綠色高性能水基鉆井液研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

司西強(qiáng),王中華

(中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院,河南 濮陽 457001)

近年來,隨著世界環(huán)保要求的日益嚴(yán)格,鉆井液的環(huán)保問題也就越來越凸顯出來。早期鉆井液體系中常含有原油、柴油等各種礦物油以及大量的非環(huán)保化學(xué)劑,不可避免的會(huì)對環(huán)境造成一定影響。為防止鉆井液對地層、土壤和生態(tài)環(huán)境造成不良影響,同時(shí)考慮到復(fù)雜地層對鉆井液性能的要求,需要使用無毒無害的綠色高性能水基鉆井液來滿足現(xiàn)場鉆井施工的綠色、安全、高效鉆進(jìn)。前期國內(nèi)外研究人員在綠色高性能水基鉆井液方面開展了大量研究,鉆井液的綠色化已成為世界范圍內(nèi)鉆井液發(fā)展的必然趨勢[1]。為進(jìn)一步提高對綠色高性能水基鉆井液重要性的認(rèn)識(shí),滿足對綠色高性能水基鉆井液進(jìn)行深入研究的技術(shù)亟需,本文對近年來形成的常見綠色高性能水基鉆井液體系進(jìn)行簡要介紹,主要包括醇基鉆井液、糖基鉆井液、胺基鉆井液等,并在此基礎(chǔ)上對其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望,以期對鉆井液研究人員具有一定啟發(fā)作用。

1 綠色高性能水基鉆井液研究進(jìn)展

1.1 醇基鉆井液體系

醇基鉆井液是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一類新型鉆井液,經(jīng)過近30年的發(fā)展,雖然其作用機(jī)理尚存爭議,但其表現(xiàn)出的優(yōu)良性能得到了研究人員一致認(rèn)可。該類鉆井液抑制及潤滑性能優(yōu)良、配伍性好、無熒光、無毒環(huán)保及利于儲(chǔ)層保護(hù)。最具代表性的是聚合醇鉆井液和聚醚多元醇鉆井液。

1.1.1 聚合醇鉆井液 聚合醇多為聚二醇,也可以是丙三醇或聚甘油,以其為主劑配成的鉆井液統(tǒng)稱為聚合醇鉆井液。聚合醇分子含有多個(gè)羥基,易溶于水,但其溶解度會(huì)隨著溫度升高到某一點(diǎn)后而降低,此時(shí)水溶液呈渾濁狀,這一轉(zhuǎn)折溫度稱為濁點(diǎn)；可以利用聚合醇的濁點(diǎn)效應(yīng)來降低鉆井液的高溫高壓濾失量,以滿足對封堵性能要求較高的地層。

王洪寶等[2]在聚合物鉆井液中加入3%聚合醇JCP-1得到了聚合醇鉆井液。聚合醇的加入對鉆井液性能影響很小,聚合醇加入前后,100 ℃下頁巖回收率由58%升至86%,80 ℃下的泥餅粘附系數(shù)由0.100降至0.038,粘附系數(shù)降低率達(dá)63%。在現(xiàn)場42口井的水平段使用JCP-1聚合醇鉆井液,均未出現(xiàn)鉆井事故。其中,永12平4井鉆具與井壁之間摩阻由280 kN降至90～110 kN；無垮塌掉塊現(xiàn)象,井徑擴(kuò)大率僅6.68%；地層滲透率恢復(fù)值由71.2%升至87.0%,該井投產(chǎn)后產(chǎn)量是鄰井直井的9倍。

于培志等[3]研制了一種聚合醇鉆井液體系,鉆井液流變性及濾失量變化很小,抗溫達(dá)到120 ℃,摩阻系數(shù)降低率達(dá)50%。劉平德等[4]研制了一種新型聚合醇鉆井液。當(dāng)聚合醇加量為3.0%時(shí),得到的聚合醇鉆井液具有較好的熱穩(wěn)定性、抑制性,流變性能優(yōu)良,能夠滿足現(xiàn)場鉆井施工要求。褚奇等[5]將丙三醇、乙二醇和聚乙二醇200等聚合醇產(chǎn)品溶于水,形成鉆井液液相,配合其它處理劑構(gòu)建得到一種新型聚合醇鉆井液,比傳統(tǒng)強(qiáng)抑制鉆井液更有利于抑制地層黏土礦物的水化膨脹分散。

