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氣制油合成基鉆井液關鍵處理劑研制與應用

文檔作者：王茂功1 徐顯廣1 孫金聲1 王立輝1 楊海軍1 王寶成2 文檔來源： 1．中國石油集團鉆井工程技術研究院 2．中國石油油田公司鉆采工程研究院，		點擊數：	更新時間： 2024年02月27日
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第33卷第3期
2016年5月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
、，01．33 No．3
May 2016
doi：10．3696／j．issn．1001-5620．2016．03．006
氣制油合成基鉆井液關鍵處理劑研制與應用
王茂功1， 徐顯廣1， 孫金聲1， 王立輝1， 楊海軍1， 王寶成2
(1．中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206；2．中國石油-玉,fl油田公司鉆采工程研究院，甘肅玉門735200)
王茂功等．氣制油合成基鉆井液關鍵處理劑研制與應用[J】．鉆井液與完井液，2016，33(3)：30．34，40．
摘要為提升氣制油合成基鉆井液高溫流變穩定性和降濾失性能，研制了在氣制油中具有良好凝膠性能的有機土和天
然腐植酸改性的環保型降濾失劑，并使用前期研制的主輔乳化劑，形成了氣制油合成基鉆井液體系。性能評價結果表明：
利用雙十六烷基二甲基氯化銨和具有功能化極性基團的高分子對提純鈉基膨潤土進行復合插層制得了有機土DR．GEL，該
有機土在氣制油中凝膠性強(膠體率達98％)、黏度、切力大(切力達3 Pa)，高溫性能穩定、抗溫達220℃。利用二乙烯
三胺和雙十六烷基二甲基氯化銨對提純黑腐植酸進行有機化改性反應制得了降濾失劑DR—FLCA，該降濾失劑具有高溫高
壓濾失量低、輔助乳化和改善流變性等性能，抗溫達230℃。利用研制的處理劑配制的密度為1．6～2．3 g／cm3的氣制油合
成基鉆井液體系，在溫度120～200℃范圍內流變性好(表觀黏度27～61 mPa·S，動切力6--9 Pa)，電穩定性強(破乳
電壓在800 V以上)，高溫高壓濾失量小于2．5 mL。該套氣制油合成基鉆井液體系，在印尼蘇門答臘島JABUNG區塊NEB
Basement．1井成功地進行了應用，在高溫(井底溫度大于180 oC)下40 d的使用過程中性能一直穩定，較好地解決了大斜
度定向井鉆井液懸浮性與攜屑能力差等難題。
關鍵詞合成基鉆井液；氣制油；有機土；降濾失劑；抗高溫；印尼蘇門答臘島JABUNG區塊
中圖分類號：TE254．3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5620(2016)03-0030-05
Study andApplication ofAdditives for Synthetic Fluids with GTL as the Base Fluid
WANG Maogon91，XU Xianguan91，SUN Jinshen91，WANG Lihuil，YANG Haijunl，WANG Baochen92
(1．CNPCDrillingResearch Institute，Beijing 102206；
2．Yumen Oilfield Drilling＆Production Engineering Research Institute，Yumen，Gansu 735200)
Abstract To improve the high temperature rheology and filtration property of the synthetic base drilling fluid using gas--to-·liquid
(GTL)oil as the base fluid，an organophilic clay having superior gel properties and an environmentally friendly filter loss reducer
made from natural humic acid，have been developed．A GTL base drilling fluid was formulated with the organophilic clay,the modified
