國內(nèi)抗高溫油基鉆井液研究進(jìn)展與應(yīng)用

趙遠(yuǎn)遠(yuǎn)，周書勝，高 陽，鄧亞慧

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部，廣東深圳 518000；2.荊州嘉華科技有限公司，湖北荊州 434000）

近20 年來，工業(yè)水平不斷提高，國內(nèi)能源消耗大幅增長，那么油氣資源供給成為國家安全、發(fā)展的重要保障。目前，油氣資源鉆采重點(diǎn)部署在新疆、四川、大慶以及東海、渤海、南海海域。為了穩(wěn)產(chǎn)油氣資源，逐步開發(fā)深部油氣藏以及復(fù)雜油氣井，高溫深井（高溫＞175 ℃，深井＞4 500 m）、易垮易漏井的鉆采工作逐漸增多[1，2]。準(zhǔn)噶爾盆地地溫梯度2.0～2.4 ℃/100m，四川盆地地溫梯度2.1～2.7 ℃/100m，大慶油田地溫梯度4.4～4.9 ℃/100m，南海、東海領(lǐng)域地溫梯度分別為2.8～4.4 ℃/100m、2.3～3.8 ℃/100m，油藏埋藏深度、地溫梯度越大，則地層溫度越高。目前國內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)碳酸鹽巖、砂巖、油頁巖、泥頁巖在高溫條件下的力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行了研究，研究表明：隨著地層深度增加使溫度升高，造成巖石膠結(jié)強(qiáng)度、整體剛度降低；經(jīng)過地面循環(huán)鉆井液冷卻鉆頭，且與地層巖石有較大的溫度差，該差值會(huì)對(duì)井壁巖石的力學(xué)性質(zhì)造成影響，進(jìn)而改變井徑應(yīng)力分布[3]。高溫狀態(tài)下，易造成鉆井液的流變攜巖性、護(hù)壁性能惡化，嚴(yán)重時(shí)可能造成鉆井報(bào)廢。油基鉆井液主要由乳化劑、有機(jī)土、降濾失劑等處理劑以及鹽水、基油組成，具有強(qiáng)抑制性能、優(yōu)異潤滑性能、強(qiáng)護(hù)壁性能（親油膠體黏結(jié)作用）、抗侵污性能強(qiáng)的特點(diǎn)，使其廣泛地應(yīng)用于各油田鉆探過程中[4，5]。國內(nèi)抗高溫油基鉆井液技術(shù)近些年來取得一定進(jìn)展，筆者從高溫對(duì)油基鉆井液性能的影響以及重要油基鉆井液抗高溫處理劑的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為后續(xù)油基鉆井液技術(shù)進(jìn)展提供參考。

1 高溫對(duì)油基鉆井液性能的影響

1.1 高溫對(duì)油基鉆井液流變攜巖的影響

攪拌作用下，油水界面在乳化劑的作用下，界面張力降低，形成穩(wěn)定的油包水乳液，由于乳化劑定向吸附在油水界面上，形成一定強(qiáng)度的界面膜，阻止了液滴之間的碰撞概率以及液滴聚集，使乳液穩(wěn)定。有機(jī)土、降濾失劑高度分散在油相中，以及通過分子間作用力吸附在乳液界面膜上，并互相黏附形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，達(dá)到增黏提切的作用。高溫作用下，增大了液滴碰撞聚集成大液滴，甚至破乳，降低了乳液的穩(wěn)定性；高溫使鉆井液處理劑分子運(yùn)動(dòng)劇烈，易造成分子斷裂，使鉆井液的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)破壞，高溫使鉆井液黏度切力下降明顯，甚至無法懸浮重晶石[6]，鉆屑無法有效及時(shí)地返出井眼，易造成卡、環(huán)空憋泵[7]。

1.2 高溫對(duì)油基鉆井液護(hù)壁性能的影響

當(dāng)溫度低于150 ℃，油基鉆井液鉆進(jìn)過程中濾失量較小（小于5 mL），該溫度下，對(duì)比水基鉆井液，油基鉆井液具有天然的封堵性能，油基鉆井液中的親油膠體物質(zhì)（如：有機(jī)土、降濾失劑）在井壁上的吸附、沉積粘結(jié)孔隙、微裂縫，并形成致密、薄韌的泥餅，達(dá)到護(hù)壁的效果；當(dāng)溫度高于150 ℃，甚至高達(dá)220 ℃，高溫使鉆井液處理劑分子運(yùn)動(dòng)劇烈，易造成分子斷裂或完全失效[8]，使鉆井液的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)破壞、濾失泥餅虛厚、不致密，進(jìn)而造成鉆井液濾失量變大，使地層孔隙壓力增大，弱化了油基鉆井液對(duì)井壁的有效支撐，濾液對(duì)巖石中的黏土礦物作用，黏土吸水造成膨脹壓，改變井壁應(yīng)力平衡，泥餅對(duì)微裂縫黏結(jié)力降低，易造成井壁失穩(wěn)。

