張恒，胡彩豐，熊金鳳

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司新疆分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000)

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)20 年代，盡管新能源發(fā)展迅猛，但石油天然氣資源仍然是人們生活中不可缺少的能源來(lái)源，扮演著至關(guān)重要的角色，同時(shí)還是國(guó)家戰(zhàn)略資源。為保障能源安全，國(guó)內(nèi)油氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程日益加快，對(duì)深井復(fù)雜井的鉆探需求也逐年上升。而深井環(huán)境惡劣，如井底溫度高、井內(nèi)壓力系統(tǒng)復(fù)雜、井下存在鹽膏層/ 高壓鹽水層等，井況極其復(fù)雜。鉆井液作為鉆井工程的“血液”起到平衡地層壓力、清潔井眼、冷卻潤(rùn)滑鉆具、穩(wěn)定井壁等作用，為應(yīng)對(duì)深井高溫環(huán)境，必須具備耐高溫的能力。常用的鉆井液包括水基鉆井液和油基鉆井液，其中水基鉆井液大多含有膨潤(rùn)土，受高溫分散影響，往往會(huì)造成黏度大幅上漲致使流變性惡化，從而影響高溫深井施工進(jìn)度。而油基鉆井液通常具有比水基鉆井液更優(yōu)秀的抗溫性，但隨著井底溫度壓力上升，在鉆井液密度和環(huán)境溫度逐漸升高的情況下，親水性的加重材料會(huì)極大影響油基鉆井液的流變穩(wěn)定性；此外，在鉆遇高壓鹽水層時(shí)，鹽水的侵污也會(huì)造成油基鉆井液的黏度上漲。為解決高溫深井鉆井液存在的增稠問(wèn)題，抗高溫降黏劑是關(guān)鍵。本文主要綜述了抗高溫降黏劑在水基鉆井液和油基鉆井液中的研究進(jìn)展，以期為高溫復(fù)雜深井鉆井液的流變性調(diào)控提供技術(shù)參考。

1 抗高溫降黏劑在水基鉆井液中的研究進(jìn)展

對(duì)于水基鉆井液，在深井鉆井過(guò)程中，高溫會(huì)導(dǎo)致膨潤(rùn)土聚集或絮凝。而聚合物添加劑的功效之一就是通過(guò)吸附作用防止膨潤(rùn)土出現(xiàn)聚集或絮凝趨勢(shì)，但在高溫下，聚合物鏈上吸附基團(tuán)的水解或者鏈的斷裂、蜷縮等都會(huì)影響其對(duì)黏土的吸附效果。進(jìn)而造成鉆井液流變性能惡化，出現(xiàn)鉆頭泥包、泵壓上升和機(jī)械鉆速下降等復(fù)雜現(xiàn)象。鉆井液流變性主要由表觀黏度，塑性黏度，動(dòng)切力以及凝膠強(qiáng)度等參數(shù)來(lái)衡量。由于水基鉆井液，尤其是高溫水基鉆井液，對(duì)膨潤(rùn)土的依賴性較強(qiáng)，為避免含土水基鉆井液流變參數(shù)上漲，降黏劑的作用很關(guān)鍵。水基鉆井液用降黏劑按材料類型可分為四大類，分別是天然產(chǎn)物降黏劑、天然產(chǎn)物衍生物降黏劑、合成有機(jī)物降黏劑和無(wú)機(jī)物降黏劑。其中天然產(chǎn)物降黏劑抗溫不足，而無(wú)機(jī)物降黏劑與鉆井液配伍性較差，天然產(chǎn)物衍生物降黏劑和合成有機(jī)物降黏劑因攜帶大量抗溫抗鹽基團(tuán)而逐漸成為深井抗高溫降黏劑中的主流產(chǎn)品。

