鉆井液的“綠色盔甲”

通訊員 許 穎 張 鑫

4月14日，新疆TK6143X井刷新了中原石油工程5500-6000米完鉆井最短施工周期紀(jì)錄。這得益于中原石油工程公司鉆井工程技術(shù)研究院自主研發(fā)的高性能泥頁巖強抑制劑——支化聚醚胺。

該產(chǎn)品具有抗高溫強抑制、配伍好、綠色環(huán)保、性價比高等突出優(yōu)點，可有效解決現(xiàn)場強水敏性泥頁巖、含泥巖等易坍塌地層的井壁失穩(wěn)問題，實現(xiàn)現(xiàn)場鉆井施工的綠色、安全、高效鉆進。近日，“支化聚醚胺的研制及工業(yè)化應(yīng)用”項目獲得河南省科技進步二等獎。同時，該產(chǎn)品獲中國發(fā)明專利授權(quán)，并獲得中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會專利優(yōu)秀獎和中原石油工程公司成果轉(zhuǎn)化獎。

研制高性能泥頁巖強抑制劑勢在必行

隨著世界環(huán)保要求日益嚴(yán)格和我國碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的推進，對油氣勘探開發(fā)行業(yè)的環(huán)保要求也越來越高，鉆井液綠色化成為世界鉆井液發(fā)展的必然趨勢。同時，隨著油氣勘探開發(fā)范圍不斷擴大，深井超深井、大斜度定向井、長段水平井越來越多，鉆遇的高活性泥頁巖、含泥巖、泥巖互層等易坍塌地層越來越多，井壁穩(wěn)定難度越來越大。井壁失穩(wěn)是油氣鉆探過程中最常見的一種井下復(fù)雜情況。據(jù)統(tǒng)計，90%以上的井壁失穩(wěn)發(fā)生在泥頁巖及含泥巖等易坍塌地層。研究表明，井壁失穩(wěn)與黏土礦物的水化膨脹分散作用密切相關(guān)，當(dāng)鉆遇泥頁巖、含泥巖、泥巖互層等易坍塌地層時，在鉆井液中加入抑制劑是解決井壁失穩(wěn)的最有效途徑之一。因此，研制高性能泥頁巖強抑制劑來抑制地層黏土礦物的水化膨脹分散，對有效提高井壁穩(wěn)定性、降低鉆井成本、增加經(jīng)濟效益、保證安全鉆進意義重大。

“我們經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前的認(rèn)知水平下，胺基類產(chǎn)品仍被認(rèn)為是抑制能力最強、應(yīng)用最廣泛的一類有機材料。人們習(xí)慣上將小陽離子、大陽離子等季銨類產(chǎn)品及胺基聚醚產(chǎn)品統(tǒng)稱為聚胺。胺基聚醚作為高性能水基鉆井液的主抑制劑，通過嵌入及拉緊黏土晶層起到井壁穩(wěn)定作用，但其胺基吸附活性位少，加量大，在鉆井液中抑制效果并不突出?？偟膩碚f，前期胺基類產(chǎn)品的抑制性能和配伍性能往往不能同時兼顧。”鉆井工程技術(shù)研究院首席專家司西強介紹。

對此，該公司成立以中石化集團公司高級專家王中華教授為首的創(chuàng)新團隊，加大科研攻關(guān)力度，科研人員重點從強化鉆井液的抑制性和配伍性等功能出發(fā)，進行綠色環(huán)保鉆井液助劑研發(fā)及體系研究等工作。

逐一攻克難題，創(chuàng)新成果豐碩

“我們經(jīng)過3年的不懈努力，研制出支化聚醚胺產(chǎn)品，有效解決了胺基抑制劑抑制性能和配伍性能難以兼顧的矛盾。”鉆井工程技術(shù)研究院主任師謝俊介紹。

科研人員根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與功能，提出產(chǎn)品分子設(shè)計及合成設(shè)計思路，確定合成思路、合成方法。他們在支化聚醚胺產(chǎn)品分子設(shè)計及合成設(shè)計思路的指導(dǎo)下，對其合成路線進行了確定，對其合成工藝條件進行了優(yōu)化，對優(yōu)化合成工藝條件下制備得到的產(chǎn)品樣品進行了提純分離，對純化得到的產(chǎn)品樣品進行了紅外光譜、核磁共振、元素分析等表征分析，得到了產(chǎn)品實際的分子結(jié)構(gòu)，驗證了產(chǎn)品分子設(shè)計及合成設(shè)計思路的準(zhǔn)確性。

支化聚醚胺產(chǎn)品作為一種新型泥頁巖強抑制劑，勢必要應(yīng)用到鉆井液體系中才能體現(xiàn)其價值。于是，科研人員首先考慮的是處理劑本身的性能及配伍性能，他們依次對支化聚醚胺產(chǎn)品的抑制性能、抗溫性能、潤滑性能、配伍性能、生物毒性等進行了測試評價，得到了產(chǎn)品的系統(tǒng)評價結(jié)果，分析得到了支化聚醚胺的抑制防塌機理，為后續(xù)開展支化聚醚胺產(chǎn)品的現(xiàn)場應(yīng)用提供技術(shù)參考。

科研人員開展了支化聚醚胺產(chǎn)品的小型探索試驗，確定得到了產(chǎn)品小型探索試驗工藝參數(shù)，又進一步開展了支化聚醚胺產(chǎn)品的中型探索試驗放大研究，得到了產(chǎn)品的中型探索試驗放大優(yōu)化工藝。同時，科研人員在支化聚醚胺產(chǎn)品前期探索試驗的基礎(chǔ)上，開展了產(chǎn)品的工業(yè)生產(chǎn)，形成了成熟的產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。研究得到了支化聚醚胺產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝并制定了現(xiàn)場應(yīng)用工藝。

研產(chǎn)服用一體化成果豐碩

“我們原創(chuàng)研發(fā)的支化聚醚胺產(chǎn)品先后在四川、陜北、東北、中原、內(nèi)蒙、新疆等地區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用200余口井，應(yīng)用范圍遍及全國，效果突出，有效解決了現(xiàn)場高活性泥頁巖、含泥巖、泥巖互層等易坍塌地層的井壁失穩(wěn)難題，助力現(xiàn)場大幅提高了機械鉆速，縮短了鉆井周期。從使用價格來說，其使用價格比其它胺基抑制劑約降低30%，表現(xiàn)出較大的成本優(yōu)勢，真正實現(xiàn)了現(xiàn)場鉆井施工的綠色、安全、高效鉆進，有效解決了胺基抑制劑抑制性與配伍性難以兼顧的矛盾。”鉆井工程技術(shù)研究院油田化學(xué)研究所副所長王忠瑾介紹。

該項目形成的支化聚醚胺產(chǎn)品屬原創(chuàng)性研究，填補了國內(nèi)外空白，整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。共申請相關(guān)發(fā)明專利28件，已授權(quán)發(fā)明專利8件，出版專著1部，發(fā)表論文30篇，為我國油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域鉆井液技術(shù)進步做出了重要貢獻。

目前，該公司已形成研產(chǎn)服用一體化的生產(chǎn)模式，技術(shù)人員每年都要生產(chǎn)500余噸支化聚醚胺產(chǎn)品發(fā)往全國各地，為促進我國鉆井液處理劑技術(shù)進步、保障國家能源安全做出了應(yīng)有的貢獻，表現(xiàn)出顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，其推廣應(yīng)用前景廣闊。