫高壓濾失8.4 mL，抗溫性能良好，該體系同時(shí)具備良好的抗Ca2+、Mg2+能力。馬喜平等[21]引入了長鏈烷烴，并通過季胺化制備了疏水性單體ADMA-16，并利用該單體與甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)、AM共聚合成了疏水締合聚合物PADA，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明該聚合物處理劑具備一定的抗溫抗鹽性能。張耀元等[22]通過引入疏水締合聚合物PL-5，配制了抗高溫?zé)o固相水基鉆井液體系，當(dāng)老化溫度低于160 ℃時(shí)，該體系流變參數(shù)滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，體系同時(shí)兼?zhèn)淞己玫囊种菩阅堋F1-1氣田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該體系抗溫性能優(yōu)越，成功解決了水平井長裸眼段的井壁穩(wěn)定與井眼凈化問題。

通過改善聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以提高水基鉆井液聚合物處理劑抗溫性能是近年來的研究熱點(diǎn)，已取得一定的成果，隨著高分子理論研究的不斷深入，改善聚集態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)提高水基鉆井液聚合物處理劑抗溫性能意義重大。

2.3 添加納米材料

近年來，納米材料因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)在石油工程中得到了廣泛的應(yīng)用[23-25]，納米材料引入到水基鉆井液聚合物處理劑中，可有效改善處理劑的抗溫耐鹽等性能。

Mao等[26]以AM、AMPS以及苯乙烯(St)為主要原料，采用反相乳液聚合和溶膠-凝膠法制備了核殼結(jié)構(gòu)疏水締合聚合物納米二氧化硅復(fù)合材料SDFL。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，1%的SDFL濃度可使鉆井液濾失量明顯降低， 220 ℃老化16 h后，高溫高壓濾失量僅為16 mL，同時(shí)體系的流變性保持良好，分析認(rèn)為，SDFL分子可使溶劑疏水締合，引入的無機(jī)二氧化硅納米粒子使二氧化硅的剛性和熱穩(wěn)定性與疏水締合共聚物的性能相結(jié)合，可以有效地保持鉆井液在高溫高壓下的粘度，從而起到降低濾失量的作用。 在超聲的協(xié)同作用下，Chang等[27]制備了木質(zhì)素納米微球，并通過接枝AMPS與N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)合成了一種新型兩性聚合物降濾失劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在260 ℃老化16 h后，含2.0%該降濾失劑的膨潤土基漿的濾失量僅為8.0 mL，抗溫性能優(yōu)異。Ma等[28]通過自由基聚合，成功的將AM、AMPS、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)接枝到了改性納米二氧化硅表面，形成了球形核殼結(jié)構(gòu)共聚物降濾失劑PAAN-SiO2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該降濾失劑具備優(yōu)異的抗溫抗鹽性能，同樣在180 ℃老化，含2%氯化鈣的基漿在加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PAAN-SiO2后，濾失量由186 mL降到6 mL，掃描電鏡顯示納米材料有效封堵了泥餅上的微孔，形成了薄而致密的泥餅，有效的降低了濾失。孫立君等[29]使用偶聯(lián)劑KH-550對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行了改性，并以其為原料通過自由基聚合制備的有機(jī)/無機(jī)鉆井液降濾失劑LJ-1，納米二氧化硅比表面積大，增大了LJ-1的熵對(duì)比熱的貢獻(xiàn)，使其更容易吸收熱量，從而提高了體系的抗溫性能，LJ-1加量為 3% 時(shí)，鹽水鉆井液體系高溫高壓濾失量為18.4 mL，性能優(yōu)于AAID等降濾失劑。

研究表明納米材料能夠顯著提高水基鉆井液處理劑抗溫性能，納米材料的粒徑、表面性質(zhì)等特性對(duì)其性能存在一定的影響，需要繼續(xù)深入研究，隨著理論研究與生產(chǎn)工藝的發(fā)展，納米材料應(yīng)用前景廣闊。

3 總結(jié)與展望

為滿足深部、超深部油氣資源勘探開發(fā)的要求，進(jìn)一步提高水基鉆井液體系的抗高溫性能，近年來在抗高溫聚合物處理劑方面進(jìn)行了一系列的研究，主要可總結(jié)為以下方面：①通過引入剛性基團(tuán)或者大側(cè)鏈等方式增強(qiáng)優(yōu)化分子結(jié)構(gòu)，顯著提高了聚合物處理劑的抗溫性能，新型高效抗溫單體有待進(jìn)一步研究開發(fā)；②疏水締合、引入兩性離子等方式有利于改善聚合物處理劑的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，提高了其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，可結(jié)合理論機(jī)理進(jìn)一步深入研究；③納米材料粒徑小，比表面積大，通過接枝共聚等方式與聚合物形成復(fù)合材料，可提高水基鉆井液處理劑的抗溫性能，應(yīng)用前景較廣。

目前，抗高溫水基鉆井液處理劑仍需進(jìn)一步研發(fā)，應(yīng)主要集中于以下幾個(gè)方面研究：①目前已有的抗溫單體較為單一，繼續(xù)研究難以形成較大突破，應(yīng)擴(kuò)大原料來源，開發(fā)新型高效抗溫單體，同時(shí)優(yōu)化反應(yīng)過程，降低工業(yè)化生產(chǎn)難度，提高經(jīng)濟(jì)效益；②目前對(duì)環(huán)保的要求日益嚴(yán)格，無毒可降解的處理劑將成為研究熱點(diǎn)，應(yīng)立足于天然環(huán)保材料，結(jié)合高分子理論，研發(fā)綠色環(huán)保聚合物處理劑。