聚磺饱和盐水高温钻井液体系研究.docx

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聚磺饱和盐水高温钻井液体系研究

摘要

聚磺钻井液是将聚合物钻井液和磺化钻井液结合在一起而形成的一类抗高温钻井液体系。

聚磺钻井液既保留了聚合物钻井液的优点，又对其在高温高压下的泥饼质量和流变性进行了改进，从而有利于深井钻速的提高和井壁的稳定。

聚磺饱和盐水钻井液是钻穿盐层、石膏层常用的一种钻井液体系，随着钻井深度的增加，钻遇深部盐层和石膏层的情况越来越多，对钻井液的抗高温能力要求越来越高，在现场实践中常出现因抗温能力不足，引起钻井液失水上升，高温稠化，流变性难以调控等问题，导致井下复杂事故的发生。

因此，提高聚磺饱和盐水钻井液的抗高温能力和热稳定性是亟待解决的问题。

本次设计选取现场常用两性离子聚磺饱和盐水钻井液，通过正交实验法，研究其抗温能力与体系组成的内在联系，得出影响该体系抗温能力的因素排序及最优化配方，经高温实验检测，该体系抗温能力达160度以上。

关键词：

聚磺钻井液；饱和盐水；热滚动；高温高压失水；抗温能力；优选

Abstract

Thepolysulfonatedrillingfluid,asakindofdrillingfluidsystemresistanttohightemperatures,ispolymerdrillingfluidcombinedwithsulfonateddrillingfluid.Polysulfonatedrillingfluidnotonlyretainstheadvantagesofpolymerdrillingfluid,andalsoimprovesmudcakequalityandrheologicalpropertiesunderhightemperatureandhighpressure,thus,itisinfavorofdrillingrateimprovementofdeepwellsandwellborestability.Polysulfonatesaturatedbrinedrillingfluidisakindofdrillingfluidsystemforlayerofsaltandgypsumlayers.Withtheincreaseofdrillingdepth,thesituationofencounteringlayerofsaltandgypsumlayersismoreandmore,thedemandfortemperatureresistancecapacityishigher.Inthefieldpractice,itoftencausestheriseoffluidloss,hightemperaturethickeningandthedifficulttocontroltherheologyduetotheinadequateoftemperatureresistancecapacity,leadstocomplexaccidentsunderwell.Therefore,it’svitaltoenhancetemperatureresistancecapacityandthermalstabilityofpolysulfonatesaturatedbrinedrillingfluid.Thisdesignistoselectafrequentlyusedzwotterionicpolysulfonatesaturatedbrinedrillingfluid,throughtheorthogonalexperimentmethod,researchtheinnerlinkoftemperatureresistancecapacityandsystemcomposition,tofindthesequenceoffactorswhichinfluencethesystem’stemperatureresistancecapacityandoptimizingformulation.Afterthetestingexperimentunderhightemperature,thissystem’stemperatureresistancecapacitycanreachabove160degrees.

Keywords:

polysulfonatedrillingfluid;saturatedbrine;hotrolling;filtrationunderhightemperatureandhighpressure;temperatureresistancecapacity;optimization

目录

中文摘要……………………………………………………………………………Ⅰ

英文摘要……………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论………………………………………………………………………1

1.1聚磺饱和盐水钻井液的概况………………………………………………1

1.2研究的目的和意义…………………………………………………………2

1.3主要研究内容和关键点……………………………………………………2

第2章两性离子聚磺钻井液抗温及抗盐机理…………………………………3

2.1高温水基钻井液的主要特点………………………………………………3

2.2高温对搬土颗粒的影响……………………………………………………4

2.3高温对钻井液处理剂的影响………………………………………………6

2.4高温对钻井液中粘土粒子和处理剂相互作用的影响……………………7

2.5两性离子聚磺化钻井液抗高温原理………………………………………8

2.6盐对水基钻井液的影响……………………………………………………8

第3章研究方案…………………………………………………………………11

3.1实验方案……………………………………………………………………11

3.2实验程序……………………………………………………………………14

3.3测试评价方法………………………………………………………………14

第4章实验数据分析……………………………………………………………17

4.1对高温高压失水的极差分析………………………………………………18

4.2对流变参数的极差分析……………………………………………………21

4.3热滚动结果的数据分析……………………………………………………22

第5章研究结论…………………………………………………………………26

致谢…………………………………………………………………………………27

参考文献……………………………………………………………………………28

1绪论

1.1聚磺钻井液的概况[3]

