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气制油合成基钻井液关键处理剂研制与应用

文档作者：王茂功1 徐显广1 孙金声1 王立辉1 杨海军1 王宝成2 文档来源： 1．中国石油集团钻井工程技术研究院 2．中国石油油田公司钻采工程研究院，		点击数：	更新时间： 2024年02月27日
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第33卷第3期
2016年5月
钻井液与完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
、，01．33 No．3
May 2016
doi：10．3696／j．issn．1001-5620．2016．03．006
气制油合成基钻井液关键处理剂研制与应用
王茂功1， 徐显广1， 孙金声1， 王立辉1， 杨海军1， 王宝成2
(1．中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206；2．中国石油-玉,fl油田公司钻采工程研究院，甘肃玉门735200)
王茂功等．气制油合成基钻井液关键处理剂研制与应用[J】．钻井液与完井液，2016，33(3)：30．34，40．
摘要为提升气制油合成基钻井液高温流变稳定性和降滤失性能，研制了在气制油中具有良好凝胶性能的有机土和天
然腐植酸改性的环保型降滤失剂，并使用前期研制的主辅乳化剂，形成了气制油合成基钻井液体系。性能评价结果表明：
利用双十六烷基二甲基氯化铵和具有功能化极性基团的高分子对提纯钠基膨润土进行复合插层制得了有机土DR．GEL，该
有机土在气制油中凝胶性强(胶体率达98％)、黏度、切力大(切力达3 Pa)，高温性能稳定、抗温达220℃。利用二乙烯
三胺和双十六烷基二甲基氯化铵对提纯黑腐植酸进行有机化改性反应制得了降滤失剂DR—FLCA，该降滤失剂具有高温高
压滤失量低、辅助乳化和改善流变性等性能，抗温达230℃。利用研制的处理剂配制的密度为1．6～2．3 g／cm3的气制油合
成基钻井液体系，在温度120～200℃范围内流变性好(表观黏度27～61 mPa·S，动切力6--9 Pa)，电稳定性强(破乳
电压在800 V以上)，高温高压滤失量小于2．5 mL。该套气制油合成基钻井液体系，在印尼苏门答腊岛JABUNG区块NEB
Basement．1井成功地进行了应用，在高温(井底温度大于180 oC)下40 d的使用过程中性能一直稳定，较好地解决了大斜
度定向井钻井液悬浮性与携屑能力差等难题。
关键词合成基钻井液；气制油；有机土；降滤失剂；抗高温；印尼苏门答腊岛JABUNG区块
中图分类号：TE254．3 文献标识码：A 文章编号：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．
基金项目：国家863项目“海上大位移井钻井液关键技术研究”(2012AA091502)和国家重大专项课题“复杂地质条
件下深井钻井液与高温高压固井技术研究项目”(2011ZX05021．004)资助。
第一作者简介：王茂功，高级工程师，博士，男，1977年生，主要从事钻井液处理剂研发和钻井液技术研究工作。E．mail：
wangrng_dri@cnpc．corn．ca。
万方数据
第33卷第3期王茂功等：气制油合成基钻井液关键处理剂研制与应用31
Key words Synthetic drilling fluid；Gas-to-oil；Organophilic clay；Filter loss reducer；Hiigh temperature resistant；Block Jabtmg，
Suma订a，Indonesia
0 引言
气制油合成基钻井液体系是一种具有环境保护
特性的新型钻井液体系，它既具有油基钻井液的抗
高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对
油气层损害小等特点，还具有运动黏度低、机械钻
速快、对环境友好等优势【J。】。气制油合成基钻井
液体系之所以具有以上优势，是因为其采用的气制
油是利用天然气通过催化加氢合成，不含芳香烃和
硫、胺等有害物质，易生物降解、对环境更加友好，
并且40℃下运动黏度低(2．6 nlIl'12／S)，54白油和
0“柴油的运动黏度分别为3．86和3．40 l'nIn2／S，有
利于降低钻井液当量循环密度、增加固相含量H】。
