钻井液降滤失剂的研究进展Microsoft Word 文档.doc

摘 要目前深井和超深井越来越多,钻井遇高温高压地层的概率逐渐增大,对钻井降滤失剂的耐盐性和抗高温性的要求不断提高。本文主要介绍了近期国内外钻井液降滤失剂的种类与应用进展。关键词：降滤失剂；耐盐抗高温抗高压；AMPS；研究进展目 录摘 要I目 录II前 言1第1章 钻井液降滤失剂的国内外现状21.1国内现状21.2国外现状3第2章 钻井液降滤失剂42.1改性高分子类42.1.1改性腐殖酸类42.1.2改性淀粉类52.1.3改性纤维素52.2合成聚合物类62.2.1烯类单体聚合物62.2.2高温抗盐聚合物降滤失剂HTP-172.3合成树脂类7第3章 钻井液降滤失剂的应用93.1改性高分子类93.2合成聚合物类93.2.1AMPS的应用93.2.2高温抗盐聚合物降滤失剂HTP-1的应用9第4章 钻井液降滤失剂的发展前景124.1钻井液降滤失剂存在的问题和不足124.2新型降滤失剂的发展方向12结 论14参考文献15致 谢1616前 言降滤失剂是油田钻井液中需要添加的化学品助剂。降滤失剂又称为滤失控制剂、降失水剂。在钻井过程中，钻井液的滤液侵人地层会引起泥页岩水化膨胀，严重时导致井壁不稳定和各种井下复杂情况。加入降滤失剂的目的就是要通过在井壁上形成低渗透率、柔韧、薄而致密的滤饼，尽可能降低钻井液的滤失量，用以保证钻井液性能稳定，减少有害液体向地层滤失，以及稳定井壁、保证井径规则的重要钻井液处理剂，它对井壁稳定、保护油气层起着很重要的作用,因而降滤失剂成为产销量最大、研究开发最活跃的钻井液处理剂之一。目前随着全球石油需求的不断增加及已探明储量的逐渐开采，油气勘探开发逐步向深层发展，钻井遇高温高压地层的概率逐渐增大，深井和超深井越来越多，温度、压力的升高使钻井液的粘度、切力升高，触变性增强，流动性变差，滤失量增大,泥饼增厚。因此，迫切需要抗高温、耐盐的钻井液降滤失剂。钻井液抗高温抗高压抗盐降滤失剂分为以下三大类，即:天然及改性天然高分子类、合成聚合物类、合成树脂类。结合近年来钻井液降滤失剂现状给予介绍，旨在促进抗高温、抗高压、抗盐降滤失剂的研究与应用。第1章 钻井液降滤失剂的国内外现状1.1国内现状20世纪70年代以来水解聚丙烯腈盐、聚丙烯酰胺和水解聚丙烯酰胺在钻井液得到广泛应用，研制出了以磺甲基化酚醛树脂(SMP)为代表的合成树脂类降滤失剂，从而促进了钻井液技术水平的提高，解决了一系列的复杂问题；磺化酚醛树脂的成功应用于深井和复杂井的钻井作业中，使抗高温的深井钻井液体系得以出现，随后即迅速在全国各油田推广应用。20世纪80年代后，逐渐发展并完善了系列钻井液降滤失剂，从而完善了各种钻井液降滤失剂体系，基本上满足了我国各种类型的钻井作业的需要，促进了现代钻井工艺的发展。其中2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)共聚物降滤失剂最为引人注目，不仅抗温效果好，而且抗盐能力强。国内对AMPS及其产品的研发始于1989年，随着AMPS共聚物降滤失剂的发展,使得水基钻井液降滤失剂在抗高温抗盐方面取得了巨大的突破。应用水基钻井液降滤失剂已从主要使用天然产品向改性天然产品发展，从单一化合物、均聚物向共聚物、接枝产物发展。2005年以来，随着油田钻井工艺技术的不断提高，我国石油行业科技工作者将处理剂的研究重点开发综合性能好的两性复合离子聚合物和新型含磺酸基单体聚合物方面来，并取得了可喜的进展。其中以王中华和刘明华为代表。他们合成了一种抗温抗盐降滤失剂AMPS/MTAAC/AM共聚物具有良好的降滤失作用，所合成共聚物对淡水泥浆、饱和盐水泥浆和含钙泥浆均具有较好的降滤失作用和提高表面黏度、动切力的能力，且随着共聚物用量的增加，降滤失效果提高，热稳定性提高。此共聚物抗高温抗盐,尤其抗高价离子污染能力强1。1.2国外现状国外在抗高温降滤失剂研究方面起步较早，其中以乙烯基磺酸单体与丙烯酰胺、烷基丙烯酰胺和乙烯基乙酰胺等单体的聚合物最受关注。