成膜性聚合物钻井液降滤失剂的研制及评价

第 2 8 卷 第 3期 2 0 1 1年 5月 钻井液与完井液 DRI LLI NG F LUI D COMP LET 1 0N F LUI D o l 2 8 No 3 M a y 2 0 1 1 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 1 0 3 0 0 0 9 0 3 成膜性聚合物钻井液降滤失剂的研制及评价 马诚 李鹏 蒋官澄 孔瑛 1 中国石油大学 华东 重质油国家重点实验室 山东青岛 2 中国石油大学 北京 教育部石油工程重点实验室 北京昌平 摘要通过乳液聚合制备出一种两亲性聚合物 配合宏观和微观搭桥剂 构成了一种聚合物基成膜性钻井液降滤失 剂 介绍了 该处理剂的作用机理 红外光谱分析结果表明 该两亲性聚合物具有大量的羟基 这为形成分子有序体提供 了良好的基础 同时高密度羟基能够对页岩产生抑制作用 扫描电镜观察表明 该聚合物可以在滤纸及砂石表面形成坚 韧薄膜 宏观搭桥剂的粒径分布集中于1 6 0 2 4 7 m 微观搭桥剂的重均分子量约为 4 0 1 0 其与数均分子量的比值 为2 3 室内以淡水钻井液和胜利油田现场钻井液为研究对象 考察了 该聚合物的降滤失性能 结果表明 该成膜性降 滤失剂的降滤失效果明显 当其加量为2 时 钻井液的中压 高温高压及可视砂床中压滤失性能均优于现有的工业化产品 关键词 乳液聚合 成膜性 钻井液添加剂 降滤失 中图分类号 T E 2 5 4 4 文献标识码 A 随着油气勘探开发领域的不断扩展 传统的过 平衡压力钻井技术已经不能满足复杂地质条件的钻 井需求 之 近年来兴起了成膜性降滤失剂 3 在钻 井液中加入该处理剂后 依靠聚合物胶束或胶粒界 面吸力及其可变形性 可在井壁岩石表面形成封堵 膜 实现近零滤失钻井 与传统降滤失剂相比 这 种降滤失剂具有适用范围广 成膜速度快 承压能 力强 压力反转即可脱落及保护环境等优点 本文 通过乳液聚合制备出了一种成膜性两亲性聚合物 该聚合物具有较强的形成分子有序体的能力 可以 在一定温度和压力下 自组织成膜 同时提出将其与 宏观搭桥剂和微观搭桥剂复配使用的技术思路制备 出了成膜性 聚合物钻井液处理剂 并对该处理剂的 各项性能进行 了评价 1 合成 实验 1 1 主要试剂和仪器设备 苯乙烯 S t 丙烯酸丁酯 B A 过硫酸铵 A P S 反 应性高分子乳化剂 均为化学纯 纯度为 9 9 9 9 9 的氮气 控温水浴 剪切乳化搅拌器 搅拌器 高 温高压滤失仪 可视式砂床中压滤失仪 实验室自 制 扫描电镜 激光粒度仪 1 2 实验步骤H 将预先精制的苯乙烯 s t 丙烯酸丁酯 B A 反应性高分子乳化剂按一定 比例加入到 1 5 0 mL去 离子水中剪切乳化 转移至带通氮和回流冷凝装置 的四口烧瓶中 设定水浴温度为 8 0 C 开动搅拌器 分 2 次向体系滴加过硫酸铵 A P S 6 h 后结束反应 将得到的乳液按一定 比例加入到实验室 自制的 宏观搭桥剂和微观搭桥剂 中 得到乳白色黏稠流动 液体 即为所制得的成膜性聚合物钻井液处理剂 2 结果与讨论 2 1 成膜性聚合物降滤失剂特性 成膜性两亲聚合物和宏观搭桥剂的粒径分布如 图 1 和图 2所示 成膜性两亲聚合物为具有一定粒 径分布的胶粒状物 可以在一定程度上发生形变 起到封堵 的效果 通过测定得知 无皂乳液的中粒 基金项目 国家重大专项子专题 