По мере того как разработка нефтегазовых месторождений распространяется на глубокие и сверхглубокие сложные пласты, экстремальные геологические условия — высокая температура и давление, высокая солёность и др. — ставят перед водосодержащими буровыми растворами серьёзные задачи. Водосодержащие буровые растворы широко применяются благодаря своей экологичности и экономичности; при этом добавки для контроля фильтрации, являясь ключевыми компонентами, непосредственно влияют на реологические свойства и характеристики фильтрации раствора. Традиционные линейные фильтроустойчивые добавки хотя и способны улучшать показатели фильтрации, однако их молекулярные цепи в условиях высоких температур и солёности склонны к сшиванию, свёртыванию и другим конформационным изменениям, что приводит к резкому повышению или снижению вязкости бурового раствора, а следовательно — к нарушению реологического режима и увеличению объёма фильтрации, что серьёзно угрожает безопасности бурения. Кроме того, природные или модифицированные полимеры под воздействием высоких температур легко окисляются и разлагаются, тогда как синтетические полимеры, обладая более высокой термостойкостью, из‑за inherent недостатков линейной структуры затрудняют достижение оптимального баланса между реологическими характеристиками и контролем фильтрации. Поэтому разработка новых фильтроустойчивых добавок, сочетающих стабильность в условиях высоких температур и солёности, низкую вязкость и эффективный контроль фильтрации, сегодня является одним из приоритетных направлений исследований.

Существующие линейные фильтрационные присадки в сложных пластовых условиях сталкиваются с двумя ключевыми проблемами: во‑первых, в условиях высоких температур и высокой солёности конформация молекулярных цепей становится нестабильной, что приводит к неконтролируемым реологическим свойствам бурового раствора — проявляется в аномальных колебаниях вязкости или значительном увеличении фильтрации; во‑вторых, высокая собственная вязкость линейных полимеров нарушает общую реологическую поведение бурового раствора, повышая риск потери эксплуатационных характеристик при повышенных температурах. Например, высокая температура может вызывать сшивку или сворачивание молекулярных цепей полимера, нарушая их взаимодействие с частицами глины и снижая плотность фильтрационного слоя. Кроме того, засоление за счёт эффекта нейтрализации зарядов ослабляет электростатическое отталкивание между глинистыми частицами, ускоряя их коагуляцию и ещё более ухудшая контроль фильтрации. Эти факторы делают традиционные фильтрационные присадки недостаточно надёжными для обеспечения долгосрочной стабильности при работе в глубоких и сверхглубоких скважинах, что требует инноваций в молекулярной структуре для преодоления существующих ограничений по эксплуатационным характеристикам.

В связи с вышеуказанными техническими трудностями контроля фильтрации водных буровых растворов в условиях высоких температур и высокой солёности исследовательская группа, в состав которой входят сотрудники Китайского нефтяного университета, провела систематическое исследование с использованием настольных сканирующих электронных микроскопов серии ZEM компании «ZEPTOOLS». Эта команда основана на Гиперрасширенный полимер Преимущества трёхмерной сетчатой структуры, посредством Этерификационная поликонденсация И Радикальная полимеризация С помощью двухэтапного метода синтезирован новый гиперразветвлённый фильтрационный агент. Эксперименты показали, что данный материал при высокой температуре 200 °C и в условиях 30‑процентной концентрации солей сохраняет стабильные реологические свойства и превосходную способность к контролю фильтрации. Соответствующие результаты опубликованы под названием «Приготовление и исследование механизма действия устойчивого к высоким температурам и высокой солёности гиперразветвлённого снижителя фильтрации для водных буровых растворов». «OnePetro» В журнале.

Настоящая статья посвящена разработке нового гиперразветвлённого фильтрационного агента HBPSi‑DADN и исследованию его эксплуатационных свойств в водосодержащих буровых растворах. В связи с тем, что традиционные линейные фильтрационные агенты в условиях высоких температур и повышенной солёности склонны к изменению конформации молекулярных цепей, что приводит к нестабильности реологических характеристик бурового раствора и увеличению фильтрации, исследовательская группа, применив инновационный подход к молекулярному дизайну, использовала в качестве исходных веществ 3‑аминопропилтриэтоксисилан и 1,4‑бутандиол; путём реакции эфирообразующего конденсирования был синтезирован гиперразветвлённый полисилоксан HBPSi, который затем подвергли радикальному сополимеризации с такими мономерами, как N,N‑диметилакриламид и 2‑акриламидо‑2‑метилпропансульфоновая кислота, в результате чего успешно получен гиперразветвлённый полимер HBPSi‑DADN, обладающий трёхмерной сетчатой структурой.

