高温下水基钻井液核心组分微观行为分析.pdf

DOI:10.12358/j.issn.1001-5620.2024.01.003高温下水基钻井液核心组分微观行为分析张玉文，张洋，宋涛（大庆油田钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆163000）张玉文，张洋，宋涛.高温下水基钻井液核心组分微观行为分析 J.钻井液与完井液，2024，41（1）：39-44.ZHANGYuwen,ZHANGYang,SONGTao.Microscopicbehavioranalysisofcorecomponentsofwater-baseddrillingfluidathightemperatureJ.Drilling Fluid&Completion Fluid，2024,41（1）：39-44.摘要水基钻井液在高温下性能调控难度大，主要与核心胶体粒子的分散状态有关，而水基钻井液成分复杂，单一组分与多组分间受高温作用性能变化规律不同，对胶体粒子的分散状态均有影响。针对水基钻井液核心组分，通过高温高压流变性测试获得了膨润土胶体剪切应力-温度曲线，并测试了不同温度下胶体颗粒粒度分布，分析了黏土矿物胶体粒子在室温220 范围内的分散、絮凝与聚结状态及形成机制，同时利用 SEM 测试和黏土矿物晶层结构分析，从微观角度揭示了富含镁多孔纤维状黏土矿物胶体的高温稳定机理，此外，基于对高温热滚前后流变性和滤失量等性能变化的分析，从黏土矿物结构特征和聚合物断链、吸附特性等角度揭示膨润土/复配黏土矿物与聚合物类处理剂在高温下的互相作用机理，结合实验结果，明确了低浓度膨润土与海泡石复配胶体具有明显的高温稳定优势，为超高温水基钻井液的构建提供了理论支撑。关键词高温；水基钻井液；微观分析；黏土胶体；分散状态中图分类号：TE254.3文献标识码：A文章编号：1001-5620（2024）01-0039-06MicroscopicBehaviorAnalysisofCoreComponentsofWater-basedDrillingFluidatHighTemperatureZHANGYuwen,ZHANGYang,SONGTao(Drilling Engineering Technology Research Institute,Daqing Oilfield Drilling Engineering Company,Daqing,Heilongjiang 163000)AbstractThekeytothestableperformanceofwater-baseddrillingfluidathightemperatureisrelatedtothedispersionstateofcorecolloidalparticles,buttheinfluenceofthedispersionstateofcolloidalparticlesisverycomplicated.Forthecorecomponentsofwater-baseddrillingfluid,theshearstress-straintemperaturecurveofbentonitecolloidwasobtainedthroughhigh-temperatureandhigh-pressurerheologicaltesting,andtheparticlesizedistributionofcolloidalparticleswastestedafterdifferenttemperatureeffects.Thedispersion,flocculation,andaggregationstatesandformationmechanismsofclaymineralcolloidalparticleswereanalyzedwithinthetemperaturerangeofroomtemperatureto220.Inaddition,thehightemperaturestabilitymechanismofporousfibrousclaymineralcolloidrichinmagnesiumwasrevealedfromamicroscopicperspectivebymeansofSEMtestandclayminerallayerstructureanalysis.Atthesametime,basedonacomprehensiveanalysisofthechangesinrheologicalpropertiesandfiltrationlossbeforeandafterhigh-temperaturehotrolling,theinteractionmechanismbetweenbentonite/compositeclaymineralsandpolymerbasedtreatmentagentsathightemperaturesisrevealedfromtheperspectivesofclaymineralstructurecharacteristics,polymerchainbreakage,adsorptioncharacteristics,etc.Combinedwithexperimentalresults,itisclearthatlowconcentrationbentonite/sepiolitecompositecolloidshavesignificanthigh-temperaturestabilityadvantages,whichprovidestheoreticalsupportfortheconstructionofultra-hightemperaturewater-baseddrillingfluid.KeywordsHightemperature;Water-baseddrillingfluid;Micro-analysis;Claycolloid;Dispersedstate深井、超深井钻井技术是实现深部油气资源高效勘探与效益开发的关键，钻井液体系的抗高温能力是深层钻井顺利施工的核心因素之一13。国内水基钻井液室内最高抗温达到 240，但在现场应基金项目：油田公司级项目“大庆油田抗 220 高温复合盐钻井液技术研究与应用”(K/YS21-05)。第一作者简介：张玉文，工程师，硕士，1993 年生，毕业于长江大学油气田开发工程专业，现在从事钻井液技术研究工作。电话[phone]；E-mail：。第41卷第1期钻井液与完井液Vol.41No.12024年1月DRILLINGFLUID&COMPLETIONFLUIDJan.2024用过程中水基钻井液在高温条件下仍存在较多问题，如松科 2 井（井底温度最高 241）4，高温导致钻井液絮凝、增稠，导致其性能难以调控等问题频繁发生，超深井钻井风险较高5。为了明确温度引起水基钻井液性能变化的作用机理，依据水基钻井液高温高压流变性测试、电子扫描分析、高温热滚前后的性能测试等结果，重点探讨了高温下水基钻井液核心组分造浆土和聚合物处理剂的微观状态，为揭示水基钻井液抗高温机理，构建超高温水基钻井液体系提供思路。1高温下造浆土胶体颗粒分散状态分析1.1造浆土胶体高温剪切应力膨润土浆配方：清水+4%造浆土（膨润土、海泡石、凹凸棒土）+0.15%Na2CO3，室温养护24h。在室温220 下测试了不同造浆土胶体在不同剪切速率时的剪切应力，结果见图 1 和图 2。02468101210 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230/PaT/1021.8 s1510.9 s1340.6 s1170.3 s110.218 s15.109 s1图14%膨润土浆不同剪切速率下的剪切应力-温度曲线036912020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220剪切速率下的剪切应力/PaT/海泡石凹凸棒土图2海泡石和凹凸棒土胶体在 1022s-1剪切速率下的剪切应力-温度曲线由图 1 可以看出，随温度的升高，膨润土浆在不同剪切速率下的剪切应力变化趋势不同，其中90160 和 160 以上 2 个范围对膨润土浆的流变性能影响最大。由图 2 可知，海泡石和凹凸棒土土浆的流变性随温度的升高，黏度缓慢降低，在 160 以后逐渐平稳，表明具有较弱的温度敏感性，但整体黏度较低，造浆效果较弱。1.2高温作用后膨润土浆粒径分布针对膨润土浆，选取图 1 中剪切应力变化较为明显的温度节点（常温、90、160 和 220），对4%膨润土浆在不同温度热滚 16h后的粒径分布进行测试，结果见图 3 和图 4。