复杂结构井储层损害评价与保护技术 2 0 0 9 Z X0 5 0 0 9 o 第一作者简介 马诚 1 9 8 2年生 在读博士研究生 从事高分子材料的研究工作 地址 山东省青 岛市黄岛区长江西 路 6 6号 邮政编码 2 6 6 5 5 5 电话 0 5 3 2 8 6 9 8 1 8 5 9 E ma i l k k mc 1 9 8 2 y a h o o c o m c a 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 0 钻 井 液 与 完 并 液 2 0 1 1 年 5月 径为 O 3 1 m 粒径分布在 0 1 0 8 5岬 之 问 并 且集 中分布在 0 3 6 u m 附近 粒径 分布窗 口较 窄 从 图 2可 以看 出 宏 观搭桥 剂 的 中粒 径为 1 7 8 8 7 m 粒径分布集中于 1 6 O 2 4 7岬 分布较宽 更 适合于较宽孔喉的封堵 微观搭桥剂为线性高分子 其分子量及分布见图 3 可 以看出 其重均分子量 约为 4 0 1 0 其与数均分子量的比值为 2 3 两亲性聚合物的红外谱图见图4 1 0 0 8 0 抽6 0 鑫4 o 2 0 O 田 氍 格 衽 删 0 0 1 1 0 1 0 0 粒径范m o re 图 1 两亲性聚合物的粒径分布 1 0 0 粒径范 围 u m 图 2 宏观搭桥剂的粒径分布 6 8 6 6 6 4 6 2 6 0 5 8 5 6 5 4 5 2 5 0 4 分子量分布 0 0 蚕 0 6 庭 凶 O O 8 忸 6 厘 0 0 1 0 O 8 0 6 0 4 0 2 0 嚓 O 8 物具有大量的羟基 这为形成分子有序体提供 了良 好 的基础 同时高羟基密度能够对页岩产生抑制作 用 其成膜效果见扫面 电镜图 5 由此可知 该聚 合物具有 良好 的成膜性 能够在滤纸及砂子表面形 成致密的膜结构 砂 子表面 砂 子表面成膜 图5 成膜性降滤失剂成膜的扫描电镜图 2 2 成膜性聚合物降滤失剂的性能评价 州 2 2 1 与钻井液的配伍性 配制密度为 1 0 3 g c m 的钠膨润土基浆 室 内 养护 4 8 h后 加入不同量的成膜性聚合物降滤失剂 考察其与钻井液的配伍性 结果见表 1 图 3 微观搭桥剂的分子量及分布 表 1 成膜性聚合物降滤失剂对钻井液性能的影响 波数 e ra 图 4 两亲性聚合物的红外谱图 由图 4可 以看 出 波数 为 3 5 0 0 c m 处 为羟基 特征吸收峰 这个吸收峰较强烈 说明制备的聚合 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 2 8卷 第 3期 马诚等 成膜性聚合物钻 井液降滤失剂的研制及评价 由表 1 可知 随成膜性 降滤失剂加量 的增加 钻井液的表 观黏度和动切力上升 AP I 滤失量逐步 降低 这是 因为宏观及微观搭桥剂与钻井液 的复配 性能较好 宏 观搭桥剂能够大量吸附钻井液颗粒 因此钻井液颗粒以其为载体而活动受限 高分子微 观搭桥剂的吸水溶胀进一步降低了钻井液中水分的 稀释作用 同时两亲性聚合物丰富的羟基与宏观及 微观搭桥剂相互作用 形成封堵层 最终导致 AP I 滤失量下降 2 2 2 对钻井液滤失量的影响 取钻井液用隔离膜防塌降滤失剂 F L A A 双保 无渗透钻井液转换剂 F L A B与该成膜性聚合物降 滤失剂做对 比实验 结果见表 2 取胜利油 田现场 钻井液 