聚磺钻井液是在钻井实践中将聚合物钻井液和磺化钻井液结合在一起而形成的一类抗高温钻井液体系。

尽管聚合物钻井液在提高钻速、抑制地层造浆和提高井壁稳定性等方面确有十分突出的优点，但总的来看其热稳定性和所形成泥饼的质量还不适应于在井温较高的深井中使用。

特别对于硬脆性页岩地层，常常需加入一些磺化类处理剂来改善泥饼质量，以降低钻井液的HTHP滤失量。

因此，很自然地逐渐将两种体系结合在一起。

聚磺钻井液既保留了聚合物钻井液的优点，又对其在高温高压下的泥饼质量和流变性进行了改进，从而有利于深井钻速的提高和井壁的稳定。

这类钻井液的抗温能力可达200-250℃，抗盐可至饱和。

从20世纪80年代起，这种体系已广泛应用于各油田深井钻井作业中。

适宜的膨润土含量是聚磺钻井液保持良好性能的关键，必须严加控制。

如果泥饼质量变差，HTHP滤失量增大，应及时增大SMP-1、SMC和磺化沥青的加量；若流变性能不符合要求，可调整不同相对分子质量聚合物所占的比例以及膨润土的含量；若抑制性较差，可适当增大高分子聚合物包被剂的加量或加入适量KCL。

聚磺钻井液所使用的主要处理剂可大致地分为两大类：

一类是抑制剂类，包括各种聚合物处理剂及KCL等无机盐，其作用主要是抑制地层造浆，从而有利于地层的稳定；另一类是分散剂，包括各种磺化类、褐煤类处理剂以及纤维素、淀粉类处理剂等，其主要主要是降滤失和改善流变性，从而有利于钻井液性能的稳定。

在深井的不同井段，由于井温和地层特点各异，对两类处理剂的使用情况应有所区别。

上部地层以增强抑制性和提高钻速为主，而下部地层应以抗高温降滤失为主。

目前，我国钻井液科技人员在聚磺钻井液的现场应用方面已积累了丰富的经验。

他们通常将以上两类处理剂分别简称为“聚”类和“磺”类，提出了深井上部地层“多聚少磺”或“只聚不磺”；而下部地层“少磺多聚”或“只磺不聚”的实施原则，其分界点大致在井深2500-3000m。

根据这一原则，聚磺钻井液已在我国许多油田得到普遍的推广应用。

1.2研究的目的和意义

盐层和石膏层是钻井工程中的复杂地层，常引起井下复杂事故，对钻井工程危害极大。

国内的塔里木油田、克拉玛依油田、青海油田、四川、华北、胜利、中原、江汉等油田都有广泛的分布。

中石油海外战略发展区域之一的中亚滨里海沉积盆地各油区也分布着巨厚的盐层和石膏层。

两性离子聚磺饱和盐水钻井液是钻穿盐层、石膏层常用的一种钻井液体系，随着钻井深度的增加，钻遇深部盐层和石膏层的情况越来越多，对钻井液的抗高温能力要求越来越高，在现场实践中常出现因抗温能力不足，引起钻井液失水上升，高温稠化，流变性难以调控等问题。

在现场大段复合盐层的钻进中，随着易分散膏泥岩的混入及持续的高温作用，钻井液流变性的控制更加困难，引起的钻井液性能恶化，导致井下复杂事故的发生。

因此，提高聚磺饱和盐水钻井液的抗高温能力和热稳定性是亟待解决的问题。

本课题的目的在于研究两性离子聚磺饱和盐水钻井液抗温能力与体系组成的内在联系，通过各因素水平的优选组合，得到能抗160度以上高温的聚磺饱和盐水钻井液体系配方，为现场应用提供参考。

