超高温超高密度水基钻井液技术研究

摘要

随着我国油气资源的勘探与开发逐渐向深层和超深层发展，超高温超高密度水基钻井液技术已然成为钻井工程中的关键技术之一。本文主要针对超高温超高密度水基钻井液流变性调控及稳定性控制的技术难题，重点研究了超高温超高密度水基钻井液作用机理，探索了基于固相颗粒堆积原理的超高温超高密度水基钻井液的流变性调控新理论与新方法，室内新研制出两种抗超高温超高密度水基钻井液用聚合物降滤失剂，最终研制出了深井超深井超高温超高密度水基钻井液体系配方。 高温高压钻井过程中，作为水基钻井液连续相的水通常处于亚临界状态。随温度的逐渐升高，其介电常数、粘度、表面张力均逐渐减小，离子积常数逐渐增大，氢键作用及氢键密度明显减弱等，致使亚临界水将成为一种萃取溶剂、化学反应媒介或酸碱催化剂等，同时又可导致热致相分离现象的发生，即较低极性的溶质分子逐渐溶解，较强极性的溶质分子溶解性逐渐变差、甚至析出等。研究发现，水在高温高压环境下物理化学性质的改变均不利于水溶性钻井液处理剂效能的有效发挥，有时甚至导致其直接失效。 基于亚临界水的物理化学特性及其对超高温超高密度水基钻井液性能的影响与作用机理分析，为使聚合物类抗高温处理剂在亚临界水中具有更好地相容性，提出了基于亚临界水物理化学特性的超高温水基钻井液聚合物处理剂分子结构设计新思路与新方法，并优化设计了新型聚合物降滤失剂的分子结构，采用自由基胶束聚合法，研制出了一种抗高温两性离子疏水缔合聚合物降滤失剂SDT10。借助FT-IR分析、1H-NMR谱分析、GPC分析、TG分析和生物毒性测试等分析方法，表征和分析了SDT10的分子结构、相对分子质量、热稳定性和生物毒性等。通过实验研究，揭示了SDT10的降滤失作用机理与抗温耐盐作用机理。实验结果表明，SDT10具有良好的抗高温抗复合盐增粘降滤失能力，其在Cl-1浓度大于90000ppm、Ca2+浓度大于5000ppm、Mg2+浓度大于15000ppm的低pH复合盐水钻井液中，可显著降低其滤失量，抗复合盐降滤失性能优于国内外同类产品。 为提高疏水缔合聚合物的抗温能力，基于分子结构优化设计，以新制备的疏水缔合多元聚合物为基体，纳米SiO2为填料，研制了一种具有核壳结构的疏水缔合聚合物/纳米SiO2降滤失剂SDT11。借助FT-IR、SEM、TEM和GPC等分析方法，表征和分析了SDT11的分子结构、微观形貌特征和相对分子质量等。通过室内实验研究，揭示了SDT11在水基钻井液中的降滤失作用机理。研究发现，将纳米SiO2作为填料引入新研制的疏水缔合聚合物分子链后，能够将无机纳米SiO2的刚性、尺寸稳定性及热稳定性与疏水缔合聚合物优良的抗温、抗盐及抗污染性能结合，得到性能更加优异的疏水缔合聚合物/无机纳米复合降滤失剂。此外，高温高压条件下，具有独特微交联结构的SDT11使其在超高温水基钻井液中具有良好的护胶能力，提高了水基钻井液的胶体稳定性，且能够有效阻止粘土颗粒在超高温环境下的聚结作用，同时能够明显改善水基钻井液的泥饼质量，从而有效降低钻井液的滤失量。 基于超高温超高密度水基钻井液粘度的形成及其影响因素分析，揭示了超高温超高密度水基钻井液流变性调控的新思路与新方法，即利用一切手段和方法将加重剂等固相颗粒在超高密度水基钻井液中的分散状态更加趋向于颗粒离散态。提出并建立了基于固相颗粒紧密堆积原理的超高温超高密度水基钻井液流变性调控新理论与新方法，即超高温超高密度水基钻井液中所有固相加重剂颗粒能够形成最紧密堆积时钻井液的密度最高，流动性最好；提出并建立了优化构建超高温超高密度水基钻井液配方的“协同增效”理论与新方法。最终以新研制的SDT10和SDT11为关键处理剂，研制出了抗温达248℃的超高温水基钻井液体系配方以及抗温达220℃～240℃的超高温超高密度水基钻井液体系配方。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 钻井液体系抗温能力与密度范围的界定

1.2.2 高温高密度水基钻井液流变性调控机理研究进展

1.2.3 高温高密度水基钻井液处理剂

1.2.4 超高温水基钻井液体系及应用现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 超高温超高密度水基钻井液作用机理研究