由图 3 可知，经高温热滚后，膨润土浆粒径分布范围更广，且出现多个峰值，表明胶体颗粒粒径均质性变差，颗粒自身尺寸与颗粒间连接状态发生明显变化。由图 4 可知，膨润土浆中胶体颗粒 d（50）和 d（90）粒径随热滚温度升高整体呈先增大后降低再增大的多段变化趋势，其中 d（50）在 90和 160分别达到最高和最低值，分别为 8.710 和 2.411m，而 d（90）在 90和160 分别为 19.814 和 18.308m，差距较小，在 220 时 d（90）增长至 33.709m，表明在室温90，膨润土颗粒粒径增大，在90160 范围内，小颗粒数量增多，160220大颗粒增多。024680.010.11101001000体积累积分布/%粒径/m常温90 160 220 图34%膨润土浆热滚前后的粒度分布05101520253035024681004080120160200240d(90)/md(50)/mT热滚/d(50)d(90)图44%膨润土浆热滚后的 d（50）和 d（90）1.3不同温度作用下膨润土颗粒分散状态分析根据剪切应力-温度曲线和不同温度作用后粒40钻井液与完井液2024年1月度分布测试结果可知：在室温40 下不同剪切速率下的剪切应力变化幅度较小，此时的胶体状态较为稳定；在 4090 下剪切应力随温度升高呈上升趋势，且随剪切速率增大，剪切应力增长幅度降低，表明胶体内结构增强，但该结构强度仍较弱，易在高剪切速率下拆散，说明是膨润土颗粒间的作用力有所增强，但颗粒间连接方式未改变，说明该温度范围内膨润土水化作用增强，水化膜扩张，胶体颗粒粒径增大，同时颗粒间斥力增加，导致膨润土颗粒分散度有所提高；90160：低剪切速率下，剪切应力基本保持平缓，而在高剪切速率下，剪切应力仍随温度升高而上升，表明此时的胶体结构持续增强，且低剪切速率已不足以拆散，同时，当剪切速率由 340s-1增大到 1021s-1时，剪切应力基本接近，表明胶体内部由膨润土颗粒引起的摩擦力降低，说明膨润土颗粒间的连接方式发生变化，分析在该温度范围内，水分子运动加剧，在黏土表面的定向趋势减弱，水化膜变薄，胶体粒子间斥力降低，膨润土颗粒端-端和端-面接触连接逐渐发生絮凝，导致分散度降低，而粒子间结构增强，表现为膨润土浆中因水化膜变薄的小颗粒数量明显增多，但小颗粒絮凝后仍可以形成较大尺寸的颗粒；160220：剪切应力随温度升高而显著降低，说明胶体内部结构强度、数量呈线性降低，分析为随着温度继续升高，膨润土颗粒表面能降低而互相靠近，且颗粒在布朗运动中相互碰撞时，粒子动能超过斥能峰6（势垒）转以引力为主，导致胶粒发生不可逆的面-面聚结，引起膨润土颗粒粒径增大，尤其大颗粒数量明显增多，胶体作用减弱，导致黏度显著降低。2造浆土高温稳定微观机理研究由造浆土胶体剪切应力-温度曲线分析结果可知，凹凸棒土和海泡石配制土浆流变性受温度影响较弱，需进一步从造浆土矿物微观层面分析其微观结构与抗温性的关联。2.1形貌结构分析配浆用膨润土、海泡石和凹凸棒土的微观形貌 SEM 图像见图 5。由图 5 可知，膨润土由不规则片层状颗粒组成，片层连接紧密，呈压实状；海泡石微观呈纤维状颗粒，由疏松的纤维状颗粒形成片层；凹凸棒土由书页状颗粒组成，层间具有明显间隙，小颗粒较多，说明具有较强剥落性。在220 下热滚后的膨润土浆和凹凸棒土浆滤饼干燥处理后的电子扫描图像见图 5（d）、图 5（e）。可以看出，膨润土经过高温水化后，颗粒间吸附聚结紧密，而凹凸棒土高温水化后片层状颗粒间界限明显，且具有分散成小颗粒趋势。2 m(a)膨润土(30000 倍)(b)海泡石(20000 倍)(c)凹凸棒土(10000 倍)(d)膨润土高温水化聚结(30000 倍)(e)凹凸棒土高温水化分散(30000 倍)2 m2 m5 m2 m图5造浆土 SEM 显微图像对膨润土配制土浆而言，随温度持续升高，受到水化膜定向趋势减弱、膨润土颗粒表面能降低、布朗运动强烈等因素，导致膨润土颗粒极易形成聚集体，引起流变性能变化，而海泡石和凹凸棒土因其疏松易剥落的纤维状和书页状结构，在水中易分散成更小颗粒，在高温下，难以形成如膨润土颗粒“端-端”与“端-面”连接的絮凝结构，或形成“面-面”吸引的聚结状态，从而保持黏度稳定。