國(guó)內(nèi)油基鉆井液研發(fā)現(xiàn)狀與思考

黃津松 張家旗 王建華 楊海軍 閆麗麗

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)

0 引言

隨著復(fù)雜深井和非常規(guī)水平井開(kāi)發(fā)的逐步深入，油基鉆井液技術(shù)面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。以塔里木油田庫(kù)車(chē)山前為代表的復(fù)雜深層，同時(shí)面對(duì)異常高壓和巨厚鹽膏層等技術(shù)難題，溢、漏、塌、卡并存，需要用油基鉆井液來(lái)保障鉆井安全，但該區(qū)塊國(guó)產(chǎn)油基鉆井液應(yīng)用比例不足5%，仍存在抗鹽水污染能力和抗超高溫不足等技術(shù)短板[1,2]。川渝、新疆和大慶等非常規(guī)油氣藏采用水平井開(kāi)發(fā)，采用油基鉆井液來(lái)保持井壁穩(wěn)定和減小摩阻，但油基鉆井液經(jīng)過(guò)多次重復(fù)利用后性能難以控制。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)油基鉆井液配方、處理劑和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行了較全面的研究，研制出一系列性能良好的油基鉆井液體系，如抗高溫油基鉆井液、低油水比油基鉆井液、無(wú)粘土油基/合成基鉆井液和全油基油基鉆井液體系等。但是，仍存在頁(yè)巖氣井水平段井壁失穩(wěn)、高溫高密度油基鉆井液流變性難以調(diào)控、油基鉆井液回收再利用等技術(shù)難題。為便于系統(tǒng)了解近年來(lái)國(guó)內(nèi)油基鉆井液技術(shù)的現(xiàn)狀，本文對(duì)國(guó)內(nèi)油基鉆井液技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了梳理，分析了國(guó)內(nèi)油基鉆井液研究現(xiàn)狀、存在的具體問(wèn)題，并探討性地提出未來(lái)的發(fā)展方向。

1 油基鉆井液處理劑研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 乳化劑

乳化劑是保證油基鉆井液性能穩(wěn)定的關(guān)鍵，起到降低油水界面張力，形成穩(wěn)定的保護(hù)膜、防止液滴碰撞聚集的作用[3]。國(guó)內(nèi)目前常用的乳化劑主要有有機(jī)酸、有機(jī)酸酰胺、有機(jī)酸脂、脂肪酸鹽、多元醇脂類(lèi)等。妥爾油脂肪酸與酸酐發(fā)生加合反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的乳化劑，改變了“棒狀”結(jié)構(gòu)，具有更好的乳化能力和抗溫性能[4]。

以三乙醇胺、氯磺酸和十二烷基苯為主要原料，經(jīng)氯化、烷基化和磺化三步反應(yīng)得到一種星型結(jié)構(gòu)的乳化劑，由于其特殊的星型結(jié)構(gòu)，形成的油包水乳狀液電穩(wěn)定性好，較低加量下具有較高的乳化率[5]?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，固體乳化劑易于儲(chǔ)存、運(yùn)輸、添加，包裝運(yùn)輸成本低且計(jì)量方便。

采用油酸(或妥爾油脂肪酸)、二乙烯三胺在催化劑作用下制備的固體粉狀乳化劑EmuL-S，性能與國(guó)外固體乳化劑基本相當(dāng)，制備工藝更簡(jiǎn)單[6]。

1.2 降濾失劑

油基鉆井液用降濾失劑在體系中的主要作用是控制濾失量，部分降濾失劑兼具調(diào)控流變性、輔助乳化的功能，常用產(chǎn)品包括改性腐殖酸類(lèi)、高軟化點(diǎn)瀝青類(lèi)和高分子聚合物類(lèi)。瀝青類(lèi)產(chǎn)品由于不環(huán)保、對(duì)鉆井液流變性影響大和抗溫性能差等問(wèn)題，其應(yīng)用推廣受限[7]。通過(guò)二乙烯三胺和十八烷基三甲基氯化銨對(duì)腐植酸進(jìn)行酰亞胺化改性和親油改性，制備出油基降濾失劑DR-FLCA，降濾失性能良好并有輔助乳化和降黏作用，適用于抗高溫高密度油基鉆井液[8]。以苯乙烯、丙烯酸丁酯和丙烯酸作為單體，合成了水性丙烯酸樹(shù)脂WAR，其封堵性能優(yōu)良，降濾失和抗溫性能均優(yōu)于氧化瀝青。以癸酸乙烯酯和苯乙烯為主要單體，三聚氰酸三烯丙酯為交聯(lián)劑，合成一種聚合物類(lèi)油基鉆井液降濾失劑，具有抗高溫和低毒環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[9]。