1.1 抗高溫天然產(chǎn)物衍生物降黏劑

常用于水基鉆井液的天然降黏材料主要包括木質(zhì)素、腐殖酸和單寧酸，由于這些天然產(chǎn)物分子鏈上含大量活性基團(tuán)，可進(jìn)行化學(xué)改性來(lái)提高抗溫性，從而獲得抗溫抗鹽能力，以提高適用范圍。

張民[1]以木質(zhì)素磺酸鈣為原料，通過(guò)丙烯酰胺單體進(jìn)行化學(xué)接枝，然后陽(yáng)離子化后得到兩親木質(zhì)素衍生物降黏劑ALSGC。實(shí)驗(yàn)分析表明，ALSGC 抗溫超過(guò)180 ℃，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗鹽抗鈣能力。僅0.3%的加量下，其在鹽水基漿、含鈣基漿和聚合物基漿中的降黏率分別達(dá)到85.76%、70.66% 和55.2%，降黏效果顯著。陳珍喜等[2]以造紙廢液(含木質(zhì)素) 為原料，通過(guò)磺化單體和磷酸三丁酯進(jìn)行改性制備得到復(fù)合改性木質(zhì)素類降黏劑。實(shí)驗(yàn)分析表明，該降黏劑抗溫達(dá)到180 ℃，在0.5% 加量下，其在淡水基漿中的降黏率達(dá)到了96.7%。此外，王光平等[3]采用木質(zhì)素磺酸鈣為原料，通過(guò)接枝改性引入耐溫抗鹽單體、丙烯酰胺和丙烯酸，利用水溶液聚合法制備得到改性木質(zhì)素磺酸鹽類降黏劑。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表明，該降黏劑加量為1.5%時(shí)，淡水基漿經(jīng)180 ℃老化后的降黏率仍達(dá)到40%以上，具有較好的抗溫效果。除木質(zhì)素改性材料外，腐殖酸和單寧酸改性材料也是抗高溫天然產(chǎn)物衍生物降黏劑的主要來(lái)源。孟繁奇等[4]以腐殖酸為主要原料，聚丙烯腈為輔助原料，采用乙酸鋅和尿素作為交聯(lián)劑進(jìn)行化學(xué)改性制備得到改性腐殖酸類降黏劑。實(shí)驗(yàn)分析表明，該降黏劑加量為0.8%時(shí)，淡水基漿經(jīng)150 ℃老化后的降黏率達(dá)到86.5%，降黏效果明顯，且具有一定抗溫效果。龐少聰?shù)萚5]以磺化單寧為原料，通過(guò)接枝2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸單體制備得到一種抗高溫單寧酸衍生物降黏劑。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表明，該降黏劑抗溫達(dá)180 ℃，在高密度鉆井液中的降黏率達(dá)33.3%。

綜上所述，磺化改性或者引入含磺酸基團(tuán)的單體是天然產(chǎn)物降黏劑提高耐溫抗鹽能力的最常用方法，也是效果最佳的方法，通常能將耐溫能力提高至180 ℃以上。其中磺酸基團(tuán)具有強(qiáng)水化特性，去水化作用較弱，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗溫性能；同時(shí)磺酸基與陽(yáng)離子能通過(guò)離子鍵結(jié)合獲得良好的抗鹽抗鈣效果；在降黏方面則主要通過(guò)配位鍵與黏土顆粒中的鋁離子結(jié)合，從而拆散黏土顆粒間的網(wǎng)絡(luò)鏈接，進(jìn)而起到降黏作用。

1.2 抗高溫人工合成有機(jī)物降黏劑

天然產(chǎn)物衍生物降黏劑一般歸類為分散型降黏劑，而人工合成有機(jī)物降黏劑在作用機(jī)理上有些不同，通常屬于聚合物型降黏劑。合成有機(jī)土降黏劑的性能與合成單體的選擇密切相關(guān)，常用的單體包括陰離子單體(如丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯磺酸鈉、苯乙烯磺酸鈉等羧酸單體和磺酸單體)、非離子單體(如丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、苯乙烯等)和陽(yáng)離子單體(如甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨)，以二元、三元和四元共聚物為主[6]。

