生物質(zhì)合成樹(shù)脂降濾失劑在儲(chǔ)氣庫(kù)微泡鉆井液體系中的應(yīng)用

閆杰杰

中國(guó)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(yáng) 457001

在“碳中和、碳達(dá)峰”的背景下，綠色鉆井顯得尤為重要［1］。降濾失劑是鉆井液重要的處理劑之一，它對(duì)穩(wěn)定井壁、保護(hù)油氣層起著很重要的作用［2］。隨著環(huán)保要求的提升以及石油鉆探地層的不斷復(fù)雜、深井和超深井深部地層的高溫環(huán)境影響，石油勘探開(kāi)發(fā)對(duì)降濾失劑的要求也越來(lái)越高，要求降濾失劑兼具結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗高溫、綠色、易生物降解等性能［3］。樹(shù)脂類(lèi)降濾失劑因具備優(yōu)良的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和降濾失性被廣泛采用，目前最常用的磺化酚醛樹(shù)脂降濾失劑（SMP-Ⅱ）有較好的抗溫抗鹽降濾失效果，但其生產(chǎn)原料以石油煉化物質(zhì)苯酚為主，產(chǎn)品降解性差，在一些環(huán)保要求比較高的地區(qū)，SMP-Ⅱ的應(yīng)用已經(jīng)受到限制［4-5］。

木質(zhì)素是植物中含量?jī)H次于纖維素的高分子聚合物，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，由苯丙烷基本結(jié)構(gòu)單元組成，含有與苯酚相似的活性位點(diǎn)，可以替代苯酚合成磺化酚醛樹(shù)脂［6］。為了提高木質(zhì)素的應(yīng)用性能，以生物酶解工藝處理木質(zhì)素，得到高活性酶解木質(zhì)素中間體，并以高活性酶解木質(zhì)素中間體為原料合成兼具環(huán)保性能的生物質(zhì)合成樹(shù)脂降濾失劑（LDR），可以達(dá)到產(chǎn)品升級(jí)換代的目的。

儲(chǔ)氣庫(kù)是保障國(guó)家能源安全戰(zhàn)略的基礎(chǔ)設(shè)施［7］。衛(wèi)11 和文13 西封閉性較強(qiáng)，儲(chǔ)層物性較好，可作為改建儲(chǔ)氣庫(kù)的庫(kù)址［8］，但其地層壓力較小，易發(fā)生井漏。微泡鉆井液有密度低、剪切稀釋性好、微泡封堵作用強(qiáng)、防漏能力好等優(yōu)點(diǎn)，適合在儲(chǔ)氣庫(kù)使用［9-10］。本文通過(guò)衛(wèi)11 儲(chǔ)3 井和文13西儲(chǔ)1井介紹LDR 在儲(chǔ)氣庫(kù)微泡鉆井液體系中的應(yīng)用情況。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料與試劑

甲醛、苯酚、焦亞硫酸鈉、無(wú)水硫酸鈉、無(wú)水碳酸鈉、氯化鈣均為分析純。膨潤(rùn)土、鉆井液用評(píng)價(jià)土、磺化褐煤（SMC）、SMP-Ⅱ、甲基纖維素鈉鹽（LV-CMC）、穩(wěn)泡劑（XC）、中分子磺酸鹽聚合物、楠木粉、潤(rùn)滑劑均為工業(yè)品。高活性酶解木質(zhì)素中間體由中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院提供。

1.2 主要設(shè)備與儀器

FA1604 型電子天平，上海天平儀器廠；HEWT-1000型磁力攪拌電熱套，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；YC-500 型噴霧干燥器，上海雅程儀器設(shè)備有限公司；GW300-PLC型變頻高溫滾子加熱爐、SD-4 型中壓失水儀、GGS42-2A 型高溫高壓失水儀、ZNN-D68型電動(dòng)六速黏度計(jì)、GJSSB12K型變頻高速攪拌機(jī)，青島得順電子機(jī)械有限公司。

1.3 合成方法

將高活性酶解木質(zhì)素中間體、苯酚、甲醛按一定質(zhì)量比加入帶有回流冷凝管、溫度計(jì)和攪拌裝置的四口燒瓶中，攪拌混合均勻后加入一定質(zhì)量的焦亞硫酸鈉和無(wú)水亞硫酸鈉，攪拌反應(yīng)30 min（反應(yīng)溫度控制在75 ℃左右），然后慢慢升溫至103 ℃，回流反應(yīng)4 h，期間少量多次補(bǔ)加水以控制液體黏度。反應(yīng)結(jié)束后，液體降溫出料，經(jīng)噴霧干燥即得LDR。

1.4 環(huán)保性能評(píng)價(jià)方法

按照《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)評(píng)價(jià)方法》（SY/T 6788—2020）的要求［11］，采用發(fā)光細(xì)菌生物毒性的評(píng)價(jià)方法測(cè)得半數(shù)效應(yīng)濃度（EC50），進(jìn)而評(píng)價(jià)產(chǎn)品的生物毒性。