1.3主要研究内容和关键点

研究内容主要包括：

（1）两性离子聚磺饱和盐水钻井液组成对抗温能力的影响；

（2）影响体系抗温能力和热稳定性的因素排序及最佳优化配方；

（3）最佳优化配方的极限抗温能力测评。

关键点：

（1）正交实验因素和水平的选择；

（2）实验条件的制定。

2两性离子聚磺钻井液抗温及抗盐机理

2.1高温水基钻井液的主要特点[8]

超深井钻井液的最大特点是使用于高温高压的条件下，5000m深井的井底温度可达150℃-200℃.。

井越深，地层越老，越可能出现温度梯度异常，井底温度越高。

而一般5000m以上深井的井底压力可能达到100MPa以上。

如此高温高压必然会对钻井液体系发生严重的影响。

由于水的可压缩性相对较小，故压力对水基钻井液的密度及其它性能，如流变性、滤失造壁性等均无明显的影响，但是温度的影响却十分显著。

2.1.1高温恶化钻井液性能

随着温度的增加，钻井液的各种性能都会随之而发生改变。

一般而言，升温使钻井液的造壁性能变坏，即泥饼变厚，渗透性变大，滤失量增高。

高温对钻井液流变性的影响比较复杂，其影响情况可根据粘度与温度的关系分为三种形式。

第一种是粘度随着温度的升高反而降低。

它属于抗温能力较强但粘土含量较低的分散钻井液。

这类钻井液流变性的构成中，非结构粘度所占的比重大于结构粘度。

而聚结性强、粘土含量高的钻井液，它的粘度反应为第二种形式，即粘度随着温度升高而增大。

此种钻井液的结构很强，大大超过塑性粘度对于粘度的贡献。

各类水基钻井液在较宽的温度范围内（常温—高温）普遍表现为随温度的升高粘度先降低再增大的第三种趋势。

研究表明，这种因温度而变化的性质有可能是可逆的。

因为，它能较好地反映钻井液使用中从井口—井底—井口的循环过程中钻井液性能的实际变化情况。

2.1.2高温降低钻井液的热稳定性

高温使钻井液中各组分本身及各组分之间在低温下本来不易发生的变化、不剧烈反应、不显著的影响都变得激化了。

这些作用的结果必然严重改变、损害以至完全破坏钻井液的原有性能，而这种影响是不可逆的永久性变化。

它表明了钻井液体系受高温作用后的稳定能力的变化。

实际反映钻井液在使用过程中井口进出口性能的变化。

2.1.2.1高温对钻井液流变性热稳定性的影响

1．高温增稠

钻井液经高温作用后视粘度、塑性粘度、动切力及静切力上升的现象，属不可逆的变化。

高温增稠是深井钻井液最常见的现象，在使用中表现为钻井液井口粘、切力不断上升，特别在起下钻后升幅更大。

凡钻井液中粘土含量高，分散性强的钻井液则表现出这种现象。

2.高温减稠

钻井液经高温作用后，动、静切力下降的现象称为高温减稠。

主要表现为动静切力下降。

高温减稠作用纯是高温引起的变化，在实际作用中它表现为钻井液井口粘、切力逐渐缓慢下降。

3.高温固化

钻井液经高温作用后成型且具有一定强度的现场称为高温固化。

凡发生高温固化的钻井液不仅完全丧失流动性而且失水猛增。

实践证明，钻井液体系经高温作用后，常表现出以上几种不同的现象。

这些现象不仅发生在不同的钻井液体系中，而且同一体系在不同条件下，都可能出现。

这些都充分说明了高温对钻井液体系影响的复杂性。

2.1.2.2高温降低钻井液的PH值

钻井液经高温作用后PH值下降，其下降程度视钻井液体系不同而异。

钻井液矿化度越高，其下降程度越大，经高温作用后的饱和盐水钻井液PH值一般下降到7—8。

PH值下降必然会恶化钻井液性能，影响钻井液的热稳定性，钻井液体系经高温后PH值下降的情况一般采用表面活性剂可抑制。