1.3 有機(jī)土

有機(jī)土是油基鉆井液中的最基本的親油膠體，起增粘提切、降低濾失量的作用，直接影響鉆井液的流變性和懸浮穩(wěn)定性。有機(jī)土大多是通過(guò)季銨鹽結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物、磷脂衍生物、有機(jī)酸化合物、非離子表面活性劑等對(duì)膨潤(rùn)土改性得到[10]。目前，有機(jī)土存在增粘提切效果差、膠體率低、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。用十八烷基二甲基芐基氯化銨和妥爾油基聚羧酸高聚物和鈉基蒙脫土反應(yīng)形成結(jié)構(gòu)均勻的有機(jī)土復(fù)合物，在低毒油包水鉆井液中耐溫性良好，210℃老化后可保持基本流變性[11]。通過(guò)三種不同季銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)納基膨潤(rùn)土多次改性，然后用聚合物進(jìn)行插層，制備了一種白油基鉆井液用有機(jī)土，其具有良好的增粘提切效果[12]。采用“二次插層固液聯(lián)法”制備的有機(jī)土SINOL GEL，增粘、降濾失效果好，膠體率接近98%，性能接近國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，已形成規(guī)?；瘧?yīng)用[13]。

1.4 封堵劑

油基鉆井液用封堵劑多為瀝青類(lèi)產(chǎn)品，具有一定物理封堵作用，但封堵廣譜性和高溫穩(wěn)定性差，影響流變性。以納微米級(jí)球狀凝膠復(fù)合微米級(jí)剛性粒子和片狀/纖維狀封堵材料形成的復(fù)合封堵劑與油基鉆井液配伍性好，可有效改善泥餅質(zhì)量，隨鉆封堵頁(yè)巖地層微孔、微裂縫，已在涪陵地區(qū)取得較好地現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[14]。采用改性磺化瀝青、碳酸鈣、納米SiO2和苯乙烯丙烯酸酯共聚物等制備的復(fù)合封堵劑PF-MOSHIELD，粒徑分布范圍廣，熱穩(wěn)定性較好，在油相中可均勻分散，對(duì)不同尺度裂縫有一定的封堵能力[15]。使用丙烯酸酯、苯乙烯與丙烯酸等共聚，制備了以丙烯酸樹(shù)脂為殼、石英粉為核的核殼型封堵劑，其對(duì)油基鉆井液流變性能影響小，具有較高的封堵強(qiáng)度和耐高溫性能，可實(shí)現(xiàn)較寬范圍的封堵[16]。

2 油基鉆井液體系研究現(xiàn)狀

2.1 抗高溫高密度油基鉆井液

隨著深層油氣的大力開(kāi)發(fā)，鉆遇地層溫度和壓力越來(lái)越高，高溫高密度油基鉆井液技術(shù)難題越來(lái)越多，主要體現(xiàn)在流變性和穩(wěn)定性難以控制。通過(guò)研制一種新型改性腐殖酸降濾失劑，形成了一套抗高溫高密度全白油基鉆井液，抗溫達(dá)220℃，密度最高至2.4g/cm3[17]。中石油工程院研發(fā)了乳化劑、有機(jī)土、降濾失劑等關(guān)鍵處理劑，形成了最高密度2.6g/cm3、抗溫200℃的抗高溫高密度油基鉆井液，已在塔里木油田庫(kù)車(chē)山前區(qū)塊、川渝頁(yè)巖氣地區(qū)推廣應(yīng)用[18]。

2.2 低油水比油基鉆井液

高油水比油基鉆井液用油量大，產(chǎn)生的鉆屑的含油量高，部分油基鉆井液體系的處理劑用量過(guò)大，為降低鉆井液綜合成本帶來(lái)極大困難[19]。油水比對(duì)油基鉆井液的性能影響顯著，低油水比容易導(dǎo)致油包水乳狀液的流變性、乳化穩(wěn)定變差。李勝等研究了油水比對(duì)油基鉆井液性能的影響，通過(guò)提高乳化劑加量、降低有機(jī)土加量在低油水比條件下獲得了性能優(yōu)良的油基鉆井液，并成功用于焦頁(yè)54-3HF等多口井[20]。李舟軍等研制了一種高切力、低油水比油基鉆井液，油水比可低至70/30，體系抗高溫達(dá)到200℃，在焦頁(yè)54-1hf井成功應(yīng)用[21]。

