1、新型保護環境的高溫水基泥漿體系cjthaemilitz 等著 鄧建玲 譯6摘要：一種適應于高溫232（450）高壓鉆井條件的新型保護環境水基聚合物鉆井液體系研制成功。該體系的主要成分為近年來發展起來的不含鉻離子和其它任何對環境有害的物質的合成基聚合物，這種新型聚合物能在高溫條件下發揮其特殊的作用，具有加量少、抗高溫等特點。該體系簡化了泥漿添加劑加入的種類，除了兩種聚合物組分分別用以控制高溫下鉆井液的流變性和失水量外，體系中僅需加入ph值控制劑、加重劑以及少量的粘土以控制泥餅的質量。與為防止高溫降解而加入大量的熱穩定劑的傳統鉆井液體系相比，具有明顯的優勢。溶液中的線性結構溶液中的交聯結構水水圖1

2、-聚合物結構該體系的另一特點是適應性強（不論淡水鉆井液和海水鉆井液體系等各種條件均適用）。并具有良好的抗鈣、鎂、固相等污染的能力。本文將對其抗高溫性能、合成基聚合物、體系配方以及應用進行論述。介紹： 高溫水基鉆井液的應用過去主要是在傳統油基鉆井液使用過程中所出現的問題的基礎上發展起來的，以解決環境保護、偏遠地區的運輸、鉆井液中氣溶性等問題。雖然在過去的幾十年里高溫水基鉆井液的組分不斷得到改進，采用了天然改性產品，并且具有良好的性能，但如今對環境和鉆井更高的要求，迫使我們必須對這些產品進行更新。過去二十年里，磺化聚丙烯酸類產品廣泛應用于泥漿降失水劑和穩定劑，這類產品在合成時所用的單體大都選自一些

3、常用的單體，而采用該類產品配制的高溫水基鉆井液體系往往需要加入一些天然改性的產品以滿足其必備的性能。本文所述的新型高溫水基聚合物鉆井液所選用的聚合物是用新的、經濟可行的單體通過采用不同的合成方法合成出來的，這種鉆井液體系不需要加入那些改性等產品即可獲得良好的流變性和降濾失性。新型抗高溫聚合物鉆井液濾失量的控制 一種新型的抗高溫高壓降失水劑丙烯酰胺單體（a）、磺甲基單體（s）和一種交聯劑（x）交聯共聚而成，其中交聯程度直接影響到聚合物的溶解性能，既而影響其降失水作用。交聯程度過大，聚合物難以溶解；交聯程度過小，其性能則類似于普通的丙烯酰胺聚合物（其線性長鏈結構易斷裂且抗污染能力差）。這種新型的交

4、聯聚合物具有致密、球狀的形態結構（見圖1），和未交聯的線性聚合物溶解后其線性結構伸展情況相比，該聚合物溶解后仍保持其致密的球狀結構，這種特殊的結構使其具有空間穩定性，從而水解穩定性增加，抗污染和抗剪切能力增強，既而使水基鉆井液體系具有良好的流變性和降失水能力。除分子量外，交聯聚合物的微觀結構也是影響抗高溫水基鉆井液性能的主要因素。另外，單體的加入順序、共聚物內部結構都直接影響到離子團的性質，從而影響聚合物束縛二價陽離子的能力。鈣、鎂離子是具有很強螯合能力的陽離子，它們易于滲透聚合物周圍的水化膜并與結構中的陰離子結合，從而產生聚合物鹽析現象，這種現象可能發生在鏈內或鏈間。當析出的量達到一定程度，

5、聚合物就會不溶解而沉淀下來，從而失去其作用。聚合物中陽離子的鹽基度反映了陰離子電荷的穩定性，陰離子團的電荷越強，二價陽離子越易被束縛。這種高溫高壓降失水聚合物鏈中丙烯酰胺單體與陰離子團以氫鍵的形式鏈接。聚合物微觀結構會直接影響到磺甲基陰離子團（單體s）的鹽基度。處于兩個丙烯酰胺單體之間的離子團要比處于陰離子團與丙烯酰胺單體之間和兩個陰離子團之間穩定，這是因為相鄰丙烯酰胺單體為形成穩定的氫鍵提供了保障。由于單體s與丙烯酰胺單體聚合幾率很高，因此相同比例的兩種單體為生成丙烯酰胺磺甲基交替排列的聚合物結構提供了最大的可能性，采用常規的反相乳化技術合成聚合物，其有效成分可達30%左右。實驗研究 粘度

6、交聯作用降低聚合物的粘度。在300g水中分別溶解1.5g交聯聚合物和未交聯聚合物，用hamilton beach攪拌器攪拌15min后，在室溫下測其粘度，結果見表1。其中聚合物1（未交聯）和聚合物2（交聯）具有相同的單體組分和基本相等的分子量。表 1：兩種聚合物粘度(范氏粘度計)對比轉 速（rpm）聚合物1（未交聯聚合物）聚合物2（交聯聚合物）1660048300329抗剪切能力 剪切對兩種聚合物性能的影響采用以下方式。分別將2g的兩種聚合物溶解于300 g水中，用hamilton beach攪拌器攪拌15min后測其初始流變特性，然后將兩種聚合物置于silverson lightning高速

