聚胺深水钻井液室内研究_李建波

在深水钻井中，从海水表面到海床，再到海床 下的过程中会经历一个温度由高到低再到高的一个 过程，在海床上温度甚至 会 降 到 ５℃。 此 时 钻 井 液 的黏度和切力会大幅度上升，循环阻力变大，而且 会出现明显的凝胶现象，从而影响钻井液的携砂能 力和悬浮性能。因此要求钻井液体系不仅具有耐高 温性，还要求其在低温下 能 保 持 较 好 的 流 变 性 。 〔１２〕 根据物理化学知识，在泥浆中添加盐类可以很好地 降低其冰点，从而保持其在低温下的流变性。研究
１３．５ １９ ２２ １１ １８ ２１
０．７５ ０．７０ ０．５２ ０．５８ ０．６４ ０．４９
４．０ ４．４ ４．０ ４．０ ４．４ ４．４
注 ：１．热 滚 条 件 为 １００℃ ×１６ｈ；１０℃ 和 ５℃ 下 测 得 的 各 个 数 值 先 在 冰 箱 中 相 应 的 温 度 下 放 置 １０ｈ， 拿 出 后 马 上 测 数 据 （下 同 ）。 ２．ＡＶ 为表观黏率；ＰＶ 为塑性黏度；ＹＰ 为动切力；ＦＬＡＰＩ失水量。下同。
１ 实 验 仪 器 及 材 料
主要实验 仪 器：ＡＰＩ静 滤 失 仪， 高 速 搅 拌 机， 滚子 加 热 炉，ＺＮＮＤ－６ 旋 转 黏 度 计，Ｅ－Ｐ 极 压 润 滑 仪，实验室专用冰箱。
主 要 实 验 材 料 包 括 ：ＰＦ－ＰＬＵＳ，ＰＦ－ＰＡＣ－ＬＶ， ＳＭＰ－２， ＰＦ－ＣＭＪ－２， ＰＦ－ＴＥＸ， ＰＦ－ＵＨＩＢ， ＰＦ－ Ｌｕｂｅ，ＰＦ－ＸＣ，ＫＣｌ，ＢａＳＯ４ 等。
摘要：随着石油工业的发展，深水钻井已经引起了世界范围内的重视。但在深水钻井过程中会出现深水低温引起钻井液 流变性能变差、安全密度窗口窄、井壁稳定性差等一系列的安全问题，由此给钻井液技术提出了一些新的挑战。通过在常规 钻井液体系中添加 ＫＣｌ和近年来发展迅速的聚胺化合物，在室 内 研 制 出 一 套 适 合 于 深 水 作 业 的 聚 胺 钻 井 液 体 系 。 通 过 一 系 列的评价得出该聚胺体系的性质受温度影响小，抗温、抗污染能力强，页岩抑制性和润滑性能良好。
表 １ 常 规 基 浆 的 基 本 性 能
பைடு நூலகம்
实验条件
测 试 温 度／℃
ＡＶ／ｍＰａ·ｓ ＰＶ／ｍＰａ·ｓ
ＹＰ／Ｐａ ＹＰ／ＰＶ／１０３·ｓ－１ ＦＬＡＰＩ／ｃｍ３
热滚前 热滚后
２５ １０ ５ ２５ １０ ５
３１．５ ４６ ６４ ３０ ４６ ６４
１８ ２７ ４２ １９ ２８ ４３
收 稿 日 期 ：２０１３－１０－１０ 作 者 简 介 ： 李 建 波 ， 副 教 授 ， 主 要 从 事 油 田 化 学 防 腐 、 防 垢 、 钻／完 井 液 技 术 。
２０１３ 年 １２ 月
李建波等：聚胺深水钻井液室内研究
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室内通过对深水钻井液和聚胺特性分析，根据 大量实验，研制出一套性能稳定的聚胺深水钻井液 体系，该体系页岩水化分散抑制性好，流变性适中 并且受温度变化的影响小，可直接应用于深水钻井 中。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ－ｗａｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｌｕｉｄ；ｐｏｌｙａｍｉｎｅ；ｗｅｌｌｂｏｒｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙ
随着世界范围内石油、天然气需求量的不断加 大，石油、天然气勘探开发活动已经从陆地走向海 洋，从浅海走 向 深 海， 自 从 ２０ 世 纪 中 期 石 油 工 作 者就已在深水中进行勘探开发活动 。 〔１〕 国外的 海 洋 勘探开发主要集 中 于 西 欧、墨 西 哥 湾、巴 西、挪 威 等 地区〔２〕，国内深 海 油 气 勘 探 开 发 还 处 于 起 步 阶 段， 其中中海 石 油 在 南 海 已 经 成 功 开 发 出 一 些 深 水 区 块，中国石油和中国石化在国外油气田的勘探开发 中也已涉足深海领域。国务院 《国家中长期科学和 技术发展 规 划 纲 要 （２００６－２０２０）》 对 海 洋 资 源 的 有效开发利用做出了明确阐述 。 〔３〕 在深海区 域， 由 于海床特殊的沉积速度、不同于陆地的压实方式， 海底页岩活性大 。 〔４〕 此外深海海底沉积物由于 缺 乏 上部压实作用，深海地层胶结性差，该区域黏土易 于水化分散膨胀，从而导致严重的井壁稳定问题，