由于气制油运动黏度低，且不含芳香烃，使得
本来适用于油基钻井液的处理剂，在气制油合成基
钻井液体系中的效能降低或失去作用。比如，有机
土在柴油中由于芳香烃的存在，具有良好的胶体率
和增黏、提切效果，但在气制油中的胶体率和黏度、
切力大幅度降低；对于在油基钻井液中作为降滤失
剂使用较多的沥青类产品，由于其对环境造成污染，
在环境保护型气制油合成基钻井液体系中已被禁止
使用。若采用油基钻井液处理剂配制气制油合成基
钻井液体系，往往会出现钻井液体系黏度和切力低、
重晶石易沉降、携岩能力差、电稳定性低和高温高
压滤失量大等问题，因此高性能环保型气制油合成
基钻井液体系对于处理剂提出了更高的要求。针对
气制油合成基钻井液体系的特殊需求，对气制油合
成基钻井液用有机土和降滤失剂进行了研制，结合
前期研制的气制油合成基钻井液用乳化剂，对形成
的配套气制油合成基钻井液体系进行了研究与现场
应用‘51。
1 实验部分
1．1原料
怀俄明型钠基膨润土；双十六烷基二甲基
氯化铵；功能化高分子SOPAE；腐植酸；三乙
二醇单丁醚；二乙烯三胺；氢氧化钠；气制油
Saralinel 85V。
1．2制备
1．2．1有机土设计思路与制备
制备高凝胶型气制油合成基钻井液用有机土
的关键在于膨润土和插层剂的选取。选用怀俄明型
膨润土，其蒙脱石层电荷低，层间结合力弱，层状
集合体容易拆散，同晶置换有序变低，会导致层面
歪斜和凹凸不平，并增加端面的断键，这些都有利
于膨润土的层状集合体在水中分散成更薄、更小的
片体，因而分散性和胶体性较好。气制油主要组分
为碳12～18的正构和异构烷烃，运动黏度低且不
含增溶性芳香烃，这些因素都影响有机土在其中的
有效分散和形成凝胶，选用能提高有机土中有机物
相对比例的双十六烷基二甲基氯化铵作为一次插层
剂，增强其在气制油中的亲油与悬浮性；选用具有
功能化极性基团的高分子SOPAE作为二次插层剂，
提升其在气制油中的分散、凝胶性能。
制备有机土通常有3种方法：干法、湿法和预
凝胶法。干法制备有机土工艺简单、操作成本低，
但制备过程蒙脱石与插层剂反应不充分，有机土凝
胶性能较差；预凝胶法是制备为分散在有机溶剂中
的有机土凝胶液的方法，此工艺操作成本高、不易
运输，且有机溶剂可能会与气制油钻井液不配伍。
湿法制备有机土的方法操作简便、反应过程蒙脱石
与插层剂反应充分，形成的有机土凝胶性强。
将怀俄明型钠化膨润土进行提纯，最终形成一
定配比的提纯钠基膨润土浆，加入双十六烷基二甲
基氯化铵，于一定温度下进行一次插层反应，反应
后将物料进行压滤去除水分，然后将滤饼和功能化
高分子SOPAE捏合进行二次插层反应，最后将产
物烘干、粉碎，即得气制油合成基钻井液用有机土
DR-GEL。
1．2．2降滤失剂作用机理与制备
在油基钻井液中起降滤失作用的主要组分为微
细固体颗粒、乳化液滴和降滤失剂胶体。首先，细
小固体颗粒伴随钻井液侵入井壁外层形成内桥堵，
即内泥饼；其后，乳化液滴侵入在固体颗粒之间的
空隙并在压差下产生变形密封固体颗粒之间的空
隙，但空隙还是具有渗透性；最后，溶解在油中的
万方数据
32 钻井液与完井液2016年5月
降滤失剂等胶体充填在乳化液滴和固体之间的界面
区域，阻止油相通过泥饼流人地层，随着滤液的侵
入，越来越多的胶体吸附沉积在井壁表面形成一层
致密的泥饼，即外泥饼[6-8]o
利用水、乙醇、碱液和盐酸提纯腐植酸，得到
分子量较大的黑腐植酸，然后将黑腐植酸与二乙烯
三胺在三乙二醇单丁醚溶剂中高温下进行酰胺化反
应，制备交联大分子酰亚胺基腐植酸，再与碱液反
应进行钠化，最后再利用双十六烷基二甲基氯化铵
对其进行亲油改性，制得降滤失剂DR．FLCA。
1．3物性表征
采用日本电子株式会社JSM．6510型扫描电镜
对试样微观形貌进行测定；采用日本理学Rigaku
TG 8120型热重分析仪，在N：保护、升温速率为
10℃／miIl条件下，测定试样热稳定性。
1．4性能评价
1．4．1有机土
称取8．0 g有机土，倒人装有400 mL气制油的
高搅杯中，于11 000 r／rain下高速搅拌20 min，装入
高温不锈钢罐中，充入1．0 MPa的氮气，放人数显式
滚子加热炉中，高温滚动16 h，取出后冷却至25℃，
量取100 mL气制油凝胶溶液于100 mL柱塞桶中，
测定胶体率。测定表观黏度、塑性黏度和动切力。
1．4．2降滤失剂
选用贝克休斯、哈里伯顿、麦克巴和自制降滤
失剂，采用相同实验配方进行高温高压降滤失性能
对比实验。原料配比与配制方法：分别将240 mL
