強(qiáng)抑制高潤滑丙三醇基鉆井液體系研究與性能評價(jià)

趙素麗

（1. 頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

油基鉆井液能較好地滿足水敏性地層和頁巖氣儲層的井壁防塌、起下鉆防卡等鉆井需求，但存在污染環(huán)境、影響錄井質(zhì)量和成本高等問題，研發(fā)與油基鉆井液抑制性和潤滑性接近的水基鉆井液及相應(yīng)處理劑一直是研究的熱點(diǎn)[1–5]。前人的研究結(jié)果表明，烷基糖苷及其改性物、聚合醇和低碳醇均具有較好的抑制性和潤滑性[6–7]，含25%聚醚胺基烷基糖苷的鉆井液其性能與油基鉆井液接近[8]。20世紀(jì)80年代，Hydra鉆井液公司開發(fā)了體積分?jǐn)?shù)25%～30%的丙三醇鉆井液，解決了密西西比頁巖的水化問題，并且可重復(fù)利用[9–10]；MI公司用體積分?jǐn)?shù)70%以上的乙二醇配制成鉆井液，成功用于墨西哥灣強(qiáng)水敏性地層[11]。D. G. Pomerleau等人[12–14]利用不同體積分?jǐn)?shù)的丙三醇配制了鉆井液，抑制性與油基鉆井液接近，抗溫121 ℃；C. C.Corrêa等人[15]研究認(rèn)為，丙三醇體積分?jǐn)?shù)大于50%的鉆井液其流變性好、界面張力低，在124 ℃以下具有較好的熱穩(wěn)定性。張敬輝等人[16]以質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%～70%的丙三醇或乙二醇為基液，研制出了活度小于0.80的鉆井液，抗溫140 ℃；褚奇等人[17]的研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%丙三醇溶液的抑制性比25%烷基糖苷溶液及其他抑制劑溶液更好。以上研究鉆井液中的低碳醇體積分?jǐn)?shù)均高于25%，但總體而言，對低碳醇鉆井液的研究較少，且缺少低碳醇及其體積分?jǐn)?shù)對鉆井液性能影響規(guī)律的研究。陳聰?shù)热薣18]研究認(rèn)為，隨著丙三醇體積分?jǐn)?shù)增大，溶液之間的氫鍵作用力發(fā)生變化，表明低碳醇的體積分?jǐn)?shù)影響醇與水之間的水合作用，并影響處理劑選擇及鉆井液性能。

為此，筆者研究了不同低碳醇及其體積分?jǐn)?shù)對鉆井液性能的影響，并進(jìn)行配方優(yōu)化，研制出了丙三醇基鉆井液。性能評價(jià)結(jié)果表明，丙三醇基鉆井液具有強(qiáng)抑制、高潤滑的特性，抗污染能力好，可重復(fù)利用。

1 低碳醇優(yōu)選及加量優(yōu)化

常規(guī)多元醇鉆井液主要以聚合醇為抑制劑，利用其濁點(diǎn)效應(yīng)物理封堵穩(wěn)定井壁，一般加量不超過5%[19–22]。低碳醇和水能夠以任意比例互溶，不需要乳化劑，形成的基液均勻穩(wěn)定，因此優(yōu)選合適的低碳醇配制鉆井液基液。

1.1 低碳醇優(yōu)選

稱取10.0 g鈉膨潤土裝在模具杯中，壓實(shí)壓緊，在41.38 MPa下穩(wěn)壓30 min。將脫模的膨潤土壓塊分別浸泡在體積分?jǐn)?shù)50%的乙二醇、丙三醇和聚乙二醇600溶液中，利用OFI膨脹儀評價(jià)測定膨潤土在不同低碳醇溶液中的膨脹率，結(jié)果如圖1所示。

圖 1 膨潤土在不同低碳醇溶液中的膨脹率Fig. 1 Swelling rate of bentonite in different low carbon alcohol solutions