humic acid，a primary emulsifier and secondary emulsifier previously developed．The organophilic clay,DR-GEL，was made by
intercalating dihexadecyl dimethyl ammonium chloride into the crystal layers of a purified sodium montmorillonite，and had good gel
performance in GTL(percentage ofcolloid particles to 98％)，high viscosity and gel strength(3 Pa)，and good high temperature stability
(it functioned at 220。C)in laboratory experiments．The filter loss reducer,DR-FCLA，was made by modification of purified humic
acid with dihexadecyl dimethyl ammoninm chloride and diethylene triamine．DR-FCLA greatly reduced the HTHP filter loss，helped
make the drilling fluid emulsified better and improved the rheology of drilling fluid．It functioned at hi曲temperatures up to 230℃．
The synthetic drilling fluid made with these additives had densities ranging in 1．6-2．3 g／cm3，good rheology∽V--27—61 mPa。S，YP
=6-9 Pa)at temperatures ranging in 120—200℃，hi【gh electrical stability(ES>800 V)，and HTHP filter loss<2．5 mL．This synthetic
drilling fluid has been successfully used in Sumatra，Indonesia to drill the well NEB Basement-l in Block Jabung．The properties of
the drilling fluid remained stable for 40 days at bottom hole temperatures higher than 1 80 oC．Difficulties in maintaining the suspension
and cuttings carrying capacity ofdrilling fluid have been solved since then．
基金項目：國家863項目“海上大位移井鉆井液關鍵技術研究”(2012AA091502)和國家重大專項課題“復雜地質條
件下深井鉆井液與高溫高壓固井技術研究項目”(2011ZX05021．004)資助。
第一作者簡介：王茂功，高級工程師，博士，男，1977年生，主要從事鉆井液處理劑研發和鉆井液技術研究工作。E．mail：
wangrng_dri@cnpc．corn．ca。
萬方數據
第33卷第3期王茂功等：氣制油合成基鉆井液關鍵處理劑研制與應用31
Key words Synthetic drilling fluid；Gas-to-oil；Organophilic clay；Filter loss reducer；Hiigh temperature resistant；Block Jabtmg，
Suma訂a，Indonesia
0 引言
氣制油合成基鉆井液體系是一種具有環境保護
特性的新型鉆井液體系，它既具有油基鉆井液的抗
高溫、抗鹽鈣侵、有利于井壁穩定、潤滑性好和對
油氣層損害小等特點，還具有運動黏度低、機械鉆
速快、對環境友好等優勢【J。】。氣制油合成基鉆井
液體系之所以具有以上優勢，是因為其采用的氣制
油是利用天然氣通過催化加氫合成，不含芳香烴和
硫、胺等有害物質，易生物降解、對環境更加友好，
并且40℃下運動黏度低(2．6 nlIl'12／S)，54白油和
0“柴油的運動黏度分別為3．86和3．40 l'nIn2／S，有