2 油基鉆井液抗高溫處理劑的研究進(jìn)展

2.1 抗高溫乳化劑研究進(jìn)展

抗高溫乳化劑作用機(jī)理：乳化劑定向吸附在油水界面上，降低油水界面張力，并形成穩(wěn)定的界面膜，其膜越穩(wěn)定，則破乳電壓越高，體系就越穩(wěn)定。目前抗高溫乳化劑采用雙子型表面活性劑結(jié)構(gòu)，或者乳化劑含有多個(gè)長碳鏈以及多個(gè)親水基團(tuán)，采用化學(xué)鍵（聯(lián)接基團(tuán)）聯(lián)接在一起，常見的聯(lián)接基團(tuán)有苯環(huán)基團(tuán)，該基團(tuán)的空間位阻大，可降低親水基團(tuán)的電斥力作用[9]，在油水界面由于氫鍵作用形成絡(luò)合物，使膜強(qiáng)度提高，達(dá)到提高乳化劑的穩(wěn)定性（抗溫性）；乳化劑含有多個(gè)長碳鏈?zhǔn)怪葌鹘y(tǒng)乳化劑的分子鏈大，展現(xiàn)出弧狀梳型結(jié)構(gòu)，長碳鏈之間的分子間作用力使乳化劑的抗高溫性能提高，很大程度降低其分子熱運(yùn)動(dòng)以及分解速率，并可提高外相（油相）的黏度，阻止液滴熱運(yùn)動(dòng)引起的聚集現(xiàn)象[10]。

覃勇等[11]采用妥爾油脂肪酸通過氧化反應(yīng)打開雙鍵形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的乳化劑（HT-MUL），該乳化劑具有強(qiáng)乳化性能、抗高溫性能，由其配制的油基鉆井液在220 ℃的高溫下老化后，其黏度、切力變化小，濾失量小于5 mL，且體系穩(wěn)定；王星媛等[12]采用多元胺、羥基脂肪油、馬來酸為原料合成乳化劑，并與非離子乳化劑復(fù)配配制油基鉆井液體系，該體系220 ℃老化后破乳電壓大于1 000 V，濾失量小，體系穩(wěn)定，并成功地應(yīng)用于井底溫度高于200 ℃的四川盆地塔探1 井中，采用該體系鉆進(jìn)過程中，起下鉆順利通暢并無阻卡現(xiàn)象。吳雄軍等[13]采用乳化劑SMEMUL-1、SMEMUL-2 配制油基鉆井液成功地應(yīng)用于高溫深井（順北5-7 井），鉆進(jìn)中未出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、憋?，F(xiàn)象；閆晶等[14]采用有機(jī)酸、有機(jī)胺反應(yīng)，通過季銨鹽反應(yīng)改性合成抗高溫乳化劑，屬于雙子季銨鹽乳化劑，配制的油基鉆井液在200 ℃老化后，動(dòng)塑比高，可確保有效攜巖，濾失量較小，并在大慶油田GS-3 井應(yīng)用成功，鉆進(jìn)過程中無復(fù)雜情況發(fā)生，井眼擴(kuò)大率小于6%。

2.2 抗高溫有機(jī)土研究進(jìn)展

有機(jī)土通過分子間作用力、氫鍵作用吸附在乳液界面膜上，形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，起到懸浮重晶石、增黏提切的作用。有機(jī)土常見制備方法為：通過膨潤土層間金屬離子（如Ca2+、Na+）與有機(jī)改性劑（季銨鹽）進(jìn)行離子置換，季銨鹽離子吸附在膨潤土層間，擴(kuò)大其間距，提高其提黏切的效果[15]。常見抗高溫有機(jī)土是通過改性季銨鹽、季銨鹽與非離子表面活性劑與膨潤土作用制備，提高其抗高溫性能。改性季銨鹽常見有雙長鏈季銨鹽、烷氧基季銨鹽，使有機(jī)土在乳狀液中更好地分散，并具有優(yōu)異的抗溫性能。