2.2晶体结构分析海泡石和凹凸棒土的晶体结构中存在沸石特征（见表 1），具有沸石孔道，可容纳沸石水，沸石水能够与孔道边缘的镁形成键，稳定存在于矿物结构内部7，有研究通过热重分析表明，在 100200，凹凸棒土会失去吸附水和部分沸石水，在 200第41卷第1期张玉文等：高温下水基钻井液核心组分微观行为分析41300 时会失去沸石水和配位水8，因此，在室温220 范围内，海泡石和凹凸棒土因沸石水的存在，在高温下会产生散热效应，保持其微观晶体结构稳定，而海泡石的沸石孔道尺寸为 3.89.85.611.0，凹凸棒土沸石孔道尺寸为 3.76.4，表明海泡石能够容纳更多的沸石水。另一方面海泡石含有更多的 Mg 离子，同样能束缚更多的配位水和沸石水，基于水的散热效果和成键稳定结构作用，海泡石具有更高的热稳定性。表1膨润土、海泡石和凹凸棒土晶体结构特征造浆土分子式晶层结构沸石状孔道膨润土Nax(H2O)4(OH)2(AI2-xMg0.83)Si4O1021层硅铝酸盐无海泡石(OH2)4OH4Mg8Si120308H2021层状硅酸盐3.89.85.611.0凹凸棒土(OH2)4(OH)2Mg5Si8O204H2O21层状硅酸盐3.76.43造浆土与处理剂互相作用下的高温状态分析3.1膨润土胶体+聚合物类处理剂在 4%膨润土浆中加入不同抗高温聚合物类降滤失剂（加量为 1%），考察其流变性能和降滤失性能。老化条件为 220、16h，结果见图 6图 8。3.1.1基于流变性分析由图 6 和图 7 可知，基浆中加入聚合物类处理剂后 PV 由 4mPas 升高至 1342mPas，YP 由 5Pa 升高至 5.528Pa，表明黏土颗粒之间及聚合物分子之间形成了较强的网架结构，悬浮颗粒与液相之间以及连续液相的内摩擦力升高，经 220 热滚后黏度与切力骤降，降低至与膨润土浆接近，表明高温下聚合物分子链断裂，无法延伸形成结构，此时 PV 主要由膨润土高温聚结后的固相颗粒内摩擦力所引起。3.1.2基于滤失性分析从图 7 可以看出，基浆中加入聚合物类处理剂后 FLAPI热滚前平均为 6.3mL，热滚后平均为 11.7mL，显著低于膨润土浆，表明聚合物在高温作用后即使分子链断裂仍有较好的降低滤失效果。选取流变性较为稳定的 4#和 5#聚合物降滤失剂，加入4%膨润土浆中，经不同温度热滚后的 FLHTHP见图 8。可知，2 个样品 FLHTHP随温度升高而增加，当温度超过 160 后，增长幅度显著变大，表明在高温下，聚合物吸附能力减弱，降滤失作用变差，结合热滚后常温 FLAPI测试结果，分析聚合物在黏土颗粒表面的吸附与解吸附是一个可逆的动平41422251713204234571058401020304050基浆1#2#3#4#5#6#7#PV/(mPas)常温220 热滚后5152815.55.5620.514.50.50.51.5120.520051015202530基浆1#2#3#4#5#6#7#YP/Pa常温220 热滚后注：热滚条件为 22016h。图6基浆中加入聚合物后热滚前后的 PV 和 YP 对比20.07.25.25.86.07.87.05.228.019.89.87.27.212.410.88.0051015202530基浆1#2#3#4#5#6#7#FLAPI/mL常温220 热滚后图7不同聚合物体系热滚前后的 API 滤失量0102030405060020 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220FLHTHP/mLT/4#聚合物处理剂5#聚合物处理剂图84#和 5#配方不同温度下的高温高压滤失量42钻井液与完井液2024年1月衡过程，温度降低后经过充分搅拌，平衡将朝着有利于吸附的方向进行，聚合物又会较多地吸附在黏土颗粒表面，协同捕集作用和分子链无规线团物理堵塞机理，滤失量得以保持较低水平。3.2复配黏土矿物胶体+聚合物处理剂使用低浓度膨润土提供基础胶体环境，复配富含镁多孔纤维状黏土矿物海泡石提升胶体高温稳定性，以膨润土海泡石=13 的比例配制 4%土浆，分别加入不同加量的高分子聚合物 4#（分子量大于 100 万）和中低分子聚合物 5#（分子量为6080 万）样品，进行 220 高温热滚前后AV 等流变性测试和 FLAPI测试，结果见图 9。可知，与膨润土胶体+聚合物类处理剂体系不同，复配黏土矿物胶体+聚合物处理剂体系 AV、PV、YP 在热滚后均高于热滚前。