从图１可以看出：相对于基础配方，随着 ＫＣｌ 质量分数的增加，在相同的温度点下钻井液的表观 黏度逐 渐 变 小， 在 质 量 分 数 达 到 １０％ ～１５％ 时， 体系的表观黏度达到较低值且受加量的影响较小， 从图中我们看到 ＫＣｌ的 质 量 分 数 在 １０％ 和 １５％ 时 表观黏度比较接近，考虑到现场施工中的钻井液成 本问题，因此我们选择 ＫＣｌ的质量分数为１０％。
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精细与专用化学品
第 ２１ 卷 第 １２ 期
图 １ ＫＣｌ加 量 对 钻 井 液 表 观 黏 度 的 影 响
２．２ 聚胺 ＰＦ－ＵＨＩＢ 加量对体系表观黏度的影响 聚胺作为页岩抑制剂，在深水钻井钻井液体系
中已有所应用，近年来国外的贝克休斯、壳牌、哈 里 伯 顿 、 Ｍ－Ｉ泥 浆 公 司 都 已 经 开 发 出 了 一 系 列 的 聚 胺产品，国内的科研院所也相继开发出了一些新型 的聚胺抑制剂。聚胺之所以具有良好的抑制性能是 由于其独特的氨基结构的吸附基团在页岩表面吸附 成膜。此外，其还可利用氢键作用、偶极作用等将 黏土片层 束 缚 在 一 起， 阻 止 水 分 子 进 入 黏 土 晶 层 间，从而起到良好的页岩抑制功能 。 〔１４〕
表明，在深水钻井中遇到浅层气时，在钻井液中添 加无机 盐 类 还 可 以 抑 制 天 然 气 水 合 物 的 生 成 。 〔１３〕 因此通过在该基浆中加入 ＫＣｌ，理论上可以很好地 解决在深水钻井时的流变性能变差的问题。
在 钻 井 液 基 础 配 方 中 （ＢａＳＯ４ 加 重 至 密 度 １．１ｇ／ｃｍ３） 通 过 加 入 不 同 质 量 分 数 的 ＫＣｌ， 测 试 其 表 观 黏 度 ， 结 果 见 图 １。
２ 聚 胺 深 水 钻 井 液 配 方 研 究
室内使用的 钻 井 液 基 础 配 方 为：２．５％ 海 水 土 浆 （３００ｍＬ） ＋０．２％ ＮａＯＨ ＋０．２％ Ｎａ２ＣＯ３ ＋ ０．５％ＰＦ－ＰＬＵＳ＋０．５％ＰＦ－ＰＡＣ－ＬＶ＋２％ＰＦ－ＣＭＪ－２
＋２％ＳＭＰ－２＋２％ＰＦ－ＴＥＸ＋１％ＰＦ－Ｌｕｂｅ＋０．１％ ＰＦ－ＸＣ （ＢａＳＯ４ 加重至 密 度 １．１ｇ／ｃｍ３）。ＮａＯＨ 的 作用 为 调 节 钻 井 液 的 ｐＨ 值；Ｎａ２ＣＯ３ 的 作 用 是 把 钙基膨润土转化为钠基膨润土，提高膨润土的造浆 能力，降低 失 水；ＰＦ－ＰＬＵＳ 为 丙 烯 酰 胺 和 丙 烯 酸 的共聚物，对岩屑进行包被，防止其在泥浆中分 散；ＰＦ－ＰＡＣ－ＬＶ 为低 黏 度 的 聚 阴 离 子 纤 维 素， 提 高钻井 液 的 黏 度；ＳＭＰ－２ 为 磺 化 酚 醛 树 脂， 降 失 水剂，降低失水；ＰＦ－ＣＭＪ－２ 为 丙 烯 酸 和 烯 丙 基 磺 酸钠的共聚物，成膜剂，起成膜封堵地层作用，进 而降低失水；ＰＦ－ＴＥＸ 磺化沥青钠盐， 为页岩防塌 剂 ；ＰＦ－Ｌｕｂｅ是 以 植 物 油 为 原 料 ， 配 合 其 他 表 面 活 性剂反 应 生 成 的 润 滑 剂， 起 润 滑 作 用；ＰＦ－ＸＣ 为 黄原胶，提高 泥 浆 的 切 力 （悬 浮 能 力 ）；ＫＣｌ无 机 分子页岩 抑 制 剂， 防 止 页 岩 分 散；ＰＦ－ＵＨＩＢ 为 本 文主要试剂，聚合物上具有大量的游离胺基，可以 吸附在页岩表面防止页岩水化分散。该基浆的性能 如 表 １。