利于降低鉆井液當量循環密度、增加固相含量H】。
由于氣制油運動黏度低，且不含芳香烴，使得
本來適用于油基鉆井液的處理劑，在氣制油合成基
鉆井液體系中的效能降低或失去作用。比如，有機
土在柴油中由于芳香烴的存在，具有良好的膠體率
和增黏、提切效果，但在氣制油中的膠體率和黏度、
切力大幅度降低；對于在油基鉆井液中作為降濾失
劑使用較多的瀝青類產品，由于其對環境造成污染，
在環境保護型氣制油合成基鉆井液體系中已被禁止
使用。若采用油基鉆井液處理劑配制氣制油合成基
鉆井液體系，往往會出現鉆井液體系黏度和切力低、
重晶石易沉降、攜巖能力差、電穩定性低和高溫高
壓濾失量大等問題，因此高性能環保型氣制油合成
基鉆井液體系對于處理劑提出了更高的要求。針對
氣制油合成基鉆井液體系的特殊需求，對氣制油合
成基鉆井液用有機土和降濾失劑進行了研制，結合
前期研制的氣制油合成基鉆井液用乳化劑，對形成
的配套氣制油合成基鉆井液體系進行了研究與現場
應用‘51。
1 實驗部分
1．1原料
懷俄明型鈉基膨潤土；雙十六烷基二甲基
氯化銨；功能化高分子SOPAE；腐植酸；三乙
二醇單丁醚；二乙烯三胺；氫氧化鈉；氣制油
Saralinel 85V。
1．2制備
1．2．1有機土設計思路與制備
制備高凝膠型氣制油合成基鉆井液用有機土
的關鍵在于膨潤土和插層劑的選取。選用懷俄明型
膨潤土，其蒙脫石層電荷低，層間結合力弱，層狀
集合體容易拆散，同晶置換有序變低，會導致層面
歪斜和凹凸不平，并增加端面的斷鍵，這些都有利
于膨潤土的層狀集合體在水中分散成更薄、更小的
片體，因而分散性和膠體性較好。氣制油主要組分
為碳12～18的正構和異構烷烴，運動黏度低且不
含增溶性芳香烴，這些因素都影響有機土在其中的
有效分散和形成凝膠，選用能提高有機土中有機物
相對比例的雙十六烷基二甲基氯化銨作為一次插層
劑，增強其在氣制油中的親油與懸浮性；選用具有
功能化極性基團的高分子SOPAE作為二次插層劑，
提升其在氣制油中的分散、凝膠性能。
制備有機土通常有3種方法：干法、濕法和預
凝膠法。干法制備有機土工藝簡單、操作成本低，
但制備過程蒙脫石與插層劑反應不充分，有機土凝
膠性能較差；預凝膠法是制備為分散在有機溶劑中
的有機土凝膠液的方法，此工藝操作成本高、不易
運輸，且有機溶劑可能會與氣制油鉆井液不配伍。
濕法制備有機土的方法操作簡便、反應過程蒙脫石
與插層劑反應充分，形成的有機土凝膠性強。
將懷俄明型鈉化膨潤土進行提純，最終形成一
定配比的提純鈉基膨潤土漿，加入雙十六烷基二甲
基氯化銨，于一定溫度下進行一次插層反應，反應
后將物料進行壓濾去除水分，然后將濾餅和功能化
高分子SOPAE捏合進行二次插層反應，最后將產
物烘干、粉碎，即得氣制油合成基鉆井液用有機土
DR-GEL。
1．2．2降濾失劑作用機理與制備
在油基鉆井液中起降濾失作用的主要組分為微
細固體顆粒、乳化液滴和降濾失劑膠體。首先，細
小固體顆粒伴隨鉆井液侵入井壁外層形成內橋堵，
即內泥餅；其后，乳化液滴侵入在固體顆粒之間的
空隙并在壓差下產生變形密封固體顆粒之間的空
隙，但空隙還是具有滲透性；最后，溶解在油中的
萬方數據
32 鉆井液與完井液2016年5月
降濾失劑等膠體充填在乳化液滴和固體之間的界面
區域，阻止油相通過泥餅流人地層，隨著濾液的侵
入，越來越多的膠體吸附沉積在井壁表面形成一層
致密的泥餅，即外泥餅[6-8]o
利用水、乙醇、堿液和鹽酸提純腐植酸，得到
分子量較大的黑腐植酸，然后將黑腐植酸與二乙烯
三胺在三乙二醇單丁醚溶劑中高溫下進行酰胺化反
應，制備交聯大分子酰亞胺基腐植酸，再與堿液反
應進行鈉化，最后再利用雙十六烷基二甲基氯化銨
對其進行親油改性，制得降濾失劑DR．FLCA。
1．3物性表征
采用日本電子株式會社JSM．6510型掃描電鏡
對試樣微觀形貌進行測定；采用日本理學Rigaku
TG 8120型熱重分析儀，在N：保護、升溫速率為
10℃／miIl條件下，測定試樣熱穩定性。
1．4性能評價
1．4．1有機土
稱取8．0 g有機土，倒人裝有400 mL氣制油的
高攪杯中，于11 000 r／rain下高速攪拌20 min，裝入
高溫不銹鋼罐中，充入1．0 MPa的氮氣，放人數顯式
滾子加熱爐中，高溫滾動16 h，取出后冷卻至25℃，
量取100 mL氣制油凝膠溶液于100 mL柱塞桶中，
測定膠體率。測定表觀黏度、塑性黏度和動切力。
1．4．2降濾失劑
選用貝克休斯、哈里伯頓、麥克巴和自制降濾
失劑，采用相同實驗配方進行高溫高壓降濾失性能
對比實驗。原料配比與配制方法：分別將240 mL