2.1 亚临界水的物理化学性质及其对水基钻井液性能的影响

2.1.1 温度和压力对水的离子积常数的影响

2.1.2 温度对水的介电常数和极性的影响

2.1.3 温度对水的氢键作用的影响

2.1.4 温度和压力对水的粘度的影响

2.1.5 高分子化合物的上临界溶解温度和下临界溶解温度

2.1.6 亚临界水对处理剂的萃取作用

2.2 超高温对高分子聚合物处理剂的影响及作用机理

2.3 高矿化度对磺化处理剂在钻井液中流变性的影响及作用机理

2.3.1 无机盐对磺化处理剂水溶液流变性的影响

2.3.2 无机盐对磺化酚醛树脂在膨润土基浆中的高温交联作用

2.3.3 高矿化度条件下磺化处理剂的高温反应机理

2.4 温度对超高密度水基钻井液性能的影响

2.5 膨润土含量对高温高密度水基钻井液性能的影响

2.6 温度和压力对黏土矿物水化膨胀性能的影响及作用机理

2.6.1 温度和压力对黏土矿物水化膨胀特性规律的影响

2.6.2 黏土矿物水化膨胀的微观特征分析

2.7 本章小结

第三章 超高温超高密度水基钻井液流变性调控理论与新方法

3.1 超高密度水基钻井液粘度的构成

3.2 基于颗粒堆积原理的超高温超高密度水基钻井液流变性调控新理论与新方法

3.2.1 固相加重剂颗粒的堆积结构和致密堆积

3.2.2 固相加重剂颗粒的沉降

3.3 基于颗粒堆积原理的超高温超高密度水基钻井液流变性调控新方法在水基钻井液中的应用

3.4 本章小结

第四章 两性离子疏水缔合聚合物降滤失剂的研制及作用机理

4.1 两性离子疏水缔合聚合物降滤失剂（SDT10）的分子结构优化设计

4.2 主要原料与试剂

4.3 合成方法与步骤

4.4 SDT10制备条件的优化

4.4.1 单因素分析

4.4.2 正交试验

4.5 SDT10分子结构及基本性能表征

4.5.1 红外光谱分析

4.5.2 核磁共振氢谱分析

4.5.3 元素分析

4.5.4 凝胶色谱分析

4.5.5 热重分析

4.5.6 生物毒性分析

4.6 SDT10性能评价

4.6.1 在水溶液中的增粘性能

4.6.2 温敏增稠特性

4.6.3 在4%基浆中的增粘性能

4.6.4 对膨润土基浆粒径分布的影响

4.6.6 降滤失性能评价

4.6.7 在评价土基浆中的抗复合盐水降滤失特性评价

4.7 SDT10的抗高温抗盐降滤失作用机理探讨

4.7.1 高温下增加滤液粘度及改善泥饼质量

4.7.2 温敏基团侧链的疏水缔合作用

4.8 本章小结

第五章 疏水缔合聚合物/纳米二氧化硅降滤失剂的研制及作用机理

5.1 新型抗高温降滤失剂（SDT11）的分子结构优化设计

5.2 主要原料与试剂

5.3 合成方法与步骤

5.4 SDT11制备条件优化

5.4.1 单因素分析

5.4.2 正交试验

5.5 SDT11的分子结构及基本性能表征

5.5.1 红外光谱分析

5.5.2 凝胶色谱分析

5.5.3 透射电镜分析

5.5.4 扫描电镜分析

5.5.5 粒径分布和比表面积分析

5.5.6 热重分析

5.5.7 生物毒性分析

5.6 SDT11在水溶液中的性能评价

5.6.1 增粘性能评价

5.6.2 疏水缔合特性评价

5.6.3 抗盐性能评价

5.6.4 交联特性评价

5.6.5 抗温性能评价

5.7 SDT11在钻井液中的性能评价

5.7.1 对钻井液流变性能的影响

5.7.2 降滤失性能评价

5.7.3 抗温性能评价

5.7.4 对钻井液粒径分布的影响

5.7.5 抑制性能评价

5.7.6 润滑性能评价

5.7.7 封堵性能评价

5.8 SDT11的抗高温降滤失作用机理探讨

5.8.1 高温高压环境下有效保持液相粘度

5.8.2 阻止粘土颗粒的高温聚结

5.8.3 改善泥饼质量

5.9 本章小结

第六章 超高温超高密度水基钻井液配方优化实验研究

6.1 超高温超高密度水基钻井液“协同增效”理论与方法

6.2 超高温（248℃）水基钻井液技术优化

6.2.1 单剂优选

6.2.2 超高温（248℃）水基钻井液体系配方的研制

6.3 超高温超高密度（220℃，2.46 g/cm3）水基钻井液技术优化

6.3.1 抗220℃、密度2.46 g/cm3水基钻井液体系配方的研制

6.3.2 超高温超高密度水基钻井液高温高压流变性实验研究

6.4 抗240℃、密度2.55 g/cm3超高温超高密度水基钻井液配方优化

6.4.1 抗污染性能评价

6.4.2 抑制性能评价

6.4.3 封堵防塌性能评价

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

作者简介