李建成等[16]采用十六、十八烷基等長碳鏈的季銨鹽改性鈉基膨潤土制備的有機(jī)土在全油基鉆井液體系中應(yīng)用，表現(xiàn)出優(yōu)異的增黏提切性能，由其配制的油基鉆井液可抗200 ℃高溫，不同密度下流變性良好，并成功應(yīng)用于蘇10-32-45CH 井中，鉆進(jìn)過程中，摩阻小，井壁未出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，對(duì)比水基鉆井液鉆進(jìn)，其鉆速更快；郝廣業(yè)[17]通過有機(jī)改性劑與膨潤土置換離子制備有機(jī)土LWTRO-250，該有機(jī)土配制的油基鉆井液抗高溫性能優(yōu)異，在250 ℃老化后，其黏度、切力值變化小，破乳電壓大于1 000 V，表明LWTRO-250 配制的油基鉆井液性能穩(wěn)定，且抗高溫性能優(yōu)異；范勝等[18]采用環(huán)氧乙烷改性、伯胺、一氯甲烷為原料合成改性季銨鹽，再與非離子表面活性劑復(fù)配改性膨潤土，通過非離子表面活性劑加固季銨鹽與膨潤土的吸附作用，使其在高溫條件下性能穩(wěn)定，該有機(jī)土在柴油中的成膠率高，具有優(yōu)異的增黏提切作用，在低密度油基鉆井液表現(xiàn)出優(yōu)異的抗高溫性能。

2.3 抗高溫降濾失劑研究進(jìn)展

隨著鉆探深度增加，高溫使鉆井液的濾失量大幅增加，通常在油基鉆井液體系加入2%～5%降濾失劑，并與封堵劑協(xié)同起到降濾失作用，既要降濾失效果明顯又對(duì)油基鉆井液流變性能影響小。鉆頭剛鉆開地層，油基鉆井液初濾失使鉆井液的固體小顆粒在井壁上吸附并形成薄泥餅，乳狀液進(jìn)一步填充固相之間的孔隙，降濾失劑再進(jìn)一步填充，三種協(xié)同作用形成致密的泥餅，起到降濾失的目的[19]，并粘結(jié)微裂縫，進(jìn)一步提高井壁的穩(wěn)定性。

長江大學(xué)教授王松[20]采用腐殖酸酰胺作為降濾失劑，與親油膠體物質(zhì)（氧化瀝青、有機(jī)土）協(xié)同起降濾失、增黏作用，配制的油基鉆井液濾失量小，抑制性能強(qiáng)，并能抗10%鉆屑侵污以及10%水泥漿；該體系成功應(yīng)用于塔里木盆TZ45 井，鉆進(jìn)過程中，井眼擴(kuò)大率小于6%，并無復(fù)雜情況發(fā)生，可大大地縮短鉆井周期；趙澤[21]采用有機(jī)胺類對(duì)腐殖酸改性制備降濾失劑FLA180，該降濾失劑可降低油基鉆井液的黏度以及顯著地降低高溫失水，使油基鉆井液能抗180 ℃高溫；荊鵬[22]采用石油樹脂、EVA 樹脂為原料合成聚合物，與惰性材料復(fù)配制備能抗超過200 ℃高溫的降濾失劑，由其配制的油基鉆井液黏度低、穩(wěn)定性好，通過化學(xué)、物理作用降低油基鉆井液濾失量。

3 國內(nèi)抗高溫油基鉆井液研究進(jìn)展

東北石油大學(xué)研制的油基鉆井液能抗180 ℃高溫，先后在徐深6-c211 井、葡34-平10 井以及齊平2-平10 井應(yīng)用，其性能穩(wěn)定，護(hù)壁性能強(qiáng)，取代了麥克巴鉆井液，節(jié)約鉆井成本，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益[23]；大慶石油管理局鉆井研究所研制油基鉆井液能夠抗200 ℃，應(yīng)用于葡深1 井，完成井深5 500 m 鉆井工作，鉆進(jìn)過程中，井眼擴(kuò)大率小，為鉆井成本節(jié)約165 萬元[24]；大慶鉆探工程公司合成抗高溫乳化劑配制油基鉆井液在大慶油田GS-3 井（井底溫度可達(dá)200 ℃）應(yīng)用成功，鉆進(jìn)過程中無復(fù)雜情況發(fā)生，井眼擴(kuò)大率小于6%。可取代麥克巴泥漿公司油基泥漿。

4 結(jié)語

穩(wěn)產(chǎn)油氣資源，加大深部油氣藏以及復(fù)雜油氣井的開發(fā)力度。鉆井過程中，要求鉆井液具有優(yōu)異的抗高溫性能，使鉆井液在井壁內(nèi)具有良好的攜巖、護(hù)壁能力。油基鉆井液主要處理劑有乳化劑、有機(jī)土、降濾失劑等，其中乳化劑的乳化能力、抗高溫性能對(duì)油基鉆井液的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用，高溫下乳狀液膜堅(jiān)固，那么親油膠體物質(zhì)如有機(jī)土、降濾失劑能力形成穩(wěn)定的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)來懸浮重晶石，目前，國內(nèi)油基鉆井液處理劑取得一定進(jìn)展，逐步代替國外公司（麥克巴）油基鉆井液體系，仍與國外鉆井液技術(shù)有一定差距。