早在1985年，Giddings等就合成了2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和N，N-亚甲基-二丙烯酰胺(MBA)共聚物，并用作高温高压高矿化度条件下油井钻井液体系的降滤失剂和流型稳定剂。该聚合物中AMPS单体链节含量达57%61%(物质的量分数)，大量的磺酸基团(-SO3-)保证了该聚合物的抗温性、抗硬水性能和降滤失能力。在2007年，美国的Patel和Dickert在钻井液耐高温降滤失剂领域研究颇具代表性。Dickert以AMPS、AM和N-乙烯基-N-烷基酰胺(NVNAAM)等为原料研制开发了两种耐高温降滤失剂，在超过200条件下均具有良好的降滤失效果，它们形成的钻井液体系在pH值为811.5的范围内综合性能最佳2。而美国的Patel以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为聚合单体，以N，N-亚甲基-双丙烯酰胺(MBA)为交联剂，通过可控交联合成了一种用于水基钻井液的高温降滤失剂，该剂在400(相当于205)条件下抗温能力良好，而且抗钙镁性能出众，是一种优良的高温水基钻井液降滤失剂。第2章 钻井液降滤失剂从近年的发展来看，钻井液降滤失剂的研究与应用取得了可喜的进展，研制出了一批抗高温(200以上)、抗盐钙能力强、防塌性优良的钻井液降滤失剂，其中对AMPS聚合物的研究最多，在油田应用也最为广泛。降滤失剂分为以下三大类，即：天然及改性天然高分子类、合成聚合物类、合成树脂类。2.1改性高分子类改性高分子类降滤失剂又分为改性腐殖酸类、改性淀粉类、改性纤维素类和改性木质素类降滤失剂。2.1.1改性腐殖酸类腐殖酸作为来源丰富的天然资源，在钻井液降滤失剂中占有重要地位，是最早应用的降滤失剂之一。为了提高腐殖酸类处理剂的抗温性能,油田化学工作者在腐殖酸的改性方面已开展了一些研究工作。改性腐殖酸各有特点：腐殖酸钾耐温不耐盐，但兼有抑制页岩膨胀、分散的作用；硝基腐殖酸钠和磺甲基腐殖酸钠耐温达200，耐盐、耐钙、镁离子。改性磺甲基腐殖酸类降滤失剂的制备：采用腐殖酸与丙烯酰氧丁基磺酸(AOBS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)接枝共聚,合成的相对分子质量低的AOBS-AM-AA/腐殖酸接枝共聚物热稳定性好,抗温达到240，在淡水、盐水和饱和盐水钻井液中均具有较好的降滤失作用，对钻井液黏度影响较小，可以有效控制钻井液的高温稠化，与SMC、SMP等具有良好的配伍性，用于密度为2.57g/cm3的KCl钻井液中，可以有效控制钻井液的高温高压滤失量，具有良好的降滤失效果。2.1.2改性淀粉类淀粉是一种天然高分子，有直链淀粉和支链淀粉组成。为使淀粉做降滤失剂，可对淀粉进行碱化、羧甲基化、羟乙基化、季铵化等化学改性，在淀粉中引入亲水基团。改性淀粉：碱淀粉，钠羧甲基淀粉，羟乙基淀粉，以及环氧丙基三甲基氯化铵与淀粉的反应产物。这些淀粉可耐温至120.由于改性淀粉分子链具有刚性，可在饱和盐水中，改性淀粉的主要缺点是生物稳定性差3。为克服羧甲基淀粉类降滤失剂的缺陷，研究人员以丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸为单体，在一定温度和引发剂作用下,与淀粉接枝共聚制得AM/AN淀粉四元接枝共聚物，在淡水、饱和盐水和复合盐水钻井液中均有优良的降滤失作用和较好的耐温(抗温150)、抗盐和抗钙(20%)污染的能力对泥页岩有较强的抑制包被性。淀粉类改性产品多以醚化和接枝为主，可明显提高产品的抗温、抗盐能力。这方面的研究有以玉米淀粉为原料研制的两性离子型改性淀粉降滤失剂CSJ ,在淡水钻井液、正电胶钻井液和盐水钻井液中，均有较好的流变性能和降滤失性能，其抗温性能和降滤失效果好，抗盐、抗钙性能较好，具有一定抗温能力，抗温可达140。2.1.3改性纤维素纤维素是一种天然高分子化合物,由很多吡喃葡萄糖彼此以-1，4-糖苷键连接而成的线性分子，其分子的结构式为(C6H10O5)n。由于分子链上的羟基形成的分子内和分子间氢键而产生结晶不溶于水。