強(qiáng)抑制性強(qiáng)潤滑性仿油基鉆井液研究進(jìn)展

曾佳

(長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

在鉆遇復(fù)雜地層時，井壁黏土層長時間與鉆井液接觸，極易引起黏土層吸水膨脹，導(dǎo)致卡鉆、井壁坍塌等事故。油基鉆井液具有超強(qiáng)的抑制性、抗污染性、耐溫性和潤滑性，但是鉆井結(jié)束后引起的安全環(huán)保、含油鉆屑處理等問題一直困擾著石油工作人員[1-7]。因此研究學(xué)者們嘗試平衡油基鉆井液的優(yōu)缺點(diǎn)，在保障油基鉆井液的基本性能前提下，開發(fā)出強(qiáng)抑制性強(qiáng)潤滑性仿油基鉆井液(以下簡稱POBM)。本文對一系列技術(shù)已經(jīng)比較成熟的POBM展開綜述，旨在了解各種POBM的作用機(jī)理，促進(jìn)POBM體系的設(shè)計(jì)、改良，最大限度地實(shí)現(xiàn)高效、安全、環(huán)保鉆井。

1 POBM及其作用機(jī)理

POBM這個概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，與通常所提的低毒鉆井液、環(huán)保型鉆井液、強(qiáng)抑制性鉆井液不同的是，POBM特指抑制性、潤滑性、流變性等綜合性能媲美油基鉆井液的一類鉆井液[8-10]，簡單來講就是通過在水基鉆井液中添加關(guān)鍵處理劑，形成的一種各項(xiàng)性能比擬油基鉆井液的一種鉆井液體系。

油基鉆井液的發(fā)展歷程始終貫穿有保護(hù)環(huán)境的因素，其中POBM綜合性能趕超油基鉆井液，更重要的是POBM不需要基礎(chǔ)油作為連續(xù)相，能從根源上解決油基鉆井液的生物毒性、環(huán)保、含油鉆屑處理等問題[11]。陸地POBM比海上POBM早，另一方面海水環(huán)境及海上鉆井平臺限制了海上POBM的發(fā)展[12]，相關(guān)報道比較少。因此主要綜述的是一系列技術(shù)已經(jīng)比較成熟的陸地POBM。

1.1 聚合醇POBM

油田早期大都使用聚合醇鉆井液代替油基鉆井液，尤其在鹽膏層和頁巖地層中使用效果更佳，常用的聚合醇主要是聚乙二醇和聚乙烯二醇，其優(yōu)異的抑制性和潤滑性主要有兩方面。

濁點(diǎn)效應(yīng)：聚合醇作為非離子型表面活性劑具有濁點(diǎn)，其濁點(diǎn)為76 ℃。當(dāng)聚合醇進(jìn)入近井地帶，聚合醇完全溶解于液相，增加鉆井液的潤滑性，降低近井地帶摩擦阻力[13]。隨著鉆井垂深增加，地層溫度逐漸升高，當(dāng)?shù)貙訙囟瘸^76 ℃時，聚合醇由完全溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠秩芙鉅顟B(tài)，析出的聚合醇微粒吸附在黏土層表面的微孔中，封堵地層孔隙，從而抑制黏土水化膨脹。當(dāng)鉆井液返排回地面時，地面溫度一般低于76 ℃，微粒聚合醇又會重新融入鉆井液，既不會堵塞振動篩篩網(wǎng)，還能實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。

競吸附作用：聚合醇容易與黏土形成氫鍵，超強(qiáng)穩(wěn)定性氫鍵吸附在黏土顆粒表面，搶占了水的吸附面積，聚合醇與水形成一種競爭吸附關(guān)系，在很大程度上杜絕了水與黏土反應(yīng)[14-15]。許多資料表明，當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)時，附著在井壁的聚合醇濃度增加，競吸附作用效果越明顯。兩者表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，共同穩(wěn)定井壁以及潤滑鉆具。

