快速钻井技术包括优化井身结构、近平衡钻井、优选钻头类型、采用合理的钻具组合、优选钻井液体系等^[1-2]。影响机械钻速的因素主要有钻头、地层性质、力学、钻头水力因素及钻井液性能等几个方面^[3]。对于人们致力于提高机械钻速而做出的与钻井液有关的努力来说，研究与应用最为广泛的是钻井液提速剂。国外从20世纪90年代开始研究钻井液提速剂，取得了很大的进展，并在现场应用中获得了可观的经济效益。添加了提速剂的钻井液称为快速钻井液，它除了具备普通钻井液基本功能外，还能够有效地减少井下复杂情况的发生，保证安全钻进。添加了提速剂的钻井液润滑性得到了改善，钻杆摩阻、扭矩大大降低，在不影响钻井液原有流变性、固相含量及分散性的基础上提高了机械钻速^[4]。

钻井液提速剂的作用机理为：①钻井液提速剂能够渗入并润滑钻屑的薄鳞片间剪切面，减弱薄鳞片间的键结，缩小钻屑的尺寸，以利于钻屑脱落；②阻止钻屑相互聚集；③在钻头、BHA（井底钻具组合）等金属表面形成一层憎水性薄膜，起到润滑钻头和钻具的效果，并防止亲水性的钻屑黏附于钻头、BHA上发生泥包；④控制黏土膨胀及孔隙压力的传递，以保持井壁稳定性^[5]。笔者结合现阶段国内外钻井液提速剂的研究与应用状况，并分析钻井液影响机械钻速的因素以及提高机械钻速对处理剂的分子结构和钻井液性能要求，研制出了一种高效的钻井液提速剂HDS，室内评价了该提速剂的性能。在各类钻井液体系中该提速剂均具有良好的综合性能，能够很好地提高钻井效率。

1 实验部分 1.1 药品和实验仪器

丙三醇、氢氧化钠、高级脂肪酸（月桂酸、硬脂酸等）、SO₃、氮气、工业用提速剂HEC、SJX、KZJ和QUK等。

电子天平，三口烧瓶，500 mL烧杯；磁力搅拌器；PTHW-1000型电加热套；膜式磺化反应器；HARKE-SPCA视频接触角测定仪；JZ-200系列界面张力仪；E-P极压润滑仪；水浴锅；钢管；老化罐。

1.2 聚甘油的合成

将一定量的丙三醇、氢氧化钠加入到装有搅拌子、温度计、回流管的三口烧瓶中，通入惰性气体N₂进行保护，开动磁力搅拌装置，控制一定的反应温度，在反应的不同时间取样进行分析，达到预定的聚合度时即停止反应^[6]。反应式为：

(1)

注：n=4时产物纯度最高。

通过实验分析可知，催化剂氢氧化钠加量在4.5%~5%之间、反应温度为260 ℃、反应时间为2 h时得到的聚甘油产物纯度最高。另外由反应条件和结果可以看出，产物的色泽与反应温度、催化剂用量无明显关系，而是随着反应时间的增加色泽加深，分析原因可能是由于甘油在空气中发生了氧化反应生成了有色聚合物，所以选择氮气作为保护气体，防止空气进入反应系统，得到色泽较浅、纯度较高的聚甘油。

1.3 新型聚甘油衍生物的合成

首先，聚甘油与高级脂肪酸（月桂酸、硬脂酸等）在酸或碱存在下，直接酯化生成聚甘油酯。聚甘油酯继续与SO₃在膜式磺化反应器中发生磺化反应生成新型聚甘油衍生物。反应式为：

(2)

(3)

注：x=2，3，4；R—CH₂—COOH表示不同中碳数的高级脂肪酸。

反应（2）温度为200 ℃左右时转化率最高。反应（3）中SO₃必须过量，先控制反应温度为50~60 ℃反应1 h，继续升高温度至80 ℃反应2 h，要控制好最终的反应时间，再进行中和、漂白等工艺后得到转化率较高的产物。聚甘油酯分子中含有呈一定刚性和空间位阻的亲油性基团，还含有亲水性基团，能与脂肪醇类和聚醚类表面活性剂复配，表现出很好的润湿性和增溶性；新型聚甘油衍生物中不仅具有聚甘油酯的非离子表面活性剂的特性，还具有阴离子表面活性剂的优良特性。合成得到的新型聚甘油衍生物中由于引入了磺酸基，增强了水溶解性和抗温性能，使其能够在水基钻井液体系中发挥更好的作用。