也可对纤维素进行羧甲基化，羟乙基化等化学改性，在纤维素中引入亲水基团，使它能溶于水。改性纤维可用作降滤失剂：纳羧甲基纤维素和羟乙基纤维素。改性纤维素可耐温至130，同时具有良好的耐温性能，具有较好的降滤失和抗污染能力4。在饱和盐水中改性淀粉的生物稳定性比改性淀粉好。为拓宽改性纤维素的应用温度，一般与其他降滤失剂复配使用。以铈盐或其他变价金属离子为引发剂在空气存在下使水溶性纤维素(如羧甲基纤维素)与一种或多种乙烯类单体共聚,制得纤维素接枝共聚反应产物,接枝率高达80%以上，经接枝改性的纤维素具有良好的耐热性，有良好的降滤失性。2.2合成聚合物类2.2.1烯类单体聚合物烯类单体主要包括丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸、（2-丙烯酰胺基-2-甲基）丙基磺酸钠和N-乙烯吡咯烷酮等。它们可通过共聚合成二元共聚物或三元共聚物。这些共聚物可通过水解活化学改性提高其水溶性。可用作降滤失剂的烯类单体聚合物:部分水解聚丙烯酰胺（Na-HPAN），部分水解聚丙烯胺盐（NH4-HPAN），丙烯酰胺、丙烯酸钠与（2-丙烯酰胺基-2-甲基）丙基磺酸钠共聚物（AM-AA-AMPS），丙烯酰胺、N-乙烯吡咯烷酮、与（2-丙烯酰胺基-2-甲基）丙基磺酸钠共聚物（AM-VP-AMPS），部分水解聚丙烯腈钙盐（Ca-HPAN）。在这些烯类单体聚合物中，不同单体引入的不同链节可是共聚物具有不同的性能。聚合物中的丙烯腈、（2-丙烯酰胺基-2-甲基）丙基磺酸钠、N-乙烯吡咯烷酮链节，可给共聚物带来耐温、耐盐的性能；丙烯酰胺链节使共聚物有好的吸附性能；丙烯酸钠链节使共聚物有好的水溶性能，但使共聚物的耐盐能力降低。在烯类单体聚合物方面，以AMPS等含磺酸基单体聚合物方面研究最多，由于磺酸基的引入，共聚物降滤失剂抗温抗盐能力明显提高，尤其是抗高价金属离子的能力更优，并在现场应用中见到较好效果。钻井液用两性离子型AMPS多元共聚物处理剂的研究主要集中在降滤失剂方面,主要有:具有较强的抗温、抗盐、抗高价金属离子污染的能力和较好的防塌效果。烯类单体聚合物的制备：烯类单体聚合物抗高温抗盐降滤失剂的制备，是采用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS)、2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基氯化铵(HMOPTA)、丙烯酰胺共聚,合成的一种抗高温抗盐降滤失剂。考察了合成共聚物对钻井液的降滤失效果，结果基浆的滤失量分别从老化前后的43mL和92mL降至4mL和7mL，合成的共聚物在淡水钻井液、盐水钻井液、饱和盐水钻井液、复合盐水钻井液、含钙盐水钻井液及现场钻井液中均具有良好的降滤失作用，抗高温、抗盐尤其抗高价离子污染能力强，防塌效果好。该共聚物具有较强的降滤失能力、抑制性和抗温抗盐能力。2.2.2高温抗盐聚合物降滤失剂HTP-1高温抗盐聚合物降滤失剂HTP-1的制备：采用2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸(AMPS)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、二甲基二烯丙基氯化铵(DM-DAAC)和N，N-二乙基丙烯酰胺(DEAM)共聚就得超高温抗盐聚合物降滤失剂HTP-1。聚合物降滤失剂HTP-1，抗温达240，抗盐超过20%，在各种基浆中的降滤失效果优于国内外同类处理剂，可以满足超深井超高温钻井需要，具有良好的抗高温抗盐能力。2.3合成树脂类改性树脂主要是指酚醛树脂的改性产品。合成树脂的酚可以是苯酚，也可以是木质素。改性树脂可用作钻井液降滤失剂的：磺甲基酚醛树脂、磺甲基酚醛树脂（SMP）与磺化木质素树脂的缩合物（SLSP）。由于上述改性树脂主链含芳香环，同时含强亲水基团（-SO3Na）,所以它们具有良好的耐温、耐盐、耐镁离子性能，如磺甲基酚醛树脂可耐温至200，耐盐2000Mg/L，耐钙可在饱和盐水中使用；磺甲基酚醛树脂与褐煤树脂的缩合物可耐温至180，耐盐至2000Mg/L，也可在饱和盐水中使用。