7、攪拌器上在8,000轉/分的轉速下攪拌1.53小時，在室溫下測其流變性能（見表2）。從表2中可以看出，剪切力增加，非交聯聚合物粘度明顯降低，而交聯聚合物則變化不大。表 2：兩種聚合物粘度（范 氏 粘 度 計） 對 比轉速 聚合物1 聚合物2 （rpm）初始1.5小時3小時初始1.5小時3小時600554135202122300342823111213固體污染 實驗證明，交聯聚合物在加入一定量的固體之后仍具有良好的剪切穩定性。取1.5 g兩種聚合物溶于300 g水并充分攪拌10min， 然后加入300 g重晶石，再充分攪拌10min后在室溫下測定初始流變性能。接著將樣品置于silverson l

8、ightning高速攪拌器上在8,000轉/分的轉速下攪拌45min后再次記錄其流變性能（見表3）。從表3中可以看出，聚合物2（交聯）仍具有良好的剪切穩定性，而聚合物1（未交聯）則表現出粘度明顯降低，失去懸浮能力。表 3：兩種聚合物粘度（范氏粘度計）對比 聚合物1 聚合物2 初始45分鐘初始45分鐘600(rpm)68504250300(rpm)45252330pv23251920yp220410重晶石沉降重晶石未沉降鉆井液流變性控制 要使水基鉆井液在高溫條件下保持般土和其它活性固相的穩定性（懸?。┑年P鍵是鉆井液必須具有良好的流變性和濾失性。眾所周知，通過改性的天然產品，如褐煤和木質素磺酸鹽，

9、具有良好的分散性。但因為涉及到可能發生地層損害和環境污染，人們普遍使用合成的穩定劑產品。這些傳統的合成穩定劑是具有低分子量和高電荷密度的均聚物或共聚物。像丙烯酸、馬來酸酐以及普通磺化產品（如amps），都是廣泛使用的穩定劑原料。新型的處理劑主要對聚合物中的磺化部分（如amps等）進行了改性，使其穩定性和抗溫性方面有明顯的改善。從而不需要加入褐煤、瀝青或木質素磺酸鹽即可制備抗高溫高壓水基鉆井液。表4給出了這種加入新處理劑(聚合物a)的淡水泥漿與amps丙烯酸鹽共聚物淡水泥漿性能對比情況。其中每1913 kg/m3 (16 lb/gal)測試鉆井液中含5.17 kg/m3(2 lb/bbl)的活性

10、穩定劑，45.67 kg/m3 (16 lb/gal)膨潤土，0.11 m3(0.7 bbl)的水，0.29 kg/m3(0.1 lb/bbl)的naoh以及1158 kg/m3(406 lb/bbl)的重晶石。鉆井液在200下熱滾16小時，ph值調整為9.0，然后在204(400)下老化48小時。若將表4 中的鉆井液在更高溫度，固體污染物以及鈣、鎂等污染物進行對比可進一步評價區分出這兩種處理劑的性能差別。表 4：兩 種 穩 定 劑 性 能 對 比49(120)amps/丙烯酸鹽共聚物新型聚合物a600(rpm)271190300(rpm)180118200(rpm)14089100(rpm)

11、89536(rpm)1283(rpm)75pv，cp9172yp,lb/100ft2894610 s gel8610 min gel87表 5 ： 新 型 穩 定 劑 特 性新型處理劑主 要 性 能不加該處理劑情況聚合物a稀釋或穩定作用膠凝作用、抑制作用凝膠強度過高聚合物b抗膨潤土污染api失水、hthp失水明顯增加聚合物c降低粘、切力粘、切力明顯提高由于高溫高壓水基鉆井液的復雜性,所以僅選用一種聚合物并適應所有的條件。進一步的研究表明，若將聚合物b和c與聚合物a復合使用，鉆井液體系可以適應更多的條件。表5 概述了每一種聚合物在鉆井液中的特性。這些聚合物制成干粉也可以很容易地溶解于淡水及鹽水鉆

12、井液中。鉆井液淡水體系 室內對這種新型鉆井液置于高溫和固體污染物中污染一定時間后對其熱穩定性進行研究。表6 給出了加入和不加惰性固體1913 kg/m3(16 lb/gal)淡水配方分別老化16和64小時后的鉆井液性能。由于井下溫度梯度變化很大，所以室內對38232(100450)、不同剪切速率下不同鉆井液配方的流變性能進行了比較，研究過程中選用了帶有程序加熱和自動獲取數據系統的范氏50c型粘度計。圖2 和3 分別給出了配方2 和4 在204條件下老化64小時后的鉆井液性能。由于配方1 和3 老化16小時的流變性能與前者很相似，其結果未給出。圖4 給出了與鉆井液配方1相似的鉆井液性能。它是用1