1.5 基漿配制

向盛有350 mL 蒸餾水的高速攪拌杯中加入0.56 g 無(wú)水碳酸鈉、14.00 g 膨潤(rùn)土和14.00 g 鉆井液用評(píng)價(jià)土，攪拌期間中斷兩次并刮下容器壁上的黏附物，累計(jì)高速攪拌20 min。在（25±1） ℃下密閉養(yǎng)護(hù)24 h，即配制成基漿。

1.6 鉆井液性能測(cè)試

按照《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試》（GB/T 16783.1—2014）的要求［12］，測(cè)試樣品漿的黏度及濾失量。

2 LDR性能評(píng)價(jià)

2.1 環(huán)保性能

目前國(guó)內(nèi)對(duì)鉆井液環(huán)保性能及毒性評(píng)價(jià)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，但根據(jù)環(huán)保型鉆井液不產(chǎn)生危險(xiǎn)廢物這一總的目標(biāo)， 其環(huán)保指標(biāo)及毒性最低應(yīng)滿(mǎn)足一般廢物的要求。生物毒性指標(biāo)是從整體上對(duì)處理劑或鉆井液進(jìn)行環(huán)保評(píng)價(jià)， 具有代表性［13］。LDR和SMP-Ⅱ的生物毒性EC50結(jié)果表明：LDR 的EC50為440 g/L，達(dá)到《水溶性油田化學(xué)劑環(huán)境保護(hù)技術(shù)要求》（SY/T 6787—2010）無(wú)毒（＞200 g/L）標(biāo)準(zhǔn)；SMP-Ⅱ的EC50為6.54 g/L，生物毒性等級(jí)為微毒。這表明LDR 生物可降解，具有良好的環(huán)保性能，滿(mǎn)足環(huán)保型鉆井液使用需求。

2.2 在微泡鉆井液中的性能

分別以LDR 和SMP-Ⅱ?yàn)榻禐V失劑，配制了微泡鉆井液。考察LDR 在微泡鉆井液中的配伍性，并與SMP-Ⅱ做了對(duì)比，不同加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）降濾失劑對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，其中，鉆井液配方為3%膨潤(rùn)土+降濾失劑（LDR 或SMP-Ⅱ）+0.15%XC+1.5%LV-CMC+0.5%中分子磺酸鹽聚合物+1%楠木粉+2%潤(rùn)滑劑。

表1 LDR和SMP-Ⅱ在微泡鉆井液中的性能

由表1 可知：隨著LDR 或SMP-Ⅱ加量增加，鉆井液FLAPI和FLHTHP均降低，鉆井液黏度和切力均有所提高。當(dāng)加量為3.0%時(shí)，LDR 表觀黏度增加了28%，SMP-Ⅱ表觀黏度增加了44%。通過(guò)對(duì)比可以看出，LDR 黏度效應(yīng)較SMP-Ⅱ小，有利于控制微泡鉆井液流變穩(wěn)定性。

由表1 還可知：隨著LDR 或SMP-Ⅱ加量增加，F(xiàn)LHTHP均降低，LDR加量為1.0%～2.0%時(shí)，鉆井液FLHTHP降幅最高可達(dá)60%；而SMP-Ⅱ加量為1.0%～2.0%時(shí)鉆井液FLHTHP降幅只有12%，進(jìn)一步增加SMP-Ⅱ用量，降幅才有明顯提高。綜上表明，LDR 與微泡鉆井液配伍性良好，利于控制流型，濾失量相同時(shí)，LDR加量比SMP-Ⅱ加量少。

3 LDR在儲(chǔ)氣庫(kù)微泡鉆井液中的應(yīng)用

儲(chǔ)氣庫(kù)地層壓力系數(shù)較低時(shí)，可使用低密度的微泡鉆井液。室內(nèi)研究表明，LDR 在微泡鉆井液中的配伍性良好，且用量少，降濾失效果明顯，可在微泡鉆井液中使用。

3.1 衛(wèi)11儲(chǔ)3井的應(yīng)用評(píng)價(jià)

3.1.1 衛(wèi)11儲(chǔ)3井的概況

衛(wèi)11 儲(chǔ)3 井位于山東省莘縣古云鎮(zhèn)西池村，屬于東濮凹陷中央隆起帶北部衛(wèi)城構(gòu)造11 塊。鉆探的目的是為了建設(shè)衛(wèi)11 儲(chǔ)氣庫(kù)。目的層為沙三下，完鉆層為沙三下，三開(kāi)最大井斜37.99°。

