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我国石油天然气对外依存度逐年提高,2016年石油对外依存度已高达65.40%,远超过国际公认的50%安全警戒线,2016年天然气对外依存度已达34.5%。严峻的能源形势,迫切需要新的接替油气资源,深层超深层钻探已成为获取更多油气资源的主要途径和方向,但是深层超深层钻探井底温度高、地质条件复杂,钻完井成本高、风险大,一口井的成本动辄上亿元甚至数亿元。钻井液是超高温(≥200℃)深层钻探成败的关键,其抗超高温能力不足,特别是高矿化度(饱和盐、含1.0%CaCl2)条件下抗温能力不足(<180℃),难以满足深层超深层超安全高效钻井要求,严重制约了我国超深油气资源的勘探开发,已成为深层超深层钻井面临的重大技术难题。高温降滤失剂作为控制钻井液滤失量和流变性能的关键处理剂,是解决上述难题的关键。本文依托中国石油化工联合基金(A类)重点基金“超深井安全高效井筒工作液构建及调控方法基础研究”项目,开展了抗高温耐饱和盐耐钙降滤失剂研制与机理研究。本文在调研分析国内外抗高温耐盐处理剂的基础上,结合分子结构设计,以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)、N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)、烯丙基磺酸钠(SAS)为单体,通过自由基水溶液共聚,研制出了新型抗高温耐盐钙五元共聚物降滤失剂DAADS。通过对反应体系的单体质量比、反应温度、反应时间、pH值、引发剂用量、单体总浓度等反应条件进行优化,确定了共聚物DAADS的最优反应条件。应用红外光谱分析、热重分析、分子量分析、核磁分析对该共聚物进行了表征。结果表明,所合成产物的分子结构与设计目标产物相符,抗温性能良好,且分子量合理。对DAADS五元共聚降滤失剂进行了性能评价。结果表明,合成的聚合产物在高温、高矿化度下降滤失性能良好:五元共聚物加量为2.0%时,淡水、饱和盐水、含1.0%CaCl2及含饱和盐和1.0%CaCl2的钻井液经180℃老化16h后的API滤失量分别为6.4mL、15.6mL、6.8mL和16.8mL。对比实验得出其抗盐抗钙降滤失性能优于美国著名专业化公司(康菲飞利浦公司)降滤失剂Driscal。借助扫描电镜、激光粒度分析仪和zeta电位分析仪研究了五元共聚物降滤失剂DAADS对钻井液泥饼微观形貌、粒度分布和zeta电位的影响,进而深入分析了该共聚物降滤失的作用机理。研究表明,五元共聚物降滤失剂DAADS能与黏土充分吸附,使黏土颗粒堆积更加紧密,所形成泥饼质量得到有效提高;对黏土颗粒的吸附能力较强,有效地抑制了黏土颗粒的聚结,使黏土颗粒的粒度变小,使钻井液泥饼更加致密,渗透率更低;共聚物对黏土颗粒进行了有效地吸附,钻井液扩散双电层增厚,钻井液的电位(绝对值)随着增加,从而提高体系的稳定性。优选出与五元共聚降滤失剂DAADS配伍的降滤失剂、抑制剂和润滑剂等钻井液处理剂,研制出新型抗高温耐盐钙钻井液体系:清水+4.0%膨润土+0.3%Na2CO3+2.0%DAADS+3.0%SMP-Ⅱ+3.0%SPNH+3.0%SMC+1.0%SDJA+2.0%RH-3。该钻井液体系抗温达220℃,抗盐至饱和,抗钙达1.0%,且具有良好的抑制性和润滑性能,能够基本满足深层超深层高温(220℃)高矿化度(饱和盐、含1.0%CaCl2)条件下钻探要求,具有较好的应用前景。