川西F38-P3、F38-P6兩口頁巖氣井水平段地層是橫向裂縫發(fā)育為主的泥頁巖，主要產(chǎn)氣層埋藏深、泥頁巖穩(wěn)定性差、對激動壓力比較敏感。為了解決上述問題，冷朝君[16]采用2%聚合醇+5%搬土漿+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV強(qiáng)抑制性仿油基鉆井液鉆進(jìn)。實(shí)鉆情況表明兩口井二開機(jī)械鉆速超過6 m/h，動塑比均在0.2～0.5之間，濾失量<3 mL，塑性黏度不超過30 mPa·s，流變性比較規(guī)律容易調(diào)控。反排回井口的鉆井液潤滑系數(shù)在0.02～0.05之間，固相含量不超過20%，含砂量不超過1%，表明聚合醇鉆井液抑制了泥頁巖的穩(wěn)定性差的問題，以及降低了鉆進(jìn)摩阻提高了機(jī)械鉆速，應(yīng)用效果良好。

蔣巍[17]為解決深水地層井壁穩(wěn)定性差以及鉆井液與海水配伍性差的問題，研制出一種海上聚合醇硅酸鈉仿油基鉆井液體系。配方為：現(xiàn)場海水+5.0%膨潤土+5.0%碳酸鈉+0.4%PAC+0.7%HA樹脂+3.0%Na2SiO3+5.0%聚乙二醇。流變性測試結(jié)果表明，聚乙二醇的加入會使鉆井液增稠，但是失水量有所減少，頁巖滾動回收率有所增加，最大能達(dá)到88%的滾動回收率，泥餅致密且均勻，平均厚度約為0.5 mm。80 ℃條件下熱滾16 h，測試鉆井液浸泡后的頁巖膨脹高度，數(shù)據(jù)顯示頁巖膨脹高度僅為0.44 mm?？刮廴拘阅茉u價表明，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%的CaCl2對鉆井液流變性影響不大，鉆井液沉降穩(wěn)定性良好，比較適合海上平臺鉆井。

隨著鉆井深度加深，地層條件愈加復(fù)雜，單一主鏈的聚合醇POBM難以滿足日益復(fù)雜的鉆井工況需求[18]，因此研究學(xué)者們通過在聚合醇主鏈上引入不同功能性支鏈，例如聚醚醇、丙三醇、季戊四醇、胺基硅醇，制得多元聚合醇POBM。這些多元聚合醇POBM都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場應(yīng)用且效果顯著，總的來說聚合醇POBM是目前使用效果比較優(yōu)異的POBM體系。

1.2 甲基葡萄糖甙POBM

甲基葡萄糖甙(MEG)是聚糖類高分子物質(zhì)，有兩種同分異構(gòu)體，都為環(huán)式單體。以MEG為主要添加劑的鉆井液，具有良好的抑制黏土水化膨脹的性能。Teixeira[19]提出MEG分子進(jìn)入地層后，四個親水性羥基吸附在黏土表面，一個親油性甲氧基指向外側(cè)，可以在井壁上形成一層疏水性半透膜，抑制水分穿梭井壁，從而抑制黏土水化膨脹。Natsi等[20]也展開了MEG鉆井液的研究，提出MEG分子中的羥基可以與水分子形成氫鍵，牢牢鎖住黏土中的水分。最后，國內(nèi)的梁燕[21]提出疏水性半透膜兩側(cè)存在滲透壓，提高M(jìn)EG溶液的濃度，抑制效果越好，進(jìn)一步補(bǔ)充完善了MEG鉆井液的作用機(jī)制。

Alef等[22]在墨西哥灣近海區(qū)域，水敏性頁巖地層中采用MEG無機(jī)鹽鉆井液的現(xiàn)場試驗(yàn)，鉆井液中MEG液相組分為：80.2%MEG+17.49%水+1.75%氯化鈉+0.55%無機(jī)鹽+0.01%乙酸。120 ℃ 條件下測其基本性能，測得MEG鉆井液塑性黏度為17 cP、θ6讀數(shù)為71 b/100 ft2，漿體穩(wěn)定且流變性良好。HTHP為1.0 mL、井內(nèi)無垮塌掉塊、巖屑滾動回收率高、LC50值超過10 000 mg/L，表明MEG鉆井液具有良好的濾失性和抑制性，且生物毒性低。