С помощью таких методов характеризации, как FTIR, 1H ЯМР, ТГА и CRYO‑SEM, была подтверждена успешная синтезировка HBPSi‑DADN и его структурные особенности. Результаты показали, что данный полимер обладает высоко разветвлённой трёхмерной сетчатой структурой, отличается исключительно высокой термостабильностью — при 600 °C сохраняет 25,7% массы остатка. Такая уникальная структура обеспечивает его устойчивость к свёртыванию молекулярных цепей и сшивке даже в условиях высоких температур и повышенной солёности, что позволяет поддерживать стабильные эксплуатационные свойства. Кроме того, присутствующие в молекуле полимера функциональные группы, такие как сульфоновые кислоты и четвертичные аммониевые соли, усиливают взаимодействие с частицами глины, способствуя образованию плотного фильтровального осадка.

В рамках оценки эксплуатационных свойств в исследовании системно изучено влияние HBPSi‑DADN на реологические характеристики и показатели фильтрации бурового раствора. Эксперименты показали, что после выдержки при 200 °C в течение 16 часов содержание добавки HBPSi‑DADN в количестве 3 мас.% приводит к снижению кажущейся вязкости всего с 26 мПа·с до 23 мПа·с; при этом объём фильтрата при высоких температуре и давлении составляет лишь 22 мл, что свидетельствует о выдающейся термостойкости и солестойкости. Даже в условиях загрязнения 30% раствором NaCl буровой раствор сохраняет стабильные реологические свойства и низкий уровень фильтрации. В отличие от этого, коммерческие добавки для снижения фильтрации — Driscal D и CMC — в тех же условиях демонстрируют значительное ухудшение своих характеристик, что подчёркивает преимущества HBPSi‑DADN.

Дальнейший анализ с использованием зета‑потенциала, гранулометрического анализа и исследования морфологии фильтрационного осадка позволил раскрыть механизм действия HBPSi‑DADN. Исследования показали, что трёхмерная сетчатая структура этого полимера эффективно препятствует высокотемпературному агрегированию частиц глины, поддерживая коллоидную стабильность за счёт усиления электростатического отталкивания и пространственного стерического эффекта. В то же время его сильное взаимодействие с частицами глины способствует образованию плотного фильтрационного осадка, что существенно снижает величину фильтрации. Эти результаты не только предлагают эффективное решение проблемы управления свойствами буровых растворов в условиях высоких температур и повышенной солёности, но и служат важным ориентиром для молекулярного дизайна новых добавок в буровые растворы.

Рис. Цифровые изображения фильтрационных осадков различных водосодержащих буровых растворов после термической выдержки (200 °C, 16 ч): (a) базовый раствор; (b) базовый раствор + 3 мас. % HBPSi‑DADN; (c) базовый раствор + 3 мас. % HBPSi‑DADN + 4 мас. % NaCl; (d) базовый раствор + 3 мас. % HBPSi‑DADN + 30 мас. % NaCl. Сканирующие электронные микроскопические изображения фильтрационных осадков различных водосодержащих буровых растворов после термической выдержки (200 °C, 16 ч): (e) базовый раствор; (f) базовый раствор + 3 мас. % HBPSi‑DADN; (g) базовый раствор + 3 мас. % HBPSi‑DADN + 4 мас. % NaCl; (h) базовый раствор + 3 мас. % HBPSi‑DADN + 30 мас. % NaCl.

В данном исследовании, благодаря инновационному дизайну гипербрахических полимеров, удалось преодолеть ограничения по эксплуатационным характеристикам традиционных линейных фильтрационных агентов в экстремальных условиях, обеспечив надёжную техническую поддержку буровых работ в сложных пластах, таких как глубокие и сверхглубокие скважины. Полученные результаты обладают не только значительной теоретической ценностью, но и предоставляют практически реализуемые решения для реального инженерного применения.

Стационарный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Zeyou Technology — это высокоинтегрированное, портативное и экономичное научно‑исследовательское оборудование. Оно обеспечивает быструю вакуумизацию, высокую скорость получения изображений и широкий выбор детекторов сигналов, подходит для наблюдения морфологии и анализа состава, а также может быть адаптировано к различным экспериментам in situ. Прибор предъявляет минимальные требования к условиям установки, не зависит от этажности здания, прост в эксплуатации — даже непрофессионалы быстро осваивают его; при этом стоимость покупки и обслуживания значительно ниже, чем у напольных сканирующих электронных микроскопов. В настоящее время он стал одним из наиболее популярных вариантов оборудования для многих университетов, исследовательских институтов и предприятий.