考察 8 0 C 3 5 MP a 3 0 m i n 条件下的高 温高压滤失量 实验结果见表 3 由表 2 和表 3 可 见 随处理剂加量的升高 3 种产品对中压 高温 高压滤失量都有贡献 其中成膜性降滤失剂在加量 为 2 时 中压 高温高压滤失量下降明显 且滤 失量明显优于另外 2种工业化产品 说 明成膜性聚 合物降滤失剂在此添加量时 已经能够形成完整的 封层 参见表 1 的数据 综合成膜性降滤失剂对钻 井液黏度 中压 高温高压滤失量的影响及添加成 本等因素 选择降滤失剂添加量为 2 进行可视中 压砂床滤失的研究 表 2 成膜性降滤失剂与工业化产 品降滤失性能 的对 比 表 3 不同处理剂的高温高压 8 0 C 3 5 MP a 降滤失性能 处 理 剂 旦 L 一 0 1 2 3 4 5 6 成膜性聚合物 3 2 1 1 8 4 8 0 7 8 7 6 7 6 FL A A 3 2 1 1 l 1 1 0 8 8 8 4 8 4 F L A B 3 2 1 1 1 1 1 0 1 0 9 6 8 8 2 3 可视式砂床中压滤失量 筛选粒径为 0 4 5 0 9 0 m m的砂子 烘干后加 入评价装置井筒中 在定量的钻井液中按 2 体积 分数加入待测体系 室温陈化 9 6 h 后缓慢倒入降 滤失评价装置中 加压 0 7 5 MP a 保压 7 5 m i n 记 录钻 井液 的侵 入深度 为 2 5 c m 而老化 前加 入 F L A A 成膜性 聚合物处理剂的钻井液侵入深度为 9 1 3 c m 老化后则分别为 1 1 和 7 c m 由此可知 老化后成膜性聚合物钻井液处理剂的性能更好 这 可能是宏观 微观两级搭桥剂与钻井液作用更充分 两亲性聚合物分子链更为舒展 因此形成的隔离膜 更致密 封堵效率更高 同时也说明了成膜性聚合 物钻井液处理剂具有一定的耐老化性能 3 作 用机理研 究 两亲性聚合物可以直接通过嵌段 接枝及网络 等形式将亲水性链与亲油性链 以化学键连接在一起 而制得 该实验采用反应性高分子乳化剂 与水溶 性的引发剂反应 形成高分子乳化剂 自由基 进攻 乳胶束集团 按照胶束成核机理反应 形成具有 触 手 结构的胶粒 该两亲 I生聚合物 的作用机理如图 6所示 其 中 蓝色为两亲性 聚合物亲水基 团 橘 红色为两亲性聚合物亲油基团 黄色为钻井液颗粒 两亲性聚合物为胶粒状物质 胶粒通过形变可 以对 井壁孔喉初步实现封堵 同时胶粒表面带有长链亲 水基团 在钻井压力的作用下 聚合物分子链卷曲 缠绕形成以宏观搭桥剂作为骨架的立体网状结构 微观搭桥剂捕捉到大量钻井液颗粒 通过其修补作 用得到更致密的网络 受到温度和压力作用时 便 可快速形成致密的隔离膜 同时 由于两级搭桥剂 的 存在 使得成膜性聚合物钻降滤失剂对不 同孑 L 径孔 喉的封堵效率提高 2 3 1 进入钻井液中后 两亲性聚合物与两级搭桥剂无规分 散于钻井液中 2 在钻井液温度和压力作用下 发生形变 形成膜状结构 3 自适应封堵地层空隙 图 6 成膜性聚合物钻井液处理剂作用机理 下转第1 5 页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 2 8卷 第 3期 刘晓栋 耐 高盐高强度膜屏蔽剂的研制与性能评价 l 5 相含量不大于 4 泥饼黏附系数为 0 0 1 5 0 0 2 2 返 至 振 动 筛 的泥 屑 干燥 未 分 散 粒 径 分 布 在 0 8 5 0 mm之间 