夏凱等[7]以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和馬來(lái)酸酐為原料合成了一種二元共聚物，再?gòu)?fù)配表面改性劑得到一種抗高溫降黏劑。200 ℃老化條件下，添加該降黏劑的泥漿降黏率達(dá)到36.2%，具有一定抗溫降黏效果。王飛龍等[8]以苯乙烯和馬來(lái)酸酐為原料，通過(guò)合成條件優(yōu)選制備了二元共聚物，再通過(guò)磺化改性得到一種抗高溫低分子聚合物降黏劑SSMA。熱重分析實(shí)驗(yàn)表明SSMA 在氮?dú)夥諊袩岱€(wěn)定性超過(guò)289 ℃，鉆井液降黏率達(dá)到90%以上。趙曉非等[9]以馬來(lái)酸酐、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和丙烯磺酸鈉為原料合成制備了一種抗高溫三元共聚物降黏劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該降黏劑能有效降低淡水基漿的表觀黏度，僅0.5% 的加量，其在常溫下的表觀黏度降低率達(dá)80.2%，經(jīng)240 ℃老化后表觀黏度降低率仍高達(dá)65%，抗溫降黏效果顯著。張?zhí)恋萚10]以丙烯酰胺、衣康酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為原料合成制備了抗高溫三元共聚物降黏劑(AAI)。實(shí)驗(yàn)分析表明，AAI 抗溫達(dá)到220 ℃，僅0.3%的加量，其在淡水基漿和聚合物基漿中老化前的降黏率分別達(dá)到94.4%和90.4%，經(jīng)220 ℃老化后的降黏率仍超過(guò)50%，顯示出優(yōu)良的抗溫降黏性能。明顯森等[11]以丙烯酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸鈉為原料合成制備了抗高溫三元共聚物降黏劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在淡水基漿中僅添加0.4% 該降黏劑，其降黏率就高達(dá)94.92%；經(jīng)220 ℃老化后，降黏率保留率高達(dá)87.49%，抗溫降黏效果顯著。賈敏等[12]以丙烯酸、不飽和脂、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甲基二烯丙基氯化銨為原料，合成制備了抗高溫低分子四元共聚物降黏劑HTP-2。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表明，HTP-2 的抗溫高達(dá)240 ℃，在該溫度下，淡水基漿和復(fù)合鹽水基漿中僅添加0.3%HTP-2 就能獲得72.98% 和71.43% 的降黏率。郝彬彬等[13]以甲基丙烯酰胺異丙基磺酸鈉、N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為原料，合成了一種兩性離子抗高溫聚合物降黏劑HF-2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在200 ℃的老化溫度下，HTHP 鉆井液中僅添加0.5%的HF-2 就能獲得42.3%的降黏率，表現(xiàn)出良好的抗溫降黏效果。

綜上所述，人工合成有機(jī)物降黏劑基本都含有強(qiáng)陰離子基團(tuán)，且分子量設(shè)計(jì)偏低。這是由于低分子量的陰離子型聚合物可有效利用氫鍵搶占黏土顆粒上的吸附位點(diǎn)，從而置換原先吸附在其上的高分子量聚合物，進(jìn)而削弱黏土顆粒與高分子量聚合物之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14]。同時(shí)，低聚物降黏劑還能通過(guò)與鉆井液中的高聚物分子進(jìn)行交聯(lián)，從而阻止高聚物與黏土相互作用，進(jìn)而降低鉆井液黏切。而對(duì)于兩性離子型聚合物降黏劑，其中的陽(yáng)離子基團(tuán)還能中和黏土表面負(fù)電荷，形成離子吸附，配合陰離子基團(tuán)的氫鍵吸附效果更佳[15]。此外，為提高抗溫性，引入磺酸基團(tuán)是抗高溫合成有機(jī)物降黏劑的共同點(diǎn)，不同于天然產(chǎn)物磺化改性受天然產(chǎn)物主鏈影響，合成有機(jī)物具有更高的抗溫性。