1.4 提速剂HDS的研制

将以上合成的新型聚甘油衍生物、脂肪醇类表面活性剂和水溶性稀释剂按一定的比例混合，在50 ℃水浴中搅拌均匀，即得到提速剂HDS。

2 性能评价和讨论 2.1 提速剂HDS常规性能评价 2.1.1 溶解性评价

在搅拌状态下将质量分数为1%的提速剂加入海水中，搅拌5 min后观察提速剂在海水中的溶解状态^[7]。溶解性试验结果表明，现场使用的其他提速剂HEC、SJX、KZJ和QUK均存在明显的油水界面，表明其中有不溶性的油相物质，而提速剂HDS为均匀稳定的悬浊液。

2.1.2 接触角的评价

把清洗好的载玻片放置在提速剂溶液中浸泡16 h，取出后放置在60 ℃下烘干，再用蒸馏水在载玻片表面滴加液滴，用HARKE-SPCA视频接触角测定仪测定其接触角。

将几种提速剂配制成1.0%的水溶液，分别测定其接触角，用接触角的大小来衡量润湿反转的能力，来综合优选合适的提速剂。

由图 1可以看出：在自来水中加入提速剂后，接触角均有不同程度的增加。比较而言，其中提速剂HDS的接触角相对较大，说明其润湿反转能力效果相对较强，有助于防止钻头泥包而提高机械钻速。随着HDS加量的增加，接触角不断增大，但当其加量增加到1.0%以后，接触角的增大不明显。

2.1.3 界面活性的评价

在蒸馏水中加入不同类型的提速剂，配制成1%的水溶液，室内使用JZ-200系列界面张力仪分别测定气液表面张力。

由表 1实验数据看出：与空白相比，五种提速剂对气液表面张力均有不同程度的降低，而提速剂HDS对表面张力的降低效果最好，说明其具有很低的表面张力。

2.2 提速剂HDS在钻井液体系中的性能评价 2.2.1 润滑能力的评价

在室内采用E-P极压润滑仪评价将不同提速剂加入PEM钻井液体系中的黏滞系数和极压润滑系数的大小，实验结果如表 2。

PEM钻井液体系配方：100 mL海水+0.2 g NaOH+0.15 g Na₂CO₃+0.3 g LV - PAC+0.25 g PF - PLH+0.3 g XC+4.5 g PF - TEMP+3 g KCl+3 g JLX - C，用重晶石加重至密度1.3 g/cm³。

从表 2润滑性实验结果来看，提速剂HEC、SJX、QUK和KSZJ润滑能力基本相当，而新型提速剂HDS的润滑能力最好。

2.2.2 防黏附聚结动态实验评价

室内考察提速剂防黏附聚结的动态实验方法，具体步骤如下：

（1）配制PEM钻井液体系：100 mL海水+0.2 g NaOH+0.15 g Na₂CO₃+0.3g LV- PAC+0.25 g PF - PLH+0.3 g XC+4.5 g PF - TEMP+3 g KCl+3 g JLX- C，用重晶石加重至密度1.3 g/cm³。在钻井液中加入8 g细目泥岩钻屑粉和1 g钻井液提速剂。

（2）将称重后的干净钢管放入装有钻井液的老化罐中，在120 ℃下老化12 h。

（3）取出老化罐冷却后提出钢管并静止1 min，待不再有明显钻井液滴出时称重。

（4）观察钻井液在钢管表面的黏附聚结状态和黏附在钢管内外表面上的钻井液质量。

从几种提速剂防黏附聚结动态实验的结果（表 3）可以看出，提速剂QUK防钻屑黏附聚结效果最差，其余提速剂HEC、KSZJ-1、SJX具有一定的防黏附聚结能力，而提速剂HDS防钻屑黏附聚结效果最好。

3 结论

（1）研制出一种性能优良的钻井液提速剂HDS；

（2）室内评价了提速剂HDS的常规性能，该提速剂具有较好的水溶解性、界面活性以及润湿反转能力；

（3）室内评价了提速剂HDS在不同钻井液体系中的性能，发现加入HDS后的钻井液体系具有良好的润滑性能、防黏附聚结能力等综合性能。