改性磺化木质素树脂的制备：由酸法造纸废液、硫酸亚铁、硫酸、双氧水、高锰酸钾等反应制备的铁锰木质素磺酸盐，对环境无污染，热稳定性好，成本低廉，降黏能力强，同时具有良好的降失水性和较强的抗电解质能力。AM/AMPS/木质素磺酸接枝共聚物降滤失剂、AMPS/DMAM/AN-木质素和褐煤接枝共聚物，作为降滤失剂具有较好的降滤失、抗温、抗盐和较强的抗钙、镁污染的能力，可用于各种类型的水基钻井液体系，特别适用于含钙、镁的盐水钻井液、淡水钻井液和石膏钻井液体系。将木质素磺酸除去低分子糖后进行聚合，使其分子量达到50万以上,产物作为钻井液降滤失剂抗温抗盐，对pH不敏感5。新型抗温膦甲基酚醛树脂(PMP)的制备是根据“两性离子聚合物泥浆处理剂作用”的原理，对磺化酚醛树脂(SMP)进行改性，开发了同时具有阳、阴离子基团的新型抗温(180)膦甲基酚醛树脂(PMP)。两性酚醛树脂的研制成功是树脂类降滤失剂开发的飞跃，它具有降滤失性能强、抑制性能好以及优良的抗高价金属离子污染等特点。PMP具有良好的降滤失作用，当加量为1.5%时，可将质量分数为4.0%的膨润土浆API滤失量降至9.8mL，其抗温能力达200,可用作深井钻井降失水剂6。第3章 钻井液降滤失剂的应用3.1改性高分子类在邵深1井所使用的降滤失剂为水解聚丙烯睛钠盐(Na-HPAN)，能有效控制该钻井液滤失量,具有较强的耐温抗盐能力,降滤失能力,对环境无污染，热稳定性好7。3.2合成聚合物类3.2.1AMPS的应用在新濮1153井，采用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS)、2-羟基-3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲基氯化铵(HMOPTA)、丙烯酰胺共聚,合成的一种抗高温抗盐降滤失剂，该共聚物在淡水钻井液、盐水钻井液、饱和盐水钻井液、复合盐水钻井液、含钙盐水钻井液及现场钻井液中均具有良好的降滤失作用。在中原油田文东、卫城等地区100多口井中，用丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸等烯基单体合成的系列乙烯基磺酸盐共聚物降滤失剂，具有较强的耐温抗盐能力、降滤失能力。3.2.2高温抗盐聚合物降滤失剂HTP-1的应用超高温抗盐聚合物降滤失剂HTP-1，并在我国目前井底温度最高的胜科1井和泌深1井现场应用。（1）胜科1超深井胜科1井是中石化在胜利油田布置的一口重点科学探索井，井深 7.026km，完钻井底温度高达235。该井在钻至孔二段地层6.894km、井底温度约为231时进行了超高温抗盐钻井液降滤失剂HTP-1现场试验。试验前、后井浆的流变性及滤失性测试结果见表1。表1HTP-1加入前、后胜科1超深井井浆的流变性及滤失性测试结果体系表观粘度av/(mPas)塑性粘度pv/(mPas)API滤矢量VAPI/mlpH值高温高压滤失量VHTHP/ml实验前井浆91.5712.68.59.8HTP-1加5h后井浆92.5722.08.59.2HTP-1加24h后井浆89.5701.88.58.8注a:HTHP滤失量测试条件为150，3.5MPa从表1看出，超高温抗盐降滤失剂HTP-1加入井浆后,表观粘度、塑性黏度、动切力和静切力比值(G10s/G10min)基本不变,API滤失量和高温高压滤失量下降。从试验结果看，HTP-1在欠饱和复合盐水体系超高温高密度(231，1.74g/cm3)苛刻条件下发挥了降滤失作用，现场试验获得了初步成功。随后，在胜科1井最后的6.9607.026km超高温井段，使用HTP-1替代了国外抗温聚合物Driscal，顺利地钻至完钻。（2）泌深1超深井泌深1超深井是一口直井，位于南襄盆地泌阳凹陷深凹区(河南省唐河县毕店乡)，设计井深6.0km(实际完钻6.005km)，以超高温抗盐聚合物降滤失剂HTP-1为主要抗温处理剂的超高温抗盐聚合物，并且随着井加深、井底温度增加，增加超高温抗盐聚合物降滤失剂HTP-1用量。