張景紅等[6]介紹了Aqua-drill醇基鉆井液體系在雪古1井的應(yīng)用情況。該體系主處理劑為具有優(yōu)良頁巖抑制性能和潤滑性能的聚乙二醇類化合物Aqua-col。該鉆井液體系在雪古1井應(yīng)用過程中性能穩(wěn)定,流變性及攜巖帶砂效果好,無沉沙粘卡等現(xiàn)象,井壁穩(wěn)定,井眼規(guī)則暢通,起下鉆順利。

1.1.2 聚醚多元醇鉆井液 聚醚多元醇鉆井液是除聚合醇鉆井液之外的一類新型醇基鉆井液體系,主要用于地質(zhì)條件較復(fù)雜地區(qū)和環(huán)境敏感地區(qū)。目前聚醚多元醇種類較多,由于分子結(jié)構(gòu)不同,導(dǎo)致效果各異,使用過程中主要存在抑制性不足、起泡、配伍性差等問題。因此,對聚醚多元醇分子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制成為聚醚多元醇鉆井液體系發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵。

邱正松等[7]以研發(fā)的改性聚醚多元醇構(gòu)建得到了一種聚醚多元醇鉆井液。其抑制防塌機(jī)理包括吸水、滲透、競爭吸附、成膜等作用。呂開河等[8]以多功能聚醚多元醇SYP-1為主劑,配伍優(yōu)選了聚合物包被劑、防塌劑和降濾失劑等關(guān)鍵處理劑,形成了一種新型聚醚多元醇鉆井液。應(yīng)用該體系在LN3-6H井和HD4-23H井鉆進(jìn)過程中,井壁穩(wěn)定,井徑規(guī)則,起下鉆暢通,下套管等完井作業(yè)順利。

1.2 糖基鉆井液體系

1.2.1 烷基糖苷鉆井液

(1)甲基糖苷鉆井液

1997年以來,國內(nèi)相關(guān)研究及應(yīng)用發(fā)現(xiàn),甲基糖苷鉆井液具有良好的抑制、潤滑、環(huán)保及儲(chǔ)層保護(hù)性能[9],當(dāng)鉆井液中甲基糖苷含量接近40%時(shí),可顯著降低鉆井液水活度,形成理想半透膜,阻止鉆井液濾液侵入地層導(dǎo)致的泥頁巖水化膨脹,有效維持井眼穩(wěn)定。

1999年甲基糖苷鉆井液在國內(nèi)新疆沙113井首次現(xiàn)場應(yīng)用[10],應(yīng)用情況表明,該體系通過成膜護(hù)壁作用表現(xiàn)出優(yōu)良的抑制防塌效果,井徑規(guī)則、電測取心一次成功。平均機(jī)械鉆速為9.41 m/h,比鄰井提高47.8%。

2011年甲基糖苷鉆井液在中原油田衛(wèi)383-FP1井[11]等非常規(guī)水平井上成功應(yīng)用。為了控制成本,鉆井液中甲基糖苷的加量僅為15%,對泥頁巖地層的井壁失穩(wěn)問題不能很好的解決,但潤滑性能優(yōu)良,適于鉆探致密砂巖地層。

綜上所述,甲基糖苷鉆井液現(xiàn)場試驗(yàn)效果良好,但也普遍存在著加量大、成本高、抑制及抗溫性能有待提高等問題,限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。今后應(yīng)在甲基糖苷產(chǎn)品本身的分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化上開展研究,合成出高性能的甲基糖苷衍生物,并形成以其為主劑的鉆井液體系。