遼河油田進(jìn)入油田開發(fā)中后期，已經(jīng)開始采用水平井開采薄油層，為解決薄油層水平井安全快速鉆進(jìn)問題，王希芹[23]室內(nèi)通過大量篩選實(shí)驗(yàn)總結(jié)出MEG仿油基鉆井液經(jīng)典配方：5%基漿+1%稀釋劑+2%復(fù)合防塌劑+3%降濾失劑+2%潤滑劑+15%～20%MEG+0.1%流型調(diào)節(jié)劑。通過對比MEG鉆井液與兩性離子鉆井液、甲酸鹽鉆井液、聚硅氟鉆井液、油基鉆井液相同測試條件下的基礎(chǔ)性能，發(fā)現(xiàn)MEG鉆井液和油基鉆井液流變性明顯比其它鉆井液優(yōu)異，動切力是強(qiáng)抑制性甲酸鹽鉆井液的2倍。MEG鉆井液滲透率恢復(fù)值比兩性離子鉆井液高出53.7%，抑制頁巖水化能力與油基鉆井液相當(dāng)，但是潤滑系數(shù)比油基鉆井液高出25%，具有優(yōu)異的抑制與潤滑性能。

MEG雖然性能優(yōu)良，但是基礎(chǔ)加量高達(dá)20%，成本高昂。為此，Kim[24]向MEG鉆井液體系中加入KCl增強(qiáng)其抑制能力，形成KCl-MEG仿油基鉆井液。經(jīng)過加量優(yōu)選后，確定了MEG的最優(yōu)加量為4%，該鉆井液中巖心2，16 h后線性膨脹率分別為2.564 2%，2.854 3%，熱滾16 h后巖屑回收率高達(dá)95.04%，與油基鉆井液相比，穩(wěn)定性好、抑制性高、潤滑性能強(qiáng)，并且極大縮減了MEG的加量，降低了MEG仿油基體系的配制成本。

1.3 聚胺POBM

氨基陽離子具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抑制性，因此聚胺鉆井液是近年來POBM鉆井液的研究熱門[25]。一般在氫氣與催化劑共同作用下，聚醚多元醇與液氨臨氫胺化生成聚胺，重復(fù)單元為端氨基聚醚，在水溶液中，聚胺完全水溶但不水解[26]。隨鉆井液進(jìn)入地層后，氨基陽離子極易嵌入黏土表層，吸附黏土表層靜電黏土顆粒，降低黏土顆粒間斥力，縮短黏土顆粒間距，形成致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制水分子運(yùn)移。另一方面，聚胺分子鏈上有疏水性C10～C20的烴基，當(dāng)親水性氨基嵌入地層后，疏水性烴基指向井筒內(nèi)部，增強(qiáng)了井壁表面的疏水性，兩者共同作用抑制黏土水化[27-29]。

Voitenko等[30]開發(fā)出一種強(qiáng)抑制性聚胺水基鉆井液HIWBM，該鉆井液主要由聚胺抑制劑、黃原膠增粘劑、聚陰離子纖維素降失水劑組成。配方簡單，不受水源的限制，可以在淡水、海水、NaCl鹽水中達(dá)到飽和狀態(tài)。HIWBM已在墨西哥灣現(xiàn)場應(yīng)用，與該地區(qū)原始使用的合成基鉆井液相比，抑制性能優(yōu)良，沒有在鉆具組合上發(fā)現(xiàn)泥球或者殘留巖屑，表明鉆出的巖屑封裝性好，沒有發(fā)生水化。96 h LC50值超過40 000 mg/L，完全沒有毒性，可直接排放。并且該體系是直接由海水配制，無需廢棄物處理設(shè)備，減少了作業(yè)船的體積，節(jié)約了成本，與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合使用，復(fù)合鉆進(jìn)速度提高了85%。Pino[31]室內(nèi)合成一種強(qiáng)抑制性聚胺抑制劑SD-A，該體系抑制水化作用強(qiáng)，100 min頁巖膨脹率僅為3%，巖屑熱滾回收率>95%；流動性高，動切力為31.0 Pa，動塑比為1.07，能夠有效舉升巖屑；極壓潤滑系數(shù)為0.095 05，潤滑性能優(yōu)良，各項(xiàng)性能接近油基鉆井液。