气制油Saralinel85V、9 g主乳化剂DREM-1、12 g
辅乳化剂DRCO一1、60 mL CaCI：水溶液(浓度为
20％)、7．5 g有机土DR-GEL、12 g降滤失剂和6 g
氧化钙依次加入到高搅杯中，每加入一种处理剂，
于11 000 r／rain下高速搅拌20 min，最后加人645
g重晶石，高速搅拌40 min。65 oC测定表观黏度、
塑性黏度、动切力和初终切；50℃测定破乳电压；
高温老化条件：180℃老化16h。
采用青岛胶南同春石油机械厂GRL．9型数显
式加热滚子炉对油基钻井液进行高温老化，采用美
国OFITE公司Model 800型8速旋转黏度计测定
流变性能，采用美国FANN公司Fann 23D型电稳
定性测试仪测定破乳电压，采用青岛海通达仪器厂
GGS71．B型高温高压滤失仪和美国FANN公司2．5
英寸高温介质盘测定高温高压滤失量。
2结果与讨论
2．1有机土
2．1．1微观形貌
图1为提纯钠基膨润土和DR-GEL的SEM照
片。如图1所示：提纯钠基膨润土呈结构紧密的颗
粒状分布，层片结合紧密；DR-GEL呈结构疏松的
花簇状层片分布，层片间距大且疏松。说明有机插
层剂已经进入膨润土层片间，其疏松的花簇状层片
分布有利于有机土在气制油中分散。
——10 um —l lain
提纯钠基膨润土有机土DR．GEL
图1 提纯钠基膨润土和自研有机膨润土SEM照片
2．1．2凝胶性能
表1为DR．GEL在不同温度下凝胶性能实验
结果。如表1所示，DR-GEL在气制油中具有较高
的黏度、切力，经高温充分分散后，胶体率为98％，
表观黏度为14 mPa·s，塑性黏度为11 mPa·s，
切力为3 Pa，在220 oC范围内性能稳定。
表l 自研有机土抗温性能实验结果
表2为DR．GEL与国外有机土性能对比结果。
如表2所示，常温下，国外有机土在气制油中的胶
体率和黏度切力较低、凝胶性能较差；经150 oC高
温老化后，哈里伯顿有机土样品胶体率和黏度、切
力增加较大，此土样可能添加了促凝胶型激活剂，
高温下激发所致；其余2个国外有机土样品老化后
性能变化较小，凝胶性能较差。DR-GEL老化前后
均具有良好的凝胶性能，胶体率和黏度切力较大。
万方数据
第33卷第3期王茂功等：气制油合成基钻井液关键处理剂研制与应用33
表2 自研有机土与国外有机土性能对比
注：老化条件为150 oC、16 h。
2．2降滤失剂
2．2．1 热稳定性
图2为DR-FLCA的TGA热分析曲线。如图
2所示，DR-FLCA在室温～230 oC下，热稳定性
良好，热重损失在2％以内；在230"300℃之间，
热重曲线急剧下降，质量分数降至70％左右；300
"-'650℃，热重曲线下降较为平缓，最后质量分数
在50％左右。由此表明，气制油合成基降滤失剂
DR-FLCA在230℃内热稳定性能良好。
110
100
莲90
蠢80
蚓70
峰60
50
图2 DR．FLCA的TGA热分析曲线
2．2．2性能评价及对比
表3为DR—FLCA与国内外降滤失剂性能的对
比结果。如表3所示，由麦克巴、哈里伯顿和自制
降滤失剂产品配制的气制油合成基钻井液体系，均
具有良好的流变性、电稳定性和高温高压滤失性能；
国外2家公司降滤失剂产品配制的气制油合成基钻
井液体系黏度较高，表观黏度在50 mPa·s以上，
且老化后黏度切力略有降低，破乳电压老化后均有
不同程度的降低，但高于600 V以上，高温高压滤
失量略大；自制降滤失剂配制的气制油合成基体系
老化后破乳电压由962 V增至1 175 V，电稳定性强，
高温高压滤失量降至2．8 mL，表观黏度比国外降
滤失剂气制油合成基体系低25％以上，且老化前
后流变性能一致，更加稳定，这有利于降低钻井液
体系ECD，提高机械钻速；DR-FLCA在气制油合
成基钻井液体系中形成的高温高压滤失泥饼更薄、
更坚韧，厚度仅为2．0 ranl，如图3所示。
表3 自制降滤失剂与国内外降滤失剂性能对比
降滤失剂一PV／汕YP／篇EvS／掣娄慧
VERSA．TROL 37 13 8／9 683 4．6
莲曩矣蓊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
麦范巴样品哈‘l!伯顿样-I^ 自制样
刚3不同降滤失剂配制的气制油合成基
钻井液高温高压滤失泥饼照片
如图4所示，空白高温高压滤纸为布满孔洞结
构的交错纤维体，高温高压滤失后滤纸孔洞结构被
有效封堵；高温高压滤失泥饼切面结构致密，由固
相颗粒、层片状干基降滤失剂胶体和脱水破乳残余