2 抗高溫降黏劑在油基鉆井液中的研究進(jìn)展

對(duì)于油基鉆井液，深井鉆井過(guò)程中導(dǎo)致其增稠的外界因素與水基鉆井液類似，包括高溫、高礦化度和高固含等，而內(nèi)在因素則與水基鉆井液存在一定區(qū)別。目前常用的油基鉆井液屬于油包水乳狀液，乳狀液的穩(wěn)定性直接關(guān)系到油基鉆井液的流變性、電穩(wěn)定性和濾失等性能。高溫環(huán)境對(duì)乳狀液影響極大，一方面會(huì)加速分子的布朗運(yùn)動(dòng)，從而降低乳狀液穩(wěn)定性；另一方面，高溫會(huì)破壞表面活性材料的親水親油基團(tuán)分布，影響其在油水界面的吸附效果。而鹽水的侵入則直接導(dǎo)致油水比下降，從而破壞了原本的油水界面平衡，導(dǎo)致乳狀液破乳增稠；其中的高濃度鹽也會(huì)影響表面活性材料的性能[16]。此外，外來(lái)固相大多親水，在表面活性材料的作用下才得以均勻分散在油包水乳狀液中，若是固相含量超過(guò)一定限制，則會(huì)聚集造成油基鉆井液增稠。為解決上述問(wèn)題，借鑒水基降黏劑作用機(jī)理，油基降黏劑早期也多采用天然產(chǎn)物衍生物材料，只是相當(dāng)于水基做了親油改性。后期也逐漸發(fā)展為合成有機(jī)物材料，如油酸酰胺類等。

用于油基天然產(chǎn)物衍生物降黏劑的原料多為腐殖酸、植物提取多酚和植物油酸。趙澤[17]以腐殖酸為原料，采用有機(jī)胺對(duì)其進(jìn)行親油改性，制備獲得一種油基鉆井液用抗高溫改性腐殖酸材料FLA180。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表明，F(xiàn)LA180 抗溫達(dá)到180 ℃，且具有良好的降濾失特性，還兼具一定的降黏性能。在密度為2.0 g/cm3的油基鉆井液中添加5% 的FLA180 可分別將表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力降低35.7%、23.2% 和60.0%。渠震龍[18]以納米活性炭為原料，復(fù)配基油、乳化劑和潤(rùn)濕劑，制備得到一種油基鉆井液用絮凝型降黏劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3%該降黏劑可將油基鉆井液漏斗黏度、塑性黏度、動(dòng)切力和凝膠強(qiáng)度分別降低44.3%、37.9%、31.3% 和40.0%。胡潤(rùn)濤[19]以植物提取多酚為原料，采用多胺改性劑對(duì)其進(jìn)行化學(xué)修飾，得到多種類型降黏劑。其中以改性磺化橡椀栲膠效果最佳，相比空白油基鉆井液，添加有1.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))該橡椀栲膠類降黏劑的鉆井液，在232 ℃下靜置72 h 后的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力分別下降40.5%、22.5%和100%，結(jié)構(gòu)幾乎被完全拆散，降黏效果顯著。彭碧強(qiáng)等[20]以棕櫚油酸為原料，引入酰胺基團(tuán)和長(zhǎng)碳鏈，制備獲得了一種油基鉆井液用降黏劑MOVRM。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表明，MOVRM 對(duì)油基鉆井現(xiàn)場(chǎng)黏稠老漿具有良好的降黏效果，當(dāng)添加量為3% 時(shí)，老漿塑性黏度和動(dòng)切力降低率分別為31.7%和63.6%。