2.1.2.3高温增加处理剂加量

经验表明，高温钻井液比浅井常规钻井液消耗更多的处理剂。

随着井深增加温度升高，钻井液处理剂用量明显增加。

原因为：

一是维持高温高压下所需的钻井液性能要比低温消耗更多的处理剂；而是为弥补高温的破坏作用所带来的损失而作的必要的补充。

因此，温度越高，使用时间越长，处理剂消耗量必然会越大，且增加了深井钻井液的技术难度。

2.2高温对搬土颗粒的影响[7]

高温对水基钻井液的影响十分明显并且非常复杂。

一般认为这是高温引起钻井液组分的变化和影响各组分间的化学及物理化学作用的结果，其中，高温对钻井液粘土的作用是基础，对处理剂的作用是关键。

2.2.1高温分散作用

大量事实证明，高温使水基悬浮体的粘度增加。

通过实验得知其原因是高温使钻井液中粘土粒子自动分散导致其粒子浓度增大，比表面增加。

同时实验还发现粘土的高温分散能力与其水化能力相对应：

易水化的钠搬土，其高温分散作用强；而不易水化的钙搬土、高岭土，其高温分散作用弱；而任何粘土在油中的悬浮体都未见到高温分散现象。

因此，可以认为，钻井液中粘土的高温分散本质上是水化分散，而高温只是激化了这种作用而已。

产生高温分散作用的原因，主要是由于高温加剧了钻井液中各种粒子的热运动，这样可能增强了水分子深入未分散的粘土离子晶层表面的能力，另一方面使粘土矿物晶格中片状微粒的热运动加剧，增强了水化膨胀后的片状粒子彼此更加分散。

影响高温分散作用的因素主要有以下几种：

（1）粘土种类。

它是高温分散水化分散的决定因素。

在常温下越容易水化的粘土，高温分散作用也越强。

（2）温度及作用时间。

所受的温度越高，作用时间越长，粘土高温分散越强。

（3）PH值。

由于OH-的存在有利于粘土的水化，因此高温分散作用随PH值升高而增强。

（4）一些高价无机阳离子的存在（Ca2+、Mg2+、Al3+等）不利于粘土水化，因为它们对粘土的高温分散具有一定的抑制作用，其作用大小与正离子价数和浓度相关。

高温分散作用使钻井液中粘土粒子浓度增加，因此，对钻井液的流变性有很大的影响，而且这种影响是不可逆的和不可恢复的。

2.2.2高温聚结作用

高温下，粘土粒子热运动加剧，这增加了粘土颗粒碰撞的频率；同时，这也降低了水分子在粘土表面或极性基团周围定向的趋势，即减弱了它们的水化能力使其外层保护水化膜减薄（高温去水化作用）；另外，温度的升高促进了处理剂在粘土颗粒表面的解吸附。

这些原因使钻井液中粘土粒子易于聚结，且这种作用可随温度的变化而部分可逆。

粘土粒子高温聚结对钻井液性能的影响很明显，主要是因为高温聚结使钻井液中的粘土颗粒数目减少，粒径增大，从而增大了泥饼的渗透率，使泥饼质量降低，增加钻井液滤失量。

影响高温聚结作用的因素很多，主要有以下几种：

粘土表面的水化能力，温度高低，钻井液中的电解质浓度和种类，处理剂和用量，粘土粒子的分散度和浓度等。

2.2.3高温钝化

实验发现，粘土悬浮体经高温作用后，粘土粒子表面活性降低，这就是粘土粒子表面高温钝化。

高温钝化钻井液的分散度、粘度增加的同时，动切力和静切力却增加不多，有时甚至下降，这个现象在悬浮体中粘土含量较低时普遍存在。

这充分说明粘土粒子经高温后，其表面活性降低，这可从测定高温前后粘土粒子单位表面的吸附量减少而得到证实。

这种现象叫粘土粒子表面高温钝化。

高温钝化对钻井液性能的影响主要有高温减稠和高温固化两个方面。

2.3高温对钻井液处理剂的影响[6]