(2)陽離子烷基糖苷鉆井液

司西強(qiáng)等[12-16]針對烷基糖苷鉆井液在現(xiàn)場應(yīng)用中出現(xiàn)的問題,首次將陽離子烷基糖苷(CAPG)引入鉆井液,研發(fā)得到CAPG鉆井液,其配方組成為：6%CAPG+0.6%降濾失劑LV-CMC+0.6%流型調(diào)節(jié)劑XC+0.4%增黏劑HV-CMC+3%封堵劑WLP+0.4%NaOH+0.2%Na2CO3+24%NaCl+0.4%抗氧化劑NaHSO3。鉆井液性能如下：抗溫達(dá)160 ℃；巖屑一次回收率和相對回收率均接近100%；相對抑制率>91%；極壓潤滑系數(shù)0.097；濾液表面張力19.52 mN/m；中壓濾失量4.0 mL；抗鹽達(dá)飽和,抗CaCl2達(dá)5%,抗膨潤土10%,抗鉆屑10%,抗水侵20%,抗原油10%；巖心的動(dòng)靜態(tài)滲透率恢復(fù)值均大于92%。CAPG鉆井液的各方面性能均優(yōu)于烷基糖苷鉆井液,在陜北、中原、內(nèi)蒙等地區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用80余口井,為現(xiàn)場井壁失穩(wěn)、托壓卡鉆等井下復(fù)雜情況提供了較好的解決措施,應(yīng)用前景廣闊。

(3)NAPG類油基鉆井液(近油基鉆井液)

司西強(qiáng)等[17-19]以自主研發(fā)的聚醚胺基烷基糖苷NAPG作為基液,優(yōu)選增粘劑、降濾失劑、封堵劑等配伍處理劑,構(gòu)建并優(yōu)化形成了綠色、低成本、高性能的NAPG類油基鉆井液體系。該鉆井液性能如下：鉆井液抗溫達(dá)150 ℃,流變性好,動(dòng)塑比0.327,初終切適宜,中壓濾失量0 mL,高溫高壓濾失量6.0 mL；頁巖一次回收率和相對回收率均接近100%；潤滑系數(shù)降低率達(dá)69.62%；濾液表面張力26.60 mN/m；鉆井液抗污染性能好；巖心動(dòng)靜態(tài)滲透率恢復(fù)值均大于91%；鉆井液EC50值為528 800 mg/L,無生物毒性。NAPG類油基鉆井液性能與油基鉆井液相當(dāng),且類油基鉆井液在環(huán)保方面具有顯著優(yōu)勢,適用于強(qiáng)水敏性泥巖、含泥巖等易坍塌地層及頁巖氣水平井鉆井施工,可緩解目前油基鉆井液環(huán)保壓力,擴(kuò)大水基鉆井液適用范圍,應(yīng)用前景廣闊。

1.2.2 聚糖鉆井液 天然聚合糖具有來源豐富、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),得到科研人員廣泛關(guān)注。自20世紀(jì)70年代以來,國內(nèi)外開發(fā)的聚糖類油田化學(xué)品已多達(dá)上百種,在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好效益。目前聚糖鉆井液主要有淀粉鉆井液和植物膠(雜多糖甙)鉆井液。

(1)淀粉鉆井液

淀粉鉆井液是一種具有膨脹性流體特征的聚糖鉆井液體系[20]。主要有以下性能特點(diǎn)：①淀粉在高速攪拌時(shí)會(huì)形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu),導(dǎo)致鉆井液黏度隨動(dòng)切力的增大而升高,靜置時(shí)又恢復(fù)原狀；②淀粉分子上的羥基與黏土表面的氫氧根離子可以形成氫鍵而互相吸附,保持黏土穩(wěn)定的分散狀態(tài),發(fā)揮出較好的降濾失作用；③淀粉分子可膠結(jié)巖石顆粒,同時(shí)在井壁表面形成一層薄而堅(jiān)韌的吸附膜,阻礙水分子進(jìn)入地層內(nèi)部,起到較好的護(hù)壁防塌作用；④淀粉具有優(yōu)異的抗鹽性,可作為飽和鹽水鉆井液中的降濾失劑。

(2)植物膠鉆井液

植物膠主要來源于樹木枝干分泌的粘稠液體或植物果實(shí)的提取物,其主要成分為半乳甘露聚糖形成的天然雜多糖苷,干燥后的外觀為透明或半透明的無定形物質(zhì)。植物膠在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,但鮮見在鉆井液中應(yīng)用的報(bào)道。20世紀(jì)90年代以來,國內(nèi)外將多種植物膠用于鉆井液中[21],表現(xiàn)出較好的應(yīng)用效果。其中江蘇油田成功將雜多糖應(yīng)用于油田鉆探施工并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益[22]。