从图 9（a）和图 9（b）可知，高温热滚前，4#高分子量聚合物体系 AV 基本与 PV 接近，YP不大于1Pa，黏土颗粒之间及高聚物分子之间形成的网架结构力很小，高温热滚后 AV 升高，YP 增长至 22.5Pa，说明内摩擦力增大，网架结构增强。从图 9（c）和图 9（d）可知，5#中低分子量聚合物体系 AV 和 YP 高温热滚后增长幅度基本接近，PV 增长较小，表明热滚前后，中低分子量聚合物体系中结构均较强。分析复配黏土矿物胶体+聚合物处理剂体系AV、PV和 YP在热滚后均高于热滚前原因为，由于海泡石的疏松纤维状特性，复配黏土矿物胶体颗粒在高温下的分散性会增强，体系内部摩擦力略升高，而分散的细小颗粒会成为聚合物吸附的质点，尤其中低分子量聚合物经过多质点吸附，桥接作用增强更明显，使体系网状结构强度增加，黏弹性质提升，表现为YP增强。但通过图9（a）和图9（c）对比，表明 4#高分子聚合物配制体系 FLAPI随着聚合物加量增多，稳定性显著增强，在 1.5%加量下，热滚前后 FLAPI分别为 4.4 和 4mL，而 5#中低分子聚合物配制体系 FLAPI随着聚合物加量增大，降低幅度较小，在 5%加量下，热滚前后 FLAPI分别为 10 和 7.2mL，因此，在超高温水基钻井液研究过程中需要针对高温流变性稳定和滤失量控制对聚合物处理剂种类及加量进行调控。0102030400510152000.51.01.52.0FLAPI/mLAV/(mPas)高分子聚合物/%AV(热滚前)AV(热滚后)FLAPI(热滚前)FLAPI(热滚后)051015200510152000.51.01.52.0YP/PaPV/(mPas)高分子聚合物/%(a)高分子聚合物体系 AV 和 FLAPI(b)高分子聚合物体系 PV 和 YPPV(热滚前)PV(热滚后)YP(热滚前)YP(热滚后)010200102030405002.04.06.0FLAPI/mLAV/(mPas)中低分子聚合物/%(c)中低分子聚合物体系 AV 和 FLAPIAV(热滚前)AV(热滚后)FLAPI(热滚前)FLAPI(热滚后)0102030010203002.04.06.0YP/PaPV/(mPas)中低分子聚合物/%(d)中低分子聚合物体系 PV 和 YPPV(热滚前)PV(热滚后)YP(热滚前)YP(热滚后)注：热滚条件为 22016h。图9不同聚合物处理剂加量对复配黏土矿物胶体流变性能的影响第41卷第1期张玉文等：高温下水基钻井液核心组分微观行为分析43总体表明，采用富含镁多孔纤维状黏土矿物海泡石与低浓度膨润土复配形成的胶体，具有明显抗高温优势，对 YP 提升等流变性改善具有积极作用9，结合抗高温中低分子量聚合物降滤失剂与高温稳定剂等助剂作为核心处理剂，能够在高温下有效保护黏土胶体颗粒的分散状态。4结论及建议1.根据剪切应力-温度曲线和粒度分布测试结果，明确了 90160 的膨润土颗粒絮凝增稠和160220 的膨润土颗粒聚结降黏作用对水基钻井液的流变性影响最大，需引入弱温敏性黏土颗粒形成抗高温钻井液基础胶体。2.从造浆土微观结构层面分析了海泡石和凹凸棒土胶体的高温稳定机理，纤维状/书页状疏松易剥落结构、丰富的沸石孔道结构和沸石水散热效应等，是黏土矿物胶体保持高温稳定的主要因素。3.基于温度作用前后的黏土矿物与聚合物处理剂配制体系性能变化情况，结合核心组分结构特征与聚合物吸附特性，分析了膨润土与聚合物类处理剂互相作用后在高温下的吸附与分散状态，通过引入富含镁多孔纤维状黏土矿物海泡石与低浓度膨润土复配，能改善黏土颗粒的分散状态，结合中低分子量聚合物，可通过多质点吸附进行网络结构延伸，进而提升水基钻井液的抗高温能力。4.建议加强对水基钻井液核心处理剂化学结构、键接方式、支化交联等链结构，以及官能团种类等因素与抗温性的关联研究，指导研发用于黏土颗粒高温保护的新型水基钻井液处理剂，或创新研制高温稳定的无机/有机复合材料替代黏土矿物。参考文献苏义脑，路保平，刘岩生，等.中国陆上深井超深井钻完井技术现状及攻关建议 J.石油钻采工艺，2020，42（5）：527-542.SUYinao,LUBaoping,LIUYansheng,etal.Statusandresearch suggestions on the drilling and completiontechnologies for onshore deep 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