從圖1可以看出，膨潤土在丙三醇、乙二醇和聚乙二醇600溶液中浸泡24 h后的膨脹率分別是30%，40%和36%，遠(yuǎn)低于其在水中的膨脹率（83%）。3種低碳醇對膨潤土均具有較好的抑制性，20 h后膨潤土的膨脹率基本不再發(fā)生變化，其中丙三醇溶液對膨潤土的抑制效果最好。分析認(rèn)為，低碳醇分子優(yōu)先吸附在膨潤土表面，形成體積較大的吸附層，阻礙了水分子在膨潤土表面的附著和侵入分子層間，從而減弱了膨潤土的水化膨脹。聚乙二醇價(jià)格高，而乙二醇的毒性比丙三醇大，綜合考慮，選擇環(huán)境友好的丙三醇。

1.2 丙三醇加量優(yōu)化

1.2.1 膨脹抑制性

將制備的膨潤土壓塊分別浸泡在清水和不同體積分?jǐn)?shù)的丙三醇溶液中，利用OFI膨脹儀測定膨潤土的膨脹率，結(jié)果如圖2所示。

圖 2 膨潤土在不同體積分?jǐn)?shù)丙三醇溶液中的膨脹率Fig.2 Swelling rate of bentonite in glycerol solutions with different volume fraction

從圖2可以看出，膨潤土在體積分?jǐn)?shù)30%的丙三醇溶液中浸泡24 h后的膨脹率為41%，在體積分?jǐn)?shù)60%的丙三醇溶液中為25%。丙三醇體積分?jǐn)?shù)越大，膨潤土的膨脹率越低，抑制性越好；丙三醇體積分?jǐn)?shù)超過30%以后，膨潤土膨脹率的降低幅度變緩。分析認(rèn)為，丙三醇體積分?jǐn)?shù)越大，膨潤土顆粒吸附的丙三醇量越大，形成的吸附保護(hù)層越厚，水分子接觸膨潤土并進(jìn)入膨潤土層間的概率越小，從而抑制了膨潤土的水化膨脹。

1.2.2 分散抑制性

將膨潤土壓塊浸泡在不同體積分?jǐn)?shù)的丙三醇溶液中，通過觀察膨潤土壓塊的狀態(tài)，評價(jià)丙三醇抑制膨潤土壓塊水化分散的性能，結(jié)果見圖3。

圖 3 膨潤土壓塊在不同體積分?jǐn)?shù)丙三醇溶液中的狀態(tài)Fig.3 State of bentonite briquetting in glycerol solutions with different volume fractions

從圖3可以看出，膨潤土壓塊在清水中水化分散嚴(yán)重，浸泡4 h后已完全分散。相比較而言，膨潤土壓塊在丙三醇溶液中浸泡24 h后邊緣輪廓仍較為明顯，且丙三醇的體積分?jǐn)?shù)越大，邊界越清晰；壓塊在60%丙三醇溶液浸泡24 h取出后仍具有較高的硬度，表明丙三醇基液具有良好的抑制膨潤土水化分散的能力，且體積分?jǐn)?shù)越大，抑制性能越好。

1.2.3 潤滑性

丙三醇分子中含有3個(gè)羥基和烷基基團(tuán)，能夠在鉆具、套管表面及井壁巖石上產(chǎn)生強(qiáng)力吸附，烷基作為親油基朝外規(guī)則排列，形成非常穩(wěn)定且有一定強(qiáng)度的潤滑膜，因此具有良好的潤滑性，有利于減小鉆井施工中的扭矩和阻力。利用Fann潤滑儀測定不同體積分?jǐn)?shù)丙三醇溶液的潤滑系數(shù)，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨丙三醇體積分?jǐn)?shù)增大，其潤滑系數(shù)降低，體積分?jǐn)?shù)30%丙三醇的潤滑系數(shù)為0.14，體積分?jǐn)?shù)50%丙三醇的潤滑系數(shù)與油基鉆井液（0.08～0.09）接近，表明其潤滑性與油基鉆井液相當(dāng)。

圖 4 不同體積分?jǐn)?shù)丙三醇溶液的潤滑系數(shù)Fig. 4 Lubrication coefficient of glycerol solutions with different volume fractions

1.2.4 黏度

基液黏度高，構(gòu)建鉆井液體系時(shí)可以降低增黏劑加量，但黏度太高會影響其他處理劑的選擇。利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，考察了不同體積分?jǐn)?shù)丙三醇溶液的流變性，結(jié)果見表1。