王越之等[23]以新研制的抗溫抗鹽增粘劑FTVS為基礎(chǔ),開發(fā)了一種多糖鉆井液體系。該體系抗溫達(dá)150 ℃,流變性獨(dú)特,觸變性強(qiáng),配伍性好,抗鹽可達(dá)30%,可生物降解。張潔等[24-25]對天然聚糖SJ分別進(jìn)行了磺化、磷酸酯化、陽離子化改性,得到系列改性聚糖產(chǎn)品,以其為主劑配制得到改性聚糖鉆井液,該體系抗溫達(dá)120 ℃,流變性好,濾失量低,攜巖帶砂效果好,起下鉆順暢。

1.3 胺基鉆井液體系

1.3.1 Ultra Drill高性能水基鉆井液 Patel等研制了Ultra Drill高性能水基鉆井液[26],目前該鉆井液在國外應(yīng)用廣泛,其中包括一些極端氣候環(huán)境。該鉆井液主要以Ultra Hib(堿性抑制劑)和Ultra Cap(陽離子丙烯酰胺)為抑制劑,LV-PAC(聚陰離子纖維素)為降濾失劑,XC(黃原膠)為增黏提切劑,Ultra Free(表面活性劑)為防泥包和潤滑劑。堿性抑制劑聚醚二胺分子鏈上的極性吸附基團(tuán)可在黏土顆粒上發(fā)生強(qiáng)吸附,形成吸附膜,阻止黏土礦物的水化分散。目前Ultra Drill高性能水基鉆井液在大港、冀東及湛江等油田進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用,該鉆井液能夠穩(wěn)定井壁,提高鉆井速度,提高采收率。

1.3.2 聚胺高性能鉆井液 聚胺高性能鉆井液是性能最接近油基鉆井液的水基鉆井液,在深水鉆井領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。邱正松、趙欣等[27-28]研制了一種聚胺強(qiáng)抑制劑SD-A,構(gòu)建得到了適用于深水鉆井的聚胺高性能鉆井液體系。該鉆井液體系抗溫達(dá)150 ℃,且低溫流變性優(yōu)良,2 ℃和25 ℃的表觀黏度比和動(dòng)切力比分別為1.36和1.14；抑制性能優(yōu)異,其抑制頁巖水化分散效果與油基鉆井液相當(dāng)；在模擬1 500 m水深的海底低溫高壓(1.7 ℃,17.41 MPa)條件下,具備120 h抑制水合物生成的能力；抗鈣、抗劣土污染能力強(qiáng)；無生物毒性,能滿足深水鉆井環(huán)保要求。

1.3.3 HPWBM鉆井液(高性能水基鉆井液) HPWBM鉆井液[29]是一種覆膜聚合物高性能水基鉆井液體系,其主要由黏土抑制劑AP-1、可變形封堵防塌劑DS及表面活性劑S-80等組成,具有較好的穩(wěn)定性、封堵性和潤滑性。該體系的黏土抑制劑采用4.5%KCl與胺基化合物復(fù)配使用時(shí)效果最佳；該體系抗污染能力強(qiáng),采用42.795 g/L膨潤土污染的鉆井液坂土含量只有14.265 g/L。該鉆井液在Marlin Leste油田應(yīng)用時(shí),平均鉆速為12 m/h,比使用常規(guī)鉆井液時(shí)快7 m/h,鉆井效率明顯提高。

1.3.4 鋁胺高性能水基鉆井液 鋁胺高性能水基鉆井液[30]的特殊之處在于添加了胺基聚醇(AP-1)及鋁聚合物(DLP-1),受到國內(nèi)外鉆井液技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。在實(shí)際鉆井過程中,頁巖不穩(wěn)定會(huì)造成井壁失穩(wěn),嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致井眼報(bào)廢,而加入鋁聚合物后會(huì)生成氫氧化鋁沉淀,其可與地層礦物質(zhì)結(jié)合而起到固結(jié)井壁的作用,在井壁上形成的物性薄膜能夠起到較好的封堵作用?，F(xiàn)場應(yīng)用情況表明,鋁胺基鉆井液流變性能穩(wěn)定,動(dòng)塑比為0.5,中壓濾失量為2.4 mL,巖心污染后滲透率恢復(fù)值大于90%。該鉆井液在夏103-1HF井及辛176-斜12井成功應(yīng)用,表現(xiàn)出較好的井壁穩(wěn)定及井眼清潔能力。