泌深1超深井四开部分井深处监测的井浆性能如表2所示。表2 泌深1超深井四开井浆的流变性及滤失性测试结果井深h/m密度/(gcm-3)塑性粘度Pv/(mPas)动切力/PapH值高温高压滤失量VHTHP/ml50951.253917.09.510.551671.274619.510.010.053081.273917.09.510.554551.304818.09.59.055871.304818.09.59.056631.305019.09.59.557601.305218.09.510.058821.305519.09.59.060001.305421.09.59.0注b:HTHP滤失量测试条件为150，3.5MPa由表2看出，使用HTP-1后，泌深1超深井钻井液流变性好，钻井液滤失量降低，钻井液性能稳定，完全满足了现场钻井需要8。第4章 钻井液降滤失剂的发展前景国外在抗高温抗高压耐盐钻井液降滤失剂研究与应用方面已经比较成熟，将来的重点是针对现场需要，特别是异常高温高压地层开发的需要，不断优化钻井液降滤失剂性能。与国外相比,国内在抗高温抗高压耐盐钻井液降滤失剂研究方面还存在较大差距，尽管国内在超高温高密度水基钻井液研究方面开展的工作较多，且部分指标接近或领先于国外，但从整体情况看,国内在油基和合成基钻井液降滤失剂方面开展的工作少，无论是技术水平还是应用方面都与国外差距很大。结合国内外情况,对于抗高温抗高压耐盐钻井液降滤失剂的研究，特别是油基和合成基钻井液的研究,要加强攻关力度,围绕降滤失剂研制，高温高压下钻井液滤失量控制方面开展研究工作9。4.1钻井液降滤失剂存在的问题和不足从目前的研究看,首先是关于钻井液降滤失剂研究还不均衡，与需要还有差距,接枝共聚产物的优势和作用还没有真正发挥,大多数研究只是处于探索阶段，实现工业化生产的很少，其次是许多产品局限在低水平重复研究上，特别是在分子设计的针对性和处理剂作用机理方面，开展的工作还比较少，适用于超高温高压降滤失剂研究较少。天然改性产品在钻井液中的应用水平还比较低,同时围绕绕产品转化、改性高分子降滤失剂及现场应用开展工作还是比较少。而且尽管目前的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、二甲基二烯丙基氯化铵、二乙基二烯丙基氯化铵已经工业化,但后者还有单体聚合活性低、存在链转移倾向和无法得到高分子量产物的缺点。4.2新型降滤失剂的发展方向 抗高温抗高压耐盐钻井液降滤失剂未来几年的发展方向:(1)新世纪的抗高温处理剂以人工合成聚合物为主，特别是含有AMPS、丙烯酰胺等有磺酸基单体的多元共聚物等将有更大的发展，在保证高性能的前提下，尽量降低产物的相对分子质量，发展低相对分子质量的AMPS聚合物；利用原料来源丰富、价格低廉的天然材料，如淀粉、褐煤、栲胶、花生壳等开发成本低廉的AMPS产品.(2)研发适用于深井、抗高温(220或更高)、抗盐(NaCl至饱和)、抗钙或镁的降滤失剂，开发专用的新单体,开展无机-有机单体聚合物处理剂研究，如在聚合物中引入铝离子等,在国外已有所应用，以降低聚合物成本,提高处理剂的抗高温性能。(3)天然高分子材料的深度改性，进一步提高生物聚合物和两性离子聚合物降滤失剂的抗高温能力(抗温200以上)，重视对无污染、或污染小的钻井液降滤失剂的研究同时保留原料广泛、成本低等优点。(4)避免业内重复研究加快产品工业化速度加速研究成果向生产力的转化进程以满足我国深部地层油气资源勘探开发的需要。结 论21世纪初,国内外抗高温钻井液技术发展较快，对耐盐抗高温抗高压钻井液降滤失剂也有了新的研究，出现了一大批抗高温性能优良的钻井液降滤失剂。但也存在一些问题,在抗高温抗高压耐盐钻井液降滤失剂方面，无论是技术水平还是应用方面都与国外差距还很大。随着井深增加、油气层保护的要求及对环境的日益重视，抗高温抗高压耐盐钻井液降滤失剂将向着抗温能力更强、更能抗高压、同时环保绿色的方向发展10。参考文献1赵昊炜,蒲晓林抗高温抗盐钻井液降滤失剂研究现状西部探矿工程，2006；126（10）：1