氣制油Saralinel85V、9 g主乳化劑DREM-1、12 g
輔乳化劑DRCO一1、60 mL CaCI：水溶液(濃度為
20％)、7．5 g有機土DR-GEL、12 g降濾失劑和6 g
氧化鈣依次加入到高攪杯中，每加入一種處理劑，
于11 000 r／rain下高速攪拌20 min，最后加人645
g重晶石，高速攪拌40 min。65 oC測定表觀黏度、
塑性黏度、動切力和初終切；50℃測定破乳電壓；
高溫老化條件：180℃老化16h。
采用青島膠南同春石油機械廠GRL．9型數顯
式加熱滾子爐對油基鉆井液進行高溫老化，采用美
國OFITE公司Model 800型8速旋轉黏度計測定
流變性能，采用美國FANN公司Fann 23D型電穩
定性測試儀測定破乳電壓，采用青島海通達儀器廠
GGS71．B型高溫高壓濾失儀和美國FANN公司2．5
英寸高溫介質盤測定高溫高壓濾失量。
2結果與討論
2．1有機土
2．1．1微觀形貌
圖1為提純鈉基膨潤土和DR-GEL的SEM照
片。如圖1所示：提純鈉基膨潤土呈結構緊密的顆
粒狀分布，層片結合緊密；DR-GEL呈結構疏松的
花簇狀層片分布，層片間距大且疏松。說明有機插
層劑已經進入膨潤土層片間，其疏松的花簇狀層片
分布有利于有機土在氣制油中分散。
——10 um —l lain
提純鈉基膨潤土有機土DR．GEL
圖1 提純鈉基膨潤土和自研有機膨潤土SEM照片
2．1．2凝膠性能
表1為DR．GEL在不同溫度下凝膠性能實驗
結果。如表1所示，DR-GEL在氣制油中具有較高
的黏度、切力，經高溫充分分散后，膠體率為98％，
表觀黏度為14 mPa·s，塑性黏度為11 mPa·s，
切力為3 Pa，在220 oC范圍內性能穩定。
表l 自研有機土抗溫性能實驗結果
表2為DR．GEL與國外有機土性能對比結果。
如表2所示，常溫下，國外有機土在氣制油中的膠
體率和黏度切力較低、凝膠性能較差；經150 oC高
溫老化后，哈里伯頓有機土樣品膠體率和黏度、切
力增加較大，此土樣可能添加了促凝膠型激活劑，
高溫下激發所致；其余2個國外有機土樣品老化后
性能變化較小，凝膠性能較差。DR-GEL老化前后
均具有良好的凝膠性能，膠體率和黏度切力較大。
萬方數據
第33卷第3期王茂功等：氣制油合成基鉆井液關鍵處理劑研制與應用33
表2 自研有機土與國外有機土性能對比
注：老化條件為150 oC、16 h。
2．2降濾失劑
2．2．1 熱穩定性
圖2為DR-FLCA的TGA熱分析曲線。如圖
2所示，DR-FLCA在室溫～230 oC下，熱穩定性
良好，熱重損失在2％以內；在230"300℃之間，
熱重曲線急劇下降，質量分數降至70％左右；300
"-'650℃，熱重曲線下降較為平緩，最后質量分數
在50％左右。由此表明，氣制油合成基降濾失劑
DR-FLCA在230℃內熱穩定性能良好。
110
100
蓮90
蠢80
蚓70
峰60
50
圖2 DR．FLCA的TGA熱分析曲線
2．2．2性能評價及對比
表3為DR—FLCA與國內外降濾失劑性能的對
比結果。如表3所示，由麥克巴、哈里伯頓和自制
降濾失劑產品配制的氣制油合成基鉆井液體系，均
具有良好的流變性、電穩定性和高溫高壓濾失性能；
國外2家公司降濾失劑產品配制的氣制油合成基鉆
井液體系黏度較高，表觀黏度在50 mPa·s以上，
且老化后黏度切力略有降低，破乳電壓老化后均有
不同程度的降低，但高于600 V以上，高溫高壓濾
失量略大；自制降濾失劑配制的氣制油合成基體系
老化后破乳電壓由962 V增至1 175 V，電穩定性強，
高溫高壓濾失量降至2．8 mL，表觀黏度比國外降
濾失劑氣制油合成基體系低25％以上，且老化前
后流變性能一致，更加穩定，這有利于降低鉆井液
體系ECD，提高機械鉆速；DR-FLCA在氣制油合
成基鉆井液體系中形成的高溫高壓濾失泥餅更薄、
更堅韌，厚度僅為2．0 ranl，如圖3所示。
表3 自制降濾失劑與國內外降濾失劑性能對比
降濾失劑一PV／汕YP／篇EvS／掣婁慧
VERSA．TROL 37 13 8／9 683 4．6
蓮曩矣蓊ss ·2 ·o仃·9ss 2．s
DURATONE 41 9 8／9 693 3．2
DR．FLCA 34 6 5／6 962 2．0
DR-FLCA 34 6 5／6 1 175 2．8
麥范巴樣品哈‘l!伯頓樣-I^ 自制樣
剛3不同降濾失劑配制的氣制油合成基
鉆井液高溫高壓濾失泥餅照片
如圖4所示，空白高溫高壓濾紙為布滿孔洞結
構的交錯纖維體，高溫高壓濾失后濾紙孔洞結構被
有效封堵；高溫高壓濾失泥餅切面結構致密，由固
相顆粒、層片狀干基降濾失劑膠體和脫水破乳殘余