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｄｅｅｐ－ｗａｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｈａｓ ａｔｔｒａｃｔｅｄ ｔｈｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｒｌｄｗｉｄｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ－ｗａｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｈｅｒｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ｓｏｍｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｐｏｏｒ ｒｈｅｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ａｔ ｔｈｅ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｎａｒｒｏｗ ｓａｆｅ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗｉｎｄｏｗ，ｗｅｌｌｂｏｒｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐｒｏｂ－ ｌｅｍｓ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ａｒｏｕｓｅｄ ｓｏｍｅ ｎｅｗ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ １０％ ＫＣｌ ａｎｄ ｐｏｌｙａｍｉｎｅ，ｗｈｉｃｈ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｒａｐｉｄｌｙ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ｉｎ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｅ ｈａｖｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａ ｐｏｌｙａｍｉｎｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｄｅｅｐ－ｗａｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ．Ｂｙ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈ ｗｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｈａｓ ａ ｌｉｔｔｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｐｏｌｙａｍｉｎｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｆｌｕｉｄ，ａ ｓｔｒｏｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ，ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｓｈａｌｅ ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｕｂｒｉｃａ－ ｔｉｏｎ．
因此对深水钻井液的抑制性提出了更高的要求 。 〔５〕 深水钻井中应用到的钻井液体系主要有抑制性
的水基钻井液体系、油基钻井液体系、合成基钻井 液体系，但是油基钻井液有荧光、环境可接受性 小，合成基钻井液成本太高，都不可能大规模的应 用。高抑制 性 水 基 钻 井 液 体 系 主 要 有 硅 酸 盐 钻 井 液、高 盐／ＰＨＰＡ 聚 合 物／聚 合 醇 钻 井 液 、 〔６〕 逆 乳 化钻井液〔７〕。近年来国外的钻井液公司和国内 的 石 油研究机构和院校相继开发出了具有强抑制性的聚 胺钻井液 ， 〔８～９〕 室内研究和现 场 应 用 都 证 明 了 聚 胺 钻井液具有较高的抑制性。由于聚胺特殊的分子结 构，该体系可显著降低泥页岩的水化膨胀，流变性 较好且具有较强的抗温、抗污染能力和环境可接受 性等特性，并具有了逆乳化钻井液和油基钻井液的 特性，其应用前景良好 。 〔１０～１１〕