2.3 無(wú)土相油基鉆井液

無(wú)土相油基鉆井液不含有機(jī)土、瀝青類(lèi)材料等膠質(zhì)組分，因此可獲得較高的機(jī)械鉆速，同時(shí)具備優(yōu)良的流變性和觸變性強(qiáng)，是油基鉆井液發(fā)展的重要方向[22-25]。無(wú)土相油基鉆井液的核心處理劑是提切劑，使用二乙醇胺對(duì)二聚脂肪酸進(jìn)行酰胺化改性，得到一種改性脂肪酸提切劑，其吸附在油水界面上，構(gòu)建了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，起到提切和穩(wěn)定乳液的作用，與改性脂肪酸主乳化劑、脂肪酸酰胺輔乳化劑和水性丙烯酸樹(shù)脂降濾失劑等關(guān)鍵處理劑共同構(gòu)建了一套無(wú)土相油基鉆井液體系，抗溫達(dá)220℃，高溫高壓濾失量可控制在5mL以?xún)?nèi)[26]。以油溶性聚合物提切劑、復(fù)合型乳化劑為核心構(gòu)建了無(wú)土相油基鉆井液體系，配方簡(jiǎn)單，具有高密度下塑性黏度、靜切力低的優(yōu)點(diǎn)，可有效解決因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度太大造成泵壓過(guò)高誘發(fā)的井漏問(wèn)題，為頁(yè)巖氣水平井安全快速鉆進(jìn)提供了技術(shù)保障[27]。

2.4 環(huán)保油基鉆井液

常規(guī)柴油作為基礎(chǔ)油，成本低，但存在芳香烴含量高、毒性大等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足環(huán)保要求，在環(huán)境敏感地區(qū)已限制使用[28]。氣質(zhì)油制備困難，成本高，在“降本增效”的大環(huán)境下難以規(guī)?；茝V應(yīng)用。通過(guò)加氫催化裂化、二級(jí)催化氧化和加氫對(duì)原料油脫硫脫芳得到新型基礎(chǔ)油，其毒性不足柴油的10%，芳香烴含量遠(yuǎn)低于柴油，具有低毒環(huán)保的特點(diǎn)，且滿(mǎn)足配制油基鉆井液的性能要求[29]。以月桂醇為原料，與環(huán)氧氯代烷、和三氟化硼·乙醚反應(yīng)生成月桂醚可作為生物質(zhì)合成基鉆井液用基液，其具有低黏、無(wú)毒的特點(diǎn)，配制的油基鉆井液抗溫達(dá)150℃[30]。以植物毛油為基油，研制配套乳化劑、有機(jī)土和降濾失劑，形成一套抗溫達(dá)150℃的植物油基鉆井液體系，其具有廉價(jià)、環(huán)保無(wú)毒的特點(diǎn)，產(chǎn)生的廢棄物處理成本低廉，綜合成本高[31]。

2.5 全油基鉆井液

全油基鉆井液油水比大于95/5，具有穩(wěn)定性好、易維護(hù)、保護(hù)油氣儲(chǔ)層等優(yōu)點(diǎn)，其可調(diào)控密度范圍廣，在低壓油氣藏中得到了很好的應(yīng)用[32-34]。以低密度礦物油為基礎(chǔ)油，加入多種封堵材料配制了強(qiáng)封堵全油基鉆井液，密度低至0.9～0.95kg/L，其削弱了壓持效應(yīng)，從而提高機(jī)械鉆速，儲(chǔ)層保護(hù)效果提高近10%，在塔中地區(qū)儲(chǔ)層鉆進(jìn)得到很好應(yīng)用[35]。用白油作分散相，優(yōu)選有機(jī)土、有機(jī)土激活劑、乳化劑、降濾失劑、潤(rùn)濕劑等，形成一套密度0.92～2.00g/cm3、抗溫200℃的全油基鉆井液體系，解決了蘇53區(qū)塊超長(zhǎng)裸眼段鉆進(jìn)中的井壁失穩(wěn)難題，機(jī)械鉆速快[36]。

3 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)油基鉆井液經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，市場(chǎng)應(yīng)用比例逐步增長(zhǎng)，但處理劑研發(fā)和體系研究與應(yīng)用方面仍需要進(jìn)一步提高。

(1)提高乳化劑、降濾失劑和有機(jī)土/增粘提切劑的抗溫性，從而形成抗220℃以上超高溫油基鉆井液體系。

(2)需要研發(fā)油基鉆井液用潤(rùn)濕防塌劑和納-微米級(jí)微裂縫封堵材料，解決因頁(yè)巖地層的井壁失穩(wěn)問(wèn)題，研究低成本、高效能油溶性絮凝劑，清除老漿中微米-亞微米級(jí)有害固相，形成強(qiáng)封堵頁(yè)巖氣版油基鉆井液體系。

(3)研制高效乳化劑，形成性能穩(wěn)定的低油水比油基鉆井液體系，降低油基鉆井液成本，減輕環(huán)保壓力。

(4)優(yōu)化抗高溫高密度鉆井液體系，實(shí)現(xiàn)井底-地面大溫差下的流變性調(diào)控，提高體系的抗高溫沉降穩(wěn)定性。

(5)優(yōu)選或制備低毒環(huán)?；A(chǔ)油，研發(fā)配套處理劑，形成低毒環(huán)保油基鉆井液體系。

(6)分區(qū)域研究制定統(tǒng)一的處理劑標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)規(guī)范，形成適合不同區(qū)塊的統(tǒng)一油基鉆井液體系，解決長(zhǎng)水平段井壁失穩(wěn)、高溫沉降穩(wěn)定等重大技術(shù)難題。