以上單組分聚胺抑制體系POBM雖然各項(xiàng)性能接近油基鉆井液，但是該體系的強(qiáng)抑制性部分歸因于聚胺的高額加量，加量超過了5%。作為外摻處理劑，這種加量顯然是不合理的。所以近幾年來國內(nèi)外諸多學(xué)者展開復(fù)合聚胺協(xié)同體系研究，以聚胺為主抑制劑，聚合醇、MEG、鋁酸鹽為輔抑制劑，研發(fā)出一系列低加量、低成本、超強(qiáng)抑制性的復(fù)合聚胺協(xié)同體系[32-34]。

Liu等[35]研制出聚胺加量為1%聚醇-聚胺POBM，使用頁巖膨脹儀測其膨脹率，與不添加聚乙二醇的聚胺POBM相比，頁巖膨脹率下降了24%，甲酸鉀去離子水中測試巖屑回收率，巖屑回收率提高了3%，達(dá)到了99%的巖屑回收率。

Abbas等[36]以0.8%聚胺作為主抑制劑，5%MEG作為輔抑制劑和潤滑劑，聚合物類降失水劑為主要材料，制備了聚胺-MEG仿油基鉆井液體系，并在川西新頁HF-1和HF-2井實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場應(yīng)用。室內(nèi)100 ℃條件下熱滾16 h，測其基本性能，潤滑系數(shù)為0.090 7，粘附系數(shù)為0.088 7，與油基鉆井液相當(dāng)。巖屑滾動回收率達(dá)到91.96%，將 MEG的加量降至3%，巖屑滾動回收率仍能達(dá)到90.38%，滿足水平井對鉆井液抑制性的要求?，F(xiàn)場應(yīng)用效果跟蹤顯示，新頁的兩口井鉆過程中無掉塊、無垮塌，井眼尺寸變化率小，沒有出現(xiàn)長時間阻卡問題，返排出的鉆井液漏流變性良好，泥餅薄且固相含量<5%，抑制性能與潤滑性能足以媲美油基鉆井液。

Yami[37]發(fā)現(xiàn)鋁酸鹽能夠與頁巖發(fā)生離子交換，生成的氫氧化鋁沉淀堵塞頁巖孔隙，阻止了鉆井液中的游離水滲入地層，從而提高井壁穩(wěn)定性。基于這一發(fā)現(xiàn)，Yami構(gòu)筑了一套聚胺-鋁酸鹽仿油基鉆井液體系，PPT試驗(yàn)曲線表明，該體系的成膜效率與滲透作用與OBM體系十分相似，可以滿足硬脆性微裂縫頁巖鉆井需求，但是文中沒有提及相關(guān)處理劑的摻加量，無法確定具體的體系組成。隨后Martino[38]采取一系列的壓力傳遞實(shí)驗(yàn)、硬度測試、耐崩性測試、防泥包測試、不同鹽濃度下的回收率、毒性與滲透率恢復(fù)值，綜合比較確定了聚胺-鋁酸鹽仿油基鉆井液體系的經(jīng)典配方，得出聚胺鹽合適加量為2%～4%，加量越高，對層間游離水的束縛作用越強(qiáng)；鋁酸鹽合適加量為1%～2%，加量越高生成的沉淀越多，井壁表面越致密，井壁穩(wěn)定性越高。

1.4 天然材料提取物POBM

在開發(fā)一系列化學(xué)合成添加劑的同時，研究學(xué)者們也對天然提取物添加劑展開了研究，試圖尋求一種最低成本、最佳抑制性和潤滑性的POBM體系。到目前為止，已經(jīng)有一系列提取物用于POBM鉆井液。

天然淀粉屬于葡萄糖聚合物，類似于MEG本身就可以形成半透膜，而鉀離子水化半徑極小容易嵌入黏土層?；阝涬x子鑲嵌機(jī)理與淀粉成膜機(jī)理的協(xié)同作用，長江大學(xué)的許明標(biāo)團(tuán)隊(duì)在酸性環(huán)境下利用引發(fā)劑催化水解淀粉，然后在其葡萄糖環(huán)上接枝共聚引入鉀離子，制備了FK-1抑制劑[39]。性能評價表明FK-1與水基鉆井液處理劑配伍性良好，配制的FK-1仿油基鉆井液120 ℃、16 h巖屑回收率高達(dá)92.4%，線性膨脹率僅為2.564 2%，潤滑系數(shù)為0.042 2。結(jié)合相關(guān)的流變失水性能表明，F(xiàn)K-1仿油基鉆井液抑制性遠(yuǎn)優(yōu)于聚胺鉆井液、合成基鉆井液、聚磺鉆井液，潤滑性能已經(jīng)非常接近油基鉆井液。