钻井液中的处理剂包括无机处理剂和有机处理剂两种，高温对无机处理剂的作用主要是加剧了无机离子的热运动从而增强了其穿透能力。

本文着重描述高温对有机处理剂的影响。

2.3.1高温降解

有机高分子化合物因高温而产生分子链断裂的现象称为高温降解。

对于钻井液处理剂，高温降解包括高分子主链断裂，亲水基团与主链联接链的断裂两个方面。

前者使处理剂分子量降低，部分或全部失去高分子性质，从而导致大部分或全部失效，后者降低处理剂亲水性或吸附能力，从而使处理剂抗盐抗钙能力和效能降低，以至丧失其作用。

任何高分子化合物都要发生高温降解，只是随其结构和环境条件不同，发生明显降解的温度不同而已。

因此，高温降解是抗高温钻井液必须考虑的另一重大问题。

由于高温降解与介质关系很大，本文只讨论它在水溶液中的降解问题。

其中影响高温降解的主要因素，首先是处理剂的分子结构，由处理剂分子的各种键在水溶液中高温热稳定所决定。

比如醚键在水溶液中，容易被氧化，而高温和PH值将促进这种作用发生，所以凡由醚键联接的高分子化合物在高温下都不稳定，容易降解，而这种降解多与氧化作用有关，故称热氧降解。

显然，若能设法制止或减弱这种作用（如加入抗氧剂），则可减少高温降解的趋势。

又如酯键在碱性介质中易水解，而高温大大加速此反应，故其高温降解变得更严重。

其次是温度的高低及作用时间的长短。

各种高分子在不同的条件下，发生明显降解的温度彼此不同，常用处理剂在其溶液中发生明显降解的温度来表示该处理剂的抗温能力。

溶液中的PH值及矿化条件对降解也有影响，一般而言，PH值高促进降解的发生。

降解是一种逐渐进行的过程，所以它与受高温作用时间关系很大，必须认真考虑这一因素。

降解还与其他一些因素如细菌、氧含量、搅拌剪切等有关。

由于处理剂的热稳定性与其分子结构有关，因此，抗高温处理剂分子的主链、亲水基和吸附基与主链连接键应尽量采用“C—C”、“C—N”、“C—S”等键而避免采用“—O—”键等。