乳化劑構成。由此可以看出，DR-FLCA在氣制油
合成基鉆井液體系中充分分散，在固體顆粒與乳化
液滴間形成有效充填，起到了良好的降濾失作用。
一10“n1 一l(J}u11——10j．tm
空白濾紙表面使用后濾紙表面【干狀) 泥餅切面(干狀)
圖4 DR．FLCA高溫高壓濾失性能SEM照片
萬方數據
34 鉆井液與完井液2016年5月
2．3氣制油合成基鉆井液體系性能評價
表4為采用DR-GEL、DR—FLCA、DREM一1
和DRCO一1配制的氣制油合成基鉆井液體系在不
同溫度、密度下的性能。如表4所示，氣制油合成
基鉆井液在溫度為120～-200 oC、密度為1．6～2．3
g／cm3范圍內，具有良好的流變性，老化前后流變
性能一致，且靜置沉降72 h無沉淀，說明鉆井液
體系流變穩定性強，鉆井液體系電穩定性好、破
乳電壓在800 V以上；不同密度、溫度下鉆井液
體系的高溫高壓濾失量均較低，密度為2．3 g／em3、
200 oC高溫高壓濾失量僅為4．2 mL，泥餅厚度為2．5
mm。由此可以看出，利用研制的處理劑配制的氣
制油合成基鉆井液體系具有良好的流變性能、高溫
乳化穩定性能和降濾失性能。
表4不同溫度、密度下氣制油合成基鉆井液性能
p}T}AV／PV／YP／Get／ES／FL盯d混餅厚
g／em3℃mPa·S mPa·S Pa Pa／Pa V mL度／mm
注：靜置72h后無沉降。
3 現場應用
印度尼西亞蘇門答臘島JABUNG區塊NEB
Basement．1井是中國石油印尼國際公司部署的一
口重點探井(大斜度定向井)，鉆探目的層為基巖
風化殼，三開井深1 518～2 520 m井段設計采用
欠平衡控壓鉆進，井底溫度為180 oC，使用自研關
鍵處理劑及配套的氣制油合成基鉆井液體系，鉆井
液經40 d高溫環境運行，性能穩定。表5為NEB
Basement．1井氣制油合成基鉆井液的現場性能數
據。由表5可知，在油水比為81：19～97：3范圍內，
氣制油鉆井液體系具有良好的乳化穩定性，較低的
黏度，較高的切力和動塑比，說明鉆井液體系具有
良好的流變性能和攜巖性能，濾失量較低。
氣制油合成基鉆井液在NEB Basement．1井的
成功應用，解決了在低密度條件下以往高溫井段鉆
井液懸浮性與攜屑能力差，經常造成返砂不好，下
鉆下不到底，易發生沉砂卡鉆具等問題，起下鉆、
電測、試油作業均無卡阻顯示，整個過程欠平衡控
壓鉆進順利，全井段無復雜情況發生。
表5 NEB Basement-1井氣制油合成基鉆井液性能
井洲?PZ。刪聊Z。羆油水比EvS／m s mPa ·s Pa Pa／mPa ·s P卯a ’’’一V
1 525 50 24 29．3 1．22 8．4／18．8 81：19 480
1 866 47 12 12．5 1．04 8．4／12．5 95：5 702
2 163 45 15 12．5 O．83 6．3／16．7 93：7 2 000
2 520 48 19 14．6 0．77 12．5／23．0 97：3 2 000
注：API濾失量均為0。
4 結論
1．利用雙十六烷基二甲基氯化銨和具有功能化
極性基團的高分子SOPAE對提純鈉基膨潤土進行
復合插層制得DR．GEL，該有機土在氣制油中凝膠
性強(膠體率為98％、表觀黏度為14 mPa·S、動
切力為3 Pa)，高溫性能穩定、抗溫達220℃。利
用二乙烯三胺對提純黑腐植酸進行大分子交聯改
性，然后再與雙十六烷基二甲基氯化銨進行有機化
改性反應，制得DR．FLCA，該降濾失劑具有高溫
高壓濾失量低和輔助乳化等性能，抗溫可達200℃。
2．利用DR-GEL、DR-FLCA、DREM-1和DRCO-1
等處理劑配制了密度為1．6～2．3 g／cm3的氣制油合
成基鉆井液，鉆井液體系在120～200 oC范圍內，
具有良好的高溫流變性和電穩定性，表觀黏度為
27～61 mPa·S、動切力為6～9 Pa，老化前后流
變性能一致，且靜置沉降72 h無沉淀，破乳電壓
在800 V以上，高溫高壓濾失量小于2．5 mL。
3．利用自行研制的關鍵處理劑形成的氣制油
合成基鉆井液體系在印尼蘇門答臘島JABUNG區
塊NEB Basement—l井成功地進行了應用，起下鉆、
電測、試油作業均無卡阻顯示，整個過程欠平衡控
壓鉆進順利，全井段無任何復雜情況發生，解決了
在低密度條件下以往高溫井段鉆井液懸澤|生與攜屑
能力差，下鉆下不到底，易沉砂卡鉆具等問題。
(下轉第40頁)
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