表 1 不同體積分?jǐn)?shù)丙三醇溶液的流變性Table 1 Rheological properties of glycerol solutions with different volume fractions

從表1可以看出，隨著丙三醇體積分?jǐn)?shù)升高，其溶液的表觀黏度明顯升高；但丙三醇溶液的動切力偏低，需加入流性調(diào)節(jié)劑來改善鉆井液的動切力。

2 鹽類優(yōu)選及加量優(yōu)化

以上研究表明，丙三醇體積分?jǐn)?shù)越高，其抑制性和潤滑性越好，但成本也隨之升高。考慮成本因素，在30%體積分?jǐn)?shù)丙三醇溶液中配伍使用鹽類，以達(dá)到協(xié)同抑制的效果。

2.1 鹽類優(yōu)選

在30%體積分?jǐn)?shù)丙三醇溶液中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的甲酸鉀、氯化鉀和硅酸鈉，利用OFI膨脹儀測定膨潤土壓塊在其中的膨脹率，結(jié)果見圖5。

圖 5 膨潤土在丙三醇與不同鹽復(fù)配溶液中的膨脹率Fig. 5 Swelling rate of bentonite in mixed solution of glycerol and different salts

從圖5可以看出，丙三醇?鹽溶液比丙三醇溶液的抑制性更好，丙三醇?硅酸鈉溶液的抑制性最好。這是因?yàn)?，丙三醇、鹽與水形成的溶液中，鹽的陽離子也吸附到膨潤土表面，使其抑制性增強(qiáng)。考慮硅酸鈉需要在高pH值下才能發(fā)揮作用，流變性調(diào)控難度大，故選用KCl。體積分?jǐn)?shù)30%的丙三醇與5%KCl復(fù)配后，膨潤土24 h 水化膨脹率由41%降至24%，與60%體積分?jǐn)?shù)丙三醇溶液相當(dāng)。丙三醇溶液的黏度基本不受鹽的影響，這也與Thomas E.Peterson的研究結(jié)果吻合[9–10]。

2.2 KCl加量優(yōu)化

由于丙三醇和水的強(qiáng)水合作用，丙三醇溶液中同時(shí)存在丙三醇?丙三醇?xì)滏I和丙三醇?水氫鍵，削弱了水與其他組分的作用力，改變了水對其他溶質(zhì)的溶解性。在100 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的丙三醇溶液中加入KCl，考察KCl加量對丙三醇溶液的影響，結(jié)果見表2。

表 2 KCl加量對丙三醇溶液性能的影響Table 2 Effect of KCl dosage on the properties of glycerol solution

從表2可以看出，KCl對丙三醇溶液的黏度沒有影響。在25 ℃ 溫度下，KCl的溶解度為36.0 g，100 g丙三醇溶液中含水70 g，理論上能溶解KCl 25.2 g，但實(shí)際KCl加量超過20.0 g后，即出現(xiàn)不溶物，說明此時(shí)溶液中的KCl已達(dá)飽和；同時(shí)，試驗(yàn)表明KCl在質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%丙三醇溶液中的溶解量為18.0 g，低于理論值21.6 g，也驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)果，與陳聰?shù)热薣23–24]的研究結(jié)果相符。

考慮配制鉆井液還要加入膨潤土及其他處理劑，選擇體積分?jǐn)?shù)30%的丙三醇與質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的KCl復(fù)配作為鉆井液基液。在環(huán)保要求高的地層，可以提高丙三醇體積分?jǐn)?shù)，降低KCl加量。

3 丙三醇基鉆井液體系構(gòu)建與性能評價(jià)