实践证明，高温降解也可能减轻，现在行之有效的办法是使用抗氧剂。

如酚及其衍生物、苯胺及其衍生物、亚硫酸盐、硫化物等，均可将纤维素类处理剂的抗温能力从120℃-140℃提高到180℃-200℃。

另一方面，也可巧妙地应用高温降解以能够更好地调整和维护钻井液性能，这在国内外都有成功的经验。

2.3.2高温交联

处理剂分子中存在着各种不饱和或活性基团，在高温作用下，可促使分子之间发生各种反应，互相联结，从而增大分子量，这种作用叫高温交联。

显然，可以把它看做是与处理剂高温降解相反的作用。

一般的有机高分子处理剂（特别是天然高分子）都能发生高温交联，而高温交联可能产生两个结果：

1.高分子交联过度，形成三维的空间网状结构，称为体型高聚物，则处理剂失去水溶性，整个体系称为冻胶，处理剂完全失效。

2.处理剂交联适当，增大分子量，抵消了降解的破坏作用，从而保持以至增大处理剂的效能。

另一方面，两种处理剂适当交联可使它们的亲水能力和吸附能力互为补充，其结果相当于处理剂进一步改性增效。

高温交联对钻井液性能的影响有好坏两个方面：

1.若交联过度，处理剂完全失效，钻井液完全破坏，滤失量猛增，钻井液胶凝（土量低也不可避免），从钻井液中可以明显见到不溶于水的体型高聚物；

2.若交联适当，则大大有利于钻井液性能，而且使钻井液在高温作用下，性能愈来愈好，其结果必然是现场使用效果优于室内实验。

在一定范围内，井愈深，温度愈高，效果愈好。

由于高温交联实际上可以抵消高温降解作用，所以，可以加入有机交联剂来有效地防止处理剂的高温降解作用。

但是，由于高温交联及其影响因素，至今研究很少，对于如何控制适当还没有一个较为成熟的看法和方法，然后对于高温交联作用的认识和有关概念的建立至少给了科研工作者利于高温交联反应以改善深井钻井液体系的可能，从而能把高温堆深井钻井液性能的破坏转化为利于高温改善钻井液体系，这样就为深井钻井液工作开辟了新的途径。

2.4高温对钻井液中粘土粒子和处理剂相互作用的影响[3]

2.4.1高温解吸附

温度升高，处理剂在粘土表面的吸附平衡向解吸方向移动，则吸附量降低。

而且此种变化是可逆性的。

处理剂这种高温下的解吸作用必然大大影响高温下的性能和热稳定性。

高温下由于处理剂大量解吸附使粘土大量或全部失去处理剂的保护而使粘土的高温分散、聚结、钝化等作用无阻碍地发生，从而严重影响钻井液的热稳定性。

因此，保证处理剂在高温下的吸附能力是深井钻井液工作又一必须考虑的重要问题。

它主要是由处理剂的吸附基团的本性和数量决定的。

2.4.2高温去水化作用

处理剂的亲水基去水化作用也会发生在高温下，因此，即使高温下不分散、不破坏、不解吸的处理剂，在高温下不一定就能达到有效地保护粘土粒子的目的。

高温下，由于粘土粒子水化膜变薄，而促进了高温聚结作用，这样必然使高温下滤失量上升，流变性变坏。

这种变化亦具有可逆性。

影响高温去水化的因素，除温度高低外，还有亲水基团本性。

凡靠极性基水化或氢键水化的基团，一般高温去水化作用比离子基强，而电解质浓度愈大，高温去水化作用表现愈强。

对离子基（阴离子），PH值高，高温去水化影响减少。

显然，这是深井钻井液又一需要考虑的问题，主要从水化基的本性及比例上考虑。

2.5两性离子聚磺钻井液抗高温原理

为了弥补两性离子聚合物钻井液抗温能力的不足，抗高温聚磺钻井液主要是通过向热稳定性不足的两性离子聚合物钻井液中加入一些磺化类处理剂来改善高温高压下的泥饼质量和流变性，以降低钻井液的HTHP滤失量。

磺甲基酚醛树脂，简称磺化酚醛树脂，由于其分子结构主要由苯环主要由苯环、亚甲基和C-S键等组成，因此热稳定性很强；又由于含有强亲水基—磺甲基（—CH2SO3-），且磺化度高，故亲水性很强，且受高温去水化作用的影响较小，对粘土表面也有较强的吸附能力，在200-220℃甚至更高温度下，不会发生明显降解。

从高温对粘土粒子和处理剂的影响来看，PH值过高，则害多利少。

因为，深井高温钻井液不应使用高PH值，且深井钻井液也难以维持高PH值，故要求处理剂在较低的PH值下效能不减。

而磺化酚醛树脂中—SO3-为强酸性基团，其亲水能力不受PH值的影响。

故使得两性离子聚磺化饱和盐水具有良好的抗温性能。

2.6盐对水基钻井液的影响

2.6.1盐对搬土颗粒的影响[3]

钻井液中的粘土矿物由于晶格取代其颗粒表面带有负电荷，吸附阳离子形成扩散双电层。

随着进入钻井液的无机盐阳离子浓度不断增大，必然会增加粘土颗粒扩散双电层中阳离子