乳化剂构成。由此可以看出，DR-FLCA在气制油
合成基钻井液体系中充分分散，在固体颗粒与乳化
液滴间形成有效充填，起到了良好的降滤失作用。
一10“n1 一l(J}u11——10j．tm
空白滤纸表面使用后滤纸表面【干状) 泥饼切面(干状)
图4 DR．FLCA高温高压滤失性能SEM照片
万方数据
34 钻井液与完井液2016年5月
2．3气制油合成基钻井液体系性能评价
表4为采用DR-GEL、DR—FLCA、DREM一1
和DRCO一1配制的气制油合成基钻井液体系在不
同温度、密度下的性能。如表4所示，气制油合成
基钻井液在温度为120～-200 oC、密度为1．6～2．3
g／cm3范围内，具有良好的流变性，老化前后流变
性能一致，且静置沉降72 h无沉淀，说明钻井液
体系流变稳定性强，钻井液体系电稳定性好、破
乳电压在800 V以上；不同密度、温度下钻井液
体系的高温高压滤失量均较低，密度为2．3 g／em3、
200 oC高温高压滤失量仅为4．2 mL，泥饼厚度为2．5
mm。由此可以看出，利用研制的处理剂配制的气
制油合成基钻井液体系具有良好的流变性能、高温
乳化稳定性能和降滤失性能。
表4不同温度、密度下气制油合成基钻井液性能
p}T}AV／PV／YP／Get／ES／FL盯d混饼厚
g／em3℃mPa·S mPa·S Pa Pa／Pa V mL度／mm
注：静置72h后无沉降。
3 现场应用
印度尼西亚苏门答腊岛JABUNG区块NEB
Basement．1井是中国石油印尼国际公司部署的一
口重点探井(大斜度定向井)，钻探目的层为基岩
风化壳，三开井深1 518～2 520 m井段设计采用
欠平衡控压钻进，井底温度为180 oC，使用自研关
键处理剂及配套的气制油合成基钻井液体系，钻井
液经40 d高温环境运行，性能稳定。表5为NEB
Basement．1井气制油合成基钻井液的现场性能数
据。由表5可知，在油水比为81：19～97：3范围内，
气制油钻井液体系具有良好的乳化稳定性，较低的
黏度，较高的切力和动塑比，说明钻井液体系具有
良好的流变性能和携岩性能，滤失量较低。
气制油合成基钻井液在NEB Basement．1井的
成功应用，解决了在低密度条件下以往高温井段钻
井液悬浮性与携屑能力差，经常造成返砂不好，下
钻下不到底，易发生沉砂卡钻具等问题，起下钻、
电测、试油作业均无卡阻显示，整个过程欠平衡控
压钻进顺利，全井段无复杂情况发生。
表5 NEB Basement-1井气制油合成基钻井液性能
井洲?PZ。删聊Z。罴油水比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滤失量均为0。
4 结论
1．利用双十六烷基二甲基氯化铵和具有功能化
极性基团的高分子SOPAE对提纯钠基膨润土进行
复合插层制得DR．GEL，该有机土在气制油中凝胶
性强(胶体率为98％、表观黏度为14 mPa·S、动
切力为3 Pa)，高温性能稳定、抗温达220℃。利
用二乙烯三胺对提纯黑腐植酸进行大分子交联改
性，然后再与双十六烷基二甲基氯化铵进行有机化
改性反应，制得DR．FLCA，该降滤失剂具有高温
高压滤失量低和辅助乳化等性能，抗温可达200℃。
2．利用DR-GEL、DR-FLCA、DREM-1和DRCO-1
等处理剂配制了密度为1．6～2．3 g／cm3的气制油合
成基钻井液，钻井液体系在120～200 oC范围内，
具有良好的高温流变性和电稳定性，表观黏度为
27～61 mPa·S、动切力为6～9 Pa，老化前后流
变性能一致，且静置沉降72 h无沉淀，破乳电压
在800 V以上，高温高压滤失量小于2．5 mL。
3．利用自行研制的关键处理剂形成的气制油
合成基钻井液体系在印尼苏门答腊岛JABUNG区
块NEB Basement—l井成功地进行了应用，起下钻、
电测、试油作业均无卡阻显示，整个过程欠平衡控
压钻进顺利，全井段无任何复杂情况发生，解决了
在低密度条件下以往高温井段钻井液悬泽|生与携屑
能力差，下钻下不到底，易沉砂卡钻具等问题。
(下转第40页)
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(上接第34页)
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(收稿日期2016．1．9；HGF=1603F2；编辑付碉颖)

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