體積分?jǐn)?shù)30%的丙三醇溶液與5%的KCl復(fù)配后，通過試驗(yàn)優(yōu)化膨潤土加量和優(yōu)選增黏劑、封堵劑及降濾失劑，利用NaOH將體系的pH值調(diào)整為9.0，利用Na2SO3除去體系中的氧，提高高溫穩(wěn)定性，用聚陰離子纖維素調(diào)節(jié)體系黏度、用抗高溫改性淀粉降低濾失量、用抗高溫封堵劑封堵微裂隙，形成丙三醇基鉆井液體系。其配方為30.00%丙三醇+5.00%KCl+0.05%NaOH+3.00%鈉膨潤土+0.20% PAC（聚陰離子纖維素）+0.20%SMART（抗高溫改性淀粉）+2.0 0%N F A-2 5（抗高溫封堵劑）+0.50% Na2SO3+重晶石，密度1.16 kg/L。形成的濾餅薄而致密，表面光澤，放置3 d后仍然保持很好的濕度和彈韌性，說明自由水被束縛在鉆井液體系中，不容易滲透進(jìn)入地層。

3.1 抗溫性能

將密度為1.40 kg/L的丙三醇基鉆井液分別在不同溫度下熱滾16 h，用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測定其熱滾后的流變性，用API濾失儀和高溫高壓濾失儀測定其濾失量，結(jié)果見表3。

表 3 丙三醇基鉆井液在不同溫度下熱滾后的流變性Table 3 Rheological properties of glycerol-based drilling fluid after heat rolling at different temperatures

從表3可以看出，溫度低于140 ℃時(shí)，隨著溫度升高，丙三醇基鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動切力略有降低，但總體變化不大；溫度達(dá)到150 ℃時(shí)，表觀黏度、塑性黏度和動切力均明顯增大，濾失量大幅升高，表明該鉆井液適用于140 ℃以下地層。地層溫度超過140 ℃時(shí)，需要配合磺化材料使用；將抗高溫改性淀粉替換為2%磺甲基酚醛樹脂后，鉆井液在溫度150 ℃下熱滾后的API濾失量小于5 mL，高溫高壓濾失量小于10 mL。

3.2 膨脹抑制性

將膨潤土壓塊分別浸泡在密度1.40 kg/L的丙三醇基鉆井液、聚胺氯化鉀鉆井液和混油頁巖水基鉆井液中，用OFI膨脹儀測定膨潤土不同浸泡時(shí)間下的膨脹率，結(jié)果如圖6所示。其中，聚胺氯化鉀鉆井液配方：4.00%鈉膨潤土+0.30% KPAM+7.00%KCl+1.00%聚胺+0.20%XC+0.50%PFL-H+重晶石；混油頁巖水基鉆井液配方：4.00%鈉膨潤土+15.00%柴油+5.00%KCl+0.10%乳化劑+0.30%XC+0.50%PFL-H+重晶石。

圖 6 膨潤土在不同鉆井液中的膨脹率Fig.6 Swelling rate of bentonite in different drilling fluids

從圖6可以看出，膨潤土在丙三醇基鉆井液、聚胺氯化鉀鉆井液和混油頁巖水基鉆井液中浸泡44 h后的膨脹率分別為24.1%、34.2%和32.6%，表明丙三醇基鉆井液具有較好的抑制性。提高丙三醇的體積分?jǐn)?shù)，可進(jìn)一步增強(qiáng)其抑制膨潤土水化膨脹的能力；當(dāng)丙三醇的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到45%時(shí)，膨潤土浸泡48 h后的膨脹率小于10.0%。

3.3 巖屑滾動回收率

取玉北3-1上部水敏性地層的巖屑，用6目和10目的雙層分樣篩篩析，取中間篩余巖屑備用。稱取10.0 g巖屑，分別放在密度1.40 kg/L的丙三醇基鉆井液、聚胺氯化鉀鉆井液和混油頁巖水基鉆井液中，在130 ℃下滾動16 h后，用40目篩過濾巖屑，洗凈烘干后稱量，計(jì)算巖屑的回收率，結(jié)果見圖7。

圖 7 巖屑在不同鉆井液的滾動回收率Fig.7 Rolling recovery of cuttings in different drilling fluids

從圖7可以看出，水敏性巖屑在丙三醇基鉆井液中的滾動回收率達(dá)到97.6%，表明丙三醇基鉆井液能夠很好地抑制巖屑分散。

3.4 潤滑性

采用Fann潤滑儀測定密度1.40 kg/L丙三醇基鉆井液、聚胺氯化鉀鉆井液（加入0.5%潤滑劑）、混油頁巖水基鉆井液和油基鉆井液的潤滑系數(shù)，結(jié)果見圖8。

