王茂功，徐显广，孙金声，王立辉，杨海军，王宝成

（1.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206；2. 中国石油玉门油田公司钻采工程研究院，甘肃玉门735200）



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. 中国石油玉门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27～61mPa··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 ℃）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

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[1-3]。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 mm2/s），5#白油和0#柴油的运动黏度分别为3.86和3.40 mm2/s，有利于降低钻井液当量循环密度、增加固相含量[4]。

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[5]。

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Saraline185V。

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入地层，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]。

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N2保护、 升温速率为10 ℃/min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，倒入装有400 mL气制油的高搅杯中，于11000 r/min下高速搅拌20 min，装入高温不锈钢罐中，充入1.0 MPa的氮气，放入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Saraline185V、9 g主乳化剂DREM-1、12 g辅乳化剂DRCO-1、60 mL CaCl2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11000 r/min下高速搅拌20 min，最后加入645 g重晶石，高速搅拌40 min。65 ℃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16 h。

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。

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11mPa·s，切力为3 Pa，在220 ℃范围内性能稳定。

表1　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 ℃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。

表2　自研有机土与国外有机土性能对比

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 ℃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。

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1175 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 mm，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

图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。

图4　DR-FLCA高温高压滤失性能SEM照片

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-1和DRCO-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 ℃、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/cm3、200 ℃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

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1518～2 520 m井段设计采用欠平衡控压钻进，井底温度为180 ℃，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

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 ℃范围内，具有良好的高温流变性和电稳定性，表观黏度为27～61mPa·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-1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浮性与携屑能力差，下钻下不到底，易沉砂卡钻具等问题。

参考文献

[1]沈丽，王宝田，宫新军，等.气制油合成基钻井液流变性能影响评价[J].石油与天然气化工，2013，42（1）：53-57. SHEN Li，WANG Baotian，GONG Xinjun，et al. Evaluation on rheological properties of GTL based drilling fluids[J].Chemical Engineering of Oil & Gas，2013，42 （1）：53-57.

[2]蒋卓，舒福昌，向兴金，等. 全油合成基钻井液的室内研究[J]. 钻井液与完井液，2009，26（2）： 19-20. JIANG Zhuo，SHU Fuchang，XIANG Xingjin，et al. An all-oil synthetic drilling fluid [J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2009，26（2）： 19-20.

[3]罗健生，莫成孝，刘自明，等. 气制油合成基钻井液研究与应用[J]. 钻井液与完井液，2009，26（2）： 7-11. LUO Jiansheng， MO Chengxiao， LIU Ziming，et al. The study and application of a GTL based drilling fluid [J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2009，26（2）：7-11.

[4]徐同台，彭芳芳，潘小镛，等.气制油的性质与气制油钻井液[J].钻井液与完井液，2010，27（5）：75-78. XU Tongtai，PENG Fangfang，PAN Xiaoyong，et al. The properties of GTL and GTL based drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2010，27（5）：75-78.

[5]王茂功，徐显广，苑旭波，等.抗高温气制油基钻井液用乳化剂的研制和性能评价[J].钻井液与完井液，2012，29（6）：4-9. WANG Maogong，XU Xianguang，Yuan Xubo，et al. Preparation and properties of heat-tolerant emulsifier in GTL based drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2012，29（6）：4-9.

[6]ASTON M，MIHALI P，TUNBRIDGE J KAND ，et al. Towards zero fluid loss oil based muds[J].SPE 77446. 2002.

[7]GALATE J W，MITCHELL R F. Behavior of oil muds during drilling operations[J].SPE Drilling Engineering，1986，1（2）：97-106.

[8]GUICHARD B，VALENTI A，ELIOKEM，et al.An organosoluble polymer for outsatanding fluid-loss control with minimum damage[J].SPE 107281，2007.

Study and Application of Additives for Synthetic Fluids with GTL as the Base Fluid

WANG Maogong1, XU Xianguang1, SUN Jinsheng1, WANG Lihui1, YANG Haijun1, WANG Baocheng2
(1.CNPC Drilling Research Institute, Beijing 102206; 2.Yumen Oilfield Drilling & Production Engineering Research Institute,Yumen, Gansu 735200)

AbstractTo improve the high temperature rheology and fltration property of the synthetic base drilling fuid using gas-to-liquid (GTL) oil as the base fuid，an organophilic clay having superior gel properties and an environmentally friendly flter loss reducer made from natural humic acid，have been developed. A GTL base drilling fuid was formulated with the organophilic clay，the modifed humic acid，a primary emulsifer and secondary emulsifer previously developed. The organophilic clay，DR-GEL，was made by intercalating dihexadecyl dimethyl ammonium chloride into the crystal layers of a purifed sodium montmorillonite，and had good gel performance in GTL (percentage of colloid particles to 98%), high viscosity and gel strength (3 Pa)，and good high temperature stability (it functioned at 220 ℃)in laboratory experiments. The flter loss reducer，DR-FCLA，was made by modifcation of purifed humic acid with dihexadecyl dimethyl ammonium chloride and diethylene triamine. DR-FCLA greatly reduced the HTHP flter loss，helped make the drilling fuid emulsifed better and improved the rheology of drilling fuid. It functioned at high temperatures up to 230 ℃. The synthetic drilling fuid made with these additives had densities ranging in 1.6-2.3 g/cm3, good rheology (AV= 27-61mPa·s, YP = 6-9 Pa) at temperatures ranging in 120-200 ℃，high electrical stability (ES > 800 V)，and HTHP flter loss＜2.5 mL. This synthetic drilling fuid has been successfully used in Sumatra，Indonesia to drill the well NEB Basement-1in Block Jabung. The properties of the drilling fuid remained stable for 40 days at bottom hole temperatures higher than 180 ℃. Diffculties in maintaining the suspension and cuttings carrying capacity of drilling fuid have been solved since then.

Key wordsSynthetic drilling fuid； Gas-to-oil； Organophilic clay； Filter loss reducer； High temperature resistant； Block Jabung，Sumatra, Indonesia

中图分类号：TE254.3

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）03-0030-05

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.03.006

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：wangmg_dri@cnpc.com.cn。

收稿日期（2016-1-9；HGF=1603F2；编辑付玥颖）