Aghil等[40]介紹了一種采用指甲花提取物L(fēng)awsone(主要成分為5-羥基-1，4-萘醌、沒食子酸、葡萄糖和丹寧)配制的POBM，由于Lawsone中含有大量烯醇，烯醇中的羥基孤對電子與水分子中的氫相結(jié)合，在膨潤土表面生成氫鍵，抑制了水分子自由通過膨潤土表面，從而抑制膨潤土水化。動態(tài)線性膨脹實(shí)驗(yàn)表明，82 ℃條件下浸泡72 h后，氯化鉀溶液中的膨潤土膨脹率約65%，Lawsone僅為58%。同時基于膨潤土抑制性實(shí)驗(yàn)，Aghi還考察了不同濃度指甲花提取物對膨潤土溶液的表觀黏度、塑料黏度、屈服點(diǎn)和凝膠強(qiáng)度的影響，綜合分析發(fā)現(xiàn)低含量Lawsone具有一種反絮凝作用，即通過擴(kuò)散膠體離子雙電層增加離子雙電層厚度，減少Lawsone鉆井液對膨潤土顆粒的捕集，宏觀上表現(xiàn)為降低鉆井液摩擦阻力，提升鉆井液的潤滑性。

Mehdi[41]考察了紅參根提取物Ginsenosides作為POBM添加劑的可行性，Ginsenosides是一種非離子型表面活性劑，外觀呈棕色粉末狀，可溶于酒精和水。主要提取自人參根莖，富含甾體皂苷或三萜皂苷，分子中富含親水性羥基和疏水性甲基。水潤濕角實(shí)驗(yàn)表明，少量紅參根提取物鉆井液就可以使粘土表面潤濕反轉(zhuǎn)，并且這種潤濕反轉(zhuǎn)能夠長時間保持穩(wěn)定，含量為0.01，0.02，0.03 g/mL的紅參根提取物鉆井液，能將頁巖滾動回收率分別提升至 81.8%，88.7%，93.55%。機(jī)理分析上認(rèn)為Ginsenosides強(qiáng)抑制性主要來源于吸附機(jī)理，非離子表面活性劑與黏土顆粒相結(jié)合形成疏水殼，顯著降低黏土表面對水的吸附，另一部來源于Ginsenosides的親水性部分與硅氧烷表面的氧原子相結(jié)合形成穩(wěn)定的氫鍵，兩者共同作用最終阻礙了水的吸附，從而提高了頁巖的穩(wěn)定性。

目前天然材料添加劑提取工藝比較繁雜、制備成本高，大都僅限于實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)研究，尚無大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，后續(xù)研究工作應(yīng)主要聚焦于優(yōu)化提取工藝、減少制備成本。但是天然提取物添加劑原材料來源廣、價格低廉、無毒環(huán)保，是一種理想的鉆井液添加劑，特別是經(jīng)過提純后的添加劑，綜合性能甚至能夠趕超化學(xué)合成的添加劑，這些原生優(yōu)勢促使其仍是一大研究熱門。

2 結(jié)論與展望

在石油與天然氣開采過程中，復(fù)雜井段面臨的主要挑戰(zhàn)是井壁穩(wěn)定性，井壁穩(wěn)定性又取決于井壁周圍地層和鉆井泥漿之間的物理和化學(xué)相互作用，因此選擇合適的處理劑和開發(fā)有效的鉆井液體系是鉆井成功的關(guān)鍵。另一方面，在日益嚴(yán)格的環(huán)保政策要求下，油基鉆井液必將被舍棄，但是技術(shù)革新需要一定的時間，在傳統(tǒng)油基鉆井液被舍棄、綠色環(huán)保鉆井液技術(shù)尚未成熟之前，POBM是一種優(yōu)良的過渡產(chǎn)物，目前POBM以聚胺復(fù)合體系為主，天然提取物POBM為主要發(fā)展方向，在保障基本性能的條件下，探尋更加經(jīng)濟(jì)、綠色的POBM鉆井液體系是科研工作者努力的方向。