圖 8 不同鉆井液的潤滑系數(shù)Fig.8 Lubrication coefficient of different drilling fluids

從圖8 可以看出，丙三醇基鉆井液的潤滑系數(shù)為0.115，低于聚胺氯化鉀鉆井液，與混油水基鉆井液及油基鉆井液接近。說明其潤滑性能較好，與混油水基鉆井液及油基鉆井液相當(dāng)。

3.5 抗污染能力

在密度為1.40 kg/L的丙三醇基鉆井液中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl、CaCl2和巖屑（取自玉北3-1上部水敏性地層，過100目篩），在130 ℃下熱滾16 h后，測定其表觀黏度、塑性黏度、動切力和濾失量，結(jié)果見表4。

表 4 丙三醇基鉆井液抗污染能力測試結(jié)果Table 4 The antipollution capacity of glycerol-based drilling fluids

從表4可以看出，丙三醇基鉆井液分別能夠抗10.0%NaCl、1.5%CaCl2和10.0%鉆屑污染。分析認(rèn)為，其抗污染性能好的原因主要是：1）鉆井液內(nèi)部形成的強(qiáng)結(jié)構(gòu)力削弱了外界因素的影響；2）丙三醇的體積分?jǐn)?shù)高，降低了NaCl和CaCl2在鉆井液中的溶解度，且NaCl和CaCl2的體積分?jǐn)?shù)超過其容納極限后，只能以固體形式存在，不能溶解到鉆井液中，對鉆井液性能影響小。

3.6 穩(wěn)定性

在密度1.40 kg/L的丙三醇鉆井液中加入0.5%抗氧化劑，密封放置一段時(shí)間后，分別測試鉆井液在常溫和130 ℃下熱滾16 h后的常規(guī)性能，結(jié)果見表5。

表 5 丙三醇基鉆井液穩(wěn)定性測試結(jié)果Table 5 Stability test results of a glycerol-based drilling fluid

從表5可以看出，丙三醇基鉆井液具有良好的穩(wěn)定性，放置180 d后性能變化不大，可正常使用，說明該鉆井液可以重復(fù)利用，從而可節(jié)省鉆井液費(fèi)用。研究認(rèn)為，丙三醇及KCl降低了自由水及其中氧的溶解量，提高了體系的穩(wěn)定性；同時(shí)，丙三醇也是很好的保濕劑，放置180 d后，鉆井液上部未出現(xiàn)“干皮”現(xiàn)象。

以上研究表明，丙三醇基鉆井液具有較好的抑制泥頁巖水化分散膨脹的性能，潤滑性能與油基鉆井液接近，抗溫140 ℃，能夠抗10.0%NaCl、1.5%CaCl2和10.0%鉆屑的污染，放置180 d后仍能正常使用。丙三醇基鉆井液中不含磺化處理劑，環(huán)境友好，為開發(fā)環(huán)保鉆井液提供了新的技術(shù)思路。

4 結(jié)論與建議

1）考察了不同低碳醇及其加量對鉆井液抑制性和潤滑性的影響，優(yōu)選丙三醇作為抑制潤滑劑。

2）丙三醇溶液具有較好的抑制性和潤滑性，丙三醇體積分?jǐn)?shù)越大，抑制性和潤滑性越好。將體積分?jǐn)?shù)30%的丙三醇溶液與5%KCl復(fù)配作為基液，構(gòu)建了丙三醇基鉆井液，其抑制潤滑性好，抗溫140 ℃，抗鹽、鈣和鉆屑污染能力較強(qiáng)，可重復(fù)使用。

3）由于丙三醇的加量大，導(dǎo)致丙三醇基鉆井液成本高，限制了其應(yīng)用，建議下一步進(jìn)行丙三醇基鉆井液重復(fù)利用及配套工藝、鉆井液體系優(yōu)化、提高其抗溫性和丙三醇改性及改性物等方面的研究，以降低丙三醇加量，提高丙三醇基鉆井液的抑制性、潤滑性和抗溫性。