13、0 g nacl處理的模擬海水鉆井液。該鉆井液的hthp177（350）濾失量為28.0 ml。室內還對表6 的鉆井液配方在不同超高壓下用范氏70型粘度計對其流變性能進行了研究。因鉆井液的不可壓縮性，該項研究意義不大。表6：老化16h、64h 后淡水泥漿性能對比鉆井液配方1234水，bbl0.6730.6730.6730.673膨潤土，lb/bbl6666流型控制劑，lb/bbl10101010naoh，lb/bbl1111降失水劑，lb/bbl6666重晶石，lb/bbl412412412412rev灰（固體），lb/gal3030泥漿比重，lb/gal16.016.016.016.0老化溫

14、度，400400400400老化時間，h16641664靜切, lb/100ft2105080110重晶石沉降無無無部分老化后ph值8.48.78.48.5600（rpm）988682103300（rpm）52464860200（rpm）37333544100（rpm）221921276（rpm）33563（rpm）2245pv，cp46403443yp，lb/100ft266141710s初切445610min終切5588api失水，ml3.03.23.02.8hthp(350)失水，ml19.226.426.014.8配方 表7給出了室內制備的3%(w/v)kcl，ca(oh)2，和nac

15、l（配方5，6，7）的鉆井液性能。從表中可以看出，雖然配方5有絮凝跡象，但其hthp濾失量得到很好的控制，這表明鉆井液中加入降濾失劑足以維持鉆井液良好的穩定性，配方6和7老化后也能保持良好的流變性和濾失性。由于在室內制備和評價hthp水基鉆井液性能所選擇的條件較現場要高，因此我們有理由相信在現場經過剪切、高溫和固體污染后的鉆井液具有更好的流變性和濾失性?，F場鉆井液的轉換 研制的流變控制劑和降濾失劑的一大優點就是它們可以在加入到普通水基鉆井液中使之轉變為抗高溫鉆井液。這樣不僅可以減少鉆井液的排放，減少重新配漿的成本，而在適當條件下將普通水基鉆井液轉變為hthp鉆井液所加入的添加劑比重新配漿要少的

16、多。需要說明的是，鉆井液的轉換最好是聚合物鉆井液(phpa)或低分散鉆井液。表7：老化16h、64h后泥漿性能對比鉆井液配方 5 6 7 水，bbl0.6850.6850.685膨潤土，lb/bbl888流型控制劑，lb/bbl101010naoh，lb/bbl11海水, lb/bbl10.2kcl, lb/bbl10.5ca(oh) 2 ,lb/bbl3降失水劑，lb/bbl777重晶石，lb/bbl412 412412泥漿比重，lb/gal16.016.016.0老化溫度，400400400老化時間，h161616靜切, lb/100ft220240100重晶石沉降無部分無老化后ph值9.

17、412.27.3600（rpm）16414454300（rpm）1039032200（rpm）796926100（rpm）5244176（rpm）22973（rpm）1666pv，cp615422yp，lb/100ft242361010s初切117610min終切291727hthp(350)失水，ml17.625.223.2下面為現場將1306 kg/m3(10.9 lb/gal)海水聚合物鉆井液(phpa)轉換成1913 kg/m3(16 lb/gal) 抗高溫鉆井液的實例。高固含鉆井液的初始性能見表8。將鉆井液用水稀釋20%后按表9的配方進行處理。轉換成的鉆井液在204(400)條件下靜

18、置老化16小時，其前、后的鉆井液性能見表10。表 8 ：phpa鉆井液初始性能泥漿比重,kg/m3(lb/gal)1,306(10.9)pv，cp7yp，lb/100ft22610s初切2610min終切36api失水，ml11.5cec,膨潤土當量27.5低密度固相,%14.1cl-,mg/l18,600ca2+ ,mg/l720表9：轉化為1913 kg/m3(16 lb/gal)抗高溫鉆井液配方基漿,bbl0.592水，bbl(稀釋20%)0.178naoh，lb/bbl2流型控制劑，lb/bbl12降失水劑，lb/bbl5重晶石，lb/bbl338從表10結果中我們可以看出鉆井液通過稀

19、釋,然后加入控制流變性聚合物，降濾失劑，純堿，并加入重晶石使鉆井液密度調整為1913 kg/m3(16 lb/gal)后，鉆井液即轉化為抗高溫高壓鉆井液.。且其屈服值和靜切力足以懸浮和去除鉆屑并有良好的降濾失效果聚合物鉆井液(phpa)。表 10 ：轉化為1913 kg/m3(16 lb/gal) 抗高溫鉆井液后性能老化前204(400)老化16hpv，cp3254yp，lb/100ft2201310s初切6610min終切3025ph值11.48.5api失水，ml2.7hthp(350)失水，ml16.0靜切, lb/100ft2<50cl-,mg/l12,600ca2+ ,mg/l344結論1、一種新型更有效的抗高溫降濾失聚合物由于其特殊的聚合作用過程而具有獨特的化學結構和特性。2、這種新型的處理劑在其穩定性的效果方面超過了傳統的抗高溫穩定劑。3、這種具有良好流變性和降濾失性的聚合物鉆井液