除砂器基本无固相 现场钻井 液在室内静置 6 0 d 钻井液性能无任何变化 该井 起下钻通畅 完井井 眼规则 全井 电测平均井径扩 大率仅为 4 1 2 投产产液量为 2 3 8 m 产油量为 2 4 m 8 1 d后产液量为 2 4 0 m 产油量为 7 0 m 含水率从 8 9 9 2 降低为 7 0 8 3 表明膜屏蔽剂在 负压差作用下通过返排解堵 油气孔道恢复 提高 了油气的释放和开采 4 结论 1 膜屏蔽剂 B X P 一 2 富含阳离子聚合物 形成的 聚集 体具有较强 的弹性和适度 的可变形性 在井筒 流体正压差的作用下 能迅速对井壁上的喉道 和孔 道进行充填并镶嵌 封堵范围较广 对漏层孑 L 隙或 裂缝尺寸的依赖性较弱 完井时在负压差作用下通 过返排 屏蔽暂堵层就会被清除 不需要额外 的解 堵作业 2 膜屏蔽剂 B XP 一 2在高浓度高价金属盐溶液 中 具有提高黏度和切力 降滤失的作用 其浓度高于 勘 0 嘞 粤母 e 上接第i I 页 4 结论 2 时 切力 即可满足悬浮钻屑的需要 非常适用 于各种盐水 饱和盐水钻井液的配制 3 膜屏蔽 剂 B X P 一 2的成膜 强度很 高 膜 弹性 模量在 1 5 0 0 P a以上 其泥饼的抗冲刷能力强 能 封堵小于 0 9 m m 的石英砂床 膜屏蔽钻井液中的 B X P 2 含量达到 3 O 时 钻井液 的结构力升高 能减小共沉降中钻屑的含量 能防止钻井液静止时 钻屑沉降 堆积卡钻 4 现场应用表 明 膜屏蔽钻井液的抑制性较强 能防止井壁坍塌 保护油气层 其综合应用效果好 参 考 文 献 1 徐同台 陈永浩 广谱型屏蔽暂堵保护油气层技术的探 讨 J 钻井液与完井液 2 0 0 3 2 0 3 3 9 4 1 2 王永恒 康毅力 兰林 集成超低渗透与屏蔽暂堵优势 的新型钻井完井液 J 钻井液与完井液 2 0 0 8 2 5 6 1 4 1 6 3 吕开河 邱正松 王在明 自适应屏蔽暂堵钻井液技术 J 中国石油大学学报 自 然科学版 2 0 0 8 3 2 2 6 8 7 1 4 裴建忠 吕开河 王树永 等 聚合物弹性微球油层保 护剂的研究 J 钻井液与完井液 2 0 0 9 2 6 2 2 8 2 9 收稿 日期2 0 1 0 1 2 2 0 HG F I 1 0 2 A1 编辑 张炳芹 拿 鳓 勘 e e 喙0 e 章 锄 e e 喀e 勘 勘 勘 嘞 断 1 经红外光谱表明 制备出的两亲性聚合物具 有大量 的羟基 这为形成分子有序体提供了良好的 基础 同时高羟基密度能够对页岩产生抑制作用 经扫描电镜证明 该两亲性聚合物具有 良好的成膜 性 能 能够在滤纸和砂子表面形成致密 的膜结构 配合实验室 自制 的宏观和微观两级搭桥剂 构成 了 成膜性聚合物钻井液处理剂 2 制备 的成膜性聚合物钻井液处理剂与钻井液 复配 性能 良好 对钻井液的各参数影响不大 3 经 A P I 高温高压滤失和可视砂床中压滤失 实验证明 成膜性聚合物钻井液处理剂具有良好的 耐温耐陈化能力 降滤失性能良好 参 考 文 献 1 H e l i o S a n t o s J O N Da ma g e D r i l l i n g H o w t o Ac h i e v e T h i s C h a l l e n g i n g G o a l R A DC s P E 7 7 1 8 9 2 0 0 2 t 1 7 2 S a n t o s H