張浩[31]對有機(jī)胺、鋁基聚合物、物理封堵劑、降濾失劑、潤滑劑和流型調(diào)節(jié)劑等進(jìn)行了優(yōu)選和復(fù)配,確定了鋁胺基鉆井液的配方。該鉆井液強(qiáng)抑制,強(qiáng)封堵,潤滑、流變及抗溫性能優(yōu)良,其所污染巖心的滲透率恢復(fù)值>90%。在夏103-1HF井的現(xiàn)場應(yīng)用表明：該鉆井液流變性能穩(wěn)定,動(dòng)塑比在0.5左右,中壓濾失量控制在2.4 mL以內(nèi),高溫高壓濾失量控制在8 mL以內(nèi),泥餅黏附系數(shù)<0.1,三開井眼井徑規(guī)則,平均井徑擴(kuò)大率僅為2.0%。該鉆井液適用于非常規(guī)大斜度井和水平井。

2 綠色高性能水基鉆井液發(fā)展趨勢

近年來,盡管綠色高性能水基鉆井液的研究及應(yīng)用取得了較大進(jìn)展,取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,但仍存在以下問題：(1)環(huán)保評價(jià)方法與指標(biāo)不統(tǒng)一,特別是缺少方便現(xiàn)場簡單、快速、安全、準(zhǔn)確的環(huán)保性能評價(jià)方法；(2)目前現(xiàn)有的多數(shù)高性能水基鉆井液雖性能優(yōu)良,但成本較高,一定程度上限制了其推廣規(guī)模；(3)鉆井液所用處理劑在環(huán)保性能和鉆井液穩(wěn)定性之間的矛盾沒有得到很好解決；(4)針對近年來頁巖油氣大開發(fā),由于鉆遇裂縫層理發(fā)育地層、破碎帶地層時(shí)的井壁穩(wěn)定難度較大,對鉆井液的綠色環(huán)保、使用成本及防塌潤滑性能等方面要求越來越高,用綠色高性能水基鉆井液替代油基鉆井液的成為鉆井液技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,但現(xiàn)有的綠色高性能水基鉆井液還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)場綠色、安全、經(jīng)濟(jì)、高效鉆進(jìn)的技術(shù)亟需。

因此,未來的綠色高性能水基鉆井液應(yīng)該從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)突破：(1)深入開展鉆井液處理劑分子結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在關(guān)系,為新型綠色環(huán)保處理劑的研發(fā)提供理論支撐；(2)充分利用高性能、來源廣、儲(chǔ)量豐富、廉價(jià)的環(huán)保天然材料,采用綠色工藝,對其進(jìn)行深度化學(xué)改性,制備綠色新型鉆井液處理劑,滿足現(xiàn)場復(fù)雜地層綠色、安全、經(jīng)濟(jì)、高效鉆進(jìn)的技術(shù)亟需；(3)在新型鉆井液處理劑及鉆井液新型體系的推廣應(yīng)用過程中,應(yīng)根據(jù)不同地層的技術(shù)需求,綜合考慮鉆井液性能、成本、環(huán)保之間的關(guān)系,綜合評價(jià)鉆井液應(yīng)用效果,以獲得最佳的綜合效益。(4)大力完善和推廣醇基鉆井液、糖基鉆井液、胺基鉆井液等已經(jīng)具有一定研究和應(yīng)用基礎(chǔ)的綠色高性能水基鉆井液體系,特別是開展作用機(jī)理與油基相近、性能與油基相當(dāng)、且具有油基鉆井液所不具備的環(huán)保優(yōu)勢的近油基鉆井液體系[32]的研發(fā)及推廣,將會(huì)是綠色高性能水基鉆井液實(shí)現(xiàn)突破性發(fā)展的關(guān)鍵。