不同于合成水基降黏劑，油基合成降黏劑的原料除酰胺和酸類化合物外，還增加了醇、醚、酯類等化合物。楊振周等[21]以脂肪酸、基油、聚胺、馬來(lái)酸酐、油醇、醇銨等原料合成制備了三種油基鉆井液用抗高溫降黏劑(降黏劑A、降黏劑B 和降黏劑C)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，對(duì)于低密度固相造成的油基鉆井液增稠，降黏劑A 和C 對(duì)其有良好的降黏效果。而對(duì)于高密度固相(如加重劑) 引起的油基鉆井液增稠，降黏劑B表現(xiàn)得更為出色。梁文利等[22]將合成多胺基雙子表面活性劑、瀝青分散劑和合成多點(diǎn)吸附表面活性劑按2∶1∶1 的質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配得到油基降黏劑SSC-OXS。實(shí)驗(yàn)分析表明，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)油基老漿，SSC-OXS 具有一定降黏效果。油基老漿在150 ℃老化后明顯增稠，表觀黏度從66.5 mPa·s 上漲至96.5 mPa·s，上漲率達(dá)45.1%；添加3%SSC-OXS 后，老化后的表觀黏度相比空白老漿降低了29.0%。明顯森等[23]采用芥酸酰胺、硬脂酸酰胺和月桂酰胺合成了油基降黏劑CQ-OTA。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)顯示，對(duì)于固相含量高達(dá)45% 以上的現(xiàn)場(chǎng)油基老漿，1.5%CQ-OTA 表現(xiàn)出良好的降黏效果，老漿表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力和凝膠強(qiáng)度下降率分別達(dá)到25.2%、22.5%、40.6%和64.5%。

有關(guān)油基鉆井液用抗高溫降黏劑作用機(jī)理，不管是天然產(chǎn)物衍生物還是人工合成有機(jī)物，其共同點(diǎn)在于分子碳鏈較長(zhǎng)以提高氫鍵形成能力和滲透性，進(jìn)而疏松親油膠體的結(jié)構(gòu)和親油膠體分子間的聚合力，以改善由親油膠體引起的黏度上漲問(wèn)題；同時(shí)天然產(chǎn)物自帶的羧酸基團(tuán)和合成有機(jī)物引入的羧酸基團(tuán)能與親油膠體相結(jié)合，從而阻止過(guò)多的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成。此外，還都引入了酰胺基團(tuán)，用于提高潤(rùn)濕性能，以改善高固相帶來(lái)的潤(rùn)濕不足問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到降低高密度油基鉆井液黏切的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著深井鉆探需求的上升，高溫高密度鉆井液的使用頻次也逐年增加，對(duì)抗高溫降黏劑的需求量也越來(lái)越大。天然產(chǎn)物衍生物降黏劑由于原料獲取更為容易，相比人工合成有機(jī)物降黏劑在量產(chǎn)方面更具優(yōu)勢(shì)。同時(shí)可以回收一部分造紙、林產(chǎn)等工業(yè)廢料進(jìn)行再利用，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展增添一份力量。但現(xiàn)階段研究和應(yīng)用的天然產(chǎn)物衍生物降黏劑也存在很多不足之處，如抗溫性仍然與人工合成有機(jī)物存在一定差距，且使用劑量普遍較高，這在油基鉆井液中體現(xiàn)得比較明顯。

為助力深井大開(kāi)發(fā)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，在高溫高密度鉆井液流型調(diào)控方面，未來(lái)應(yīng)加大抗高溫降黏劑的研發(fā)力度，側(cè)重點(diǎn)如下：

(1)拓寬天然產(chǎn)物衍生物類降黏劑的原料來(lái)源，加快工業(yè)廢料的回收再利用。如從堅(jiān)果殼(核桃、板栗、榛子等)和中藥渣(甘草等)中提取植物多酚進(jìn)行化學(xué)改性。

(2)結(jié)合酰胺、羧酸、磺酸等活性基團(tuán)抗溫降黏機(jī)理，進(jìn)一步優(yōu)化天然衍生物降黏劑的抗溫性能和降黏性能。

(3)優(yōu)化合成有機(jī)物降黏劑的單體組成和工藝流程，盡可能降低生產(chǎn)成本，為抗溫降黏劑提供多元化選擇。