3.1.2 三開(kāi)鉆井液性能要求

三開(kāi)井段地層滲透性強(qiáng)且虧空嚴(yán)重，地層壓力系數(shù)低至0.1～0.2，易發(fā)生滲漏及失返性漏失。本開(kāi)次設(shè)計(jì)井斜20°，鉆遇斜井段易形成巖屑床，起下鉆具摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)鉆具扭矩增加。泥巖井段井壁穩(wěn)定性較差，以低密度鉆進(jìn)時(shí)，可能存在一定的應(yīng)力失穩(wěn)，造成縮徑、井壁失穩(wěn)掉塊等復(fù)雜情況。因此，要求鉆井液必須密度低，有良好的攜巖能力、穩(wěn)定井壁的能力、潤(rùn)滑性能，同時(shí)要求鉆井液有較強(qiáng)的封堵及抑制性能。

3.1.3 三開(kāi)鉆井液維護(hù)與處理措施

針對(duì)上述鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，三開(kāi)采用剪切稀釋性好、微泡封堵作用強(qiáng)的微泡鉆井液體系，設(shè)計(jì)鉆井液密度為0.90～0.98 g/cm3，應(yīng)用井段為2 619～2 840 m，預(yù)計(jì)井底溫度為100～110 ℃。向微泡鉆井液體系中加入LDR 可提高微泡鉆井液護(hù)壁效果和抗溫性能；適當(dāng)加入抑制劑、潤(rùn)滑劑等可提高鉆井液防塌和潤(rùn)滑性能。

3.1.4 衛(wèi)11儲(chǔ)3井的小試效果分析

入井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施前，進(jìn)行小型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。取現(xiàn)場(chǎng)井漿（2 619 m，密度為0.98 g/cm3），加入1.0%、1.5%和2.0%的LDR 或SMP-Ⅱ，在110 ℃下老化16 h，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 衛(wèi)11儲(chǔ)3井室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可知：隨著LDR 和SMP-Ⅱ的增加，鉆井液的FLAPI和FLHTHP均下降，加入1.5%LDR 后的鉆井液流變性基本不變，但FLHTHP明顯降低，繼續(xù)增加至2.0%，F(xiàn)LHTHP降低幅度較小?？紤]到經(jīng)濟(jì)性，LDR 的最佳加量為1.5%。相比于SMP-Ⅱ，LDR加量增加對(duì)鉆井液流變性影響較??；FLHTHP同為10.0 mL 時(shí)，LDR 比SMP-Ⅱ的加量少，因此LDR更適合應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.1.5 衛(wèi)11儲(chǔ)3井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

在小型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，配制微泡鉆井液150 m3，加入1.5%LDR。施工過(guò)程中，無(wú)漏失、無(wú)阻卡，實(shí)現(xiàn)了安全高效鉆進(jìn)，鉆井液性能數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 衛(wèi)11儲(chǔ)3井鉆井液性能數(shù)據(jù)

由表3 可知：LDR 在微泡鉆井液體系中的配伍性好，F(xiàn)LAPI穩(wěn)定在4.0 mL 左右，F(xiàn)LHTHP為8.0～11.0 mL，表明LDR可以很好地控制微泡鉆井液的濾失量。

3.2 文13西儲(chǔ)1井的應(yīng)用評(píng)價(jià)

3.2.1 文13西儲(chǔ)1井的概況

文13 西儲(chǔ)1 井位于河南省濮陽(yáng)縣文留鎮(zhèn)，屬于東濮凹陷中央隆起帶北部文留構(gòu)造文13 西塊。鉆探的目的是為了建設(shè)文13 西儲(chǔ)氣庫(kù)。目的層為沙三中，巖性為灰色泥巖和粉砂巖。完鉆層為沙三中，四開(kāi)井段3 118～3 206 m 進(jìn)尺88 m，平均機(jī)械鉆速11 m/h。

3.2.2 四開(kāi)鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

文13 西儲(chǔ)1 井四開(kāi)井段地層虧空嚴(yán)重，地層壓力系數(shù)低至0.2，泥巖地層井壁穩(wěn)定性較差，部分井段存在高壓層，易發(fā)生漏失；預(yù)計(jì)井底溫度120～140 ℃，實(shí)鉆裸眼段以泥巖為主，易高溫造漿；目的層段會(huì)鉆遇高壓水層，形成水侵，造成鉆井液性能不穩(wěn)定，并形成上部低壓與底部高壓同層，防噴、防漏技術(shù)難度較大。因此，要求鉆井液必須具有耐溫、防漏、潤(rùn)滑減阻性能。

3.2.3 四開(kāi)鉆井液維護(hù)與處理措施

針對(duì)上述鉆井液技術(shù)難點(diǎn)，四開(kāi)采用微泡鉆井液體系，設(shè)計(jì)鉆井液密度為1.03～1.23 g/cm3，應(yīng)用井段為3 140～3 245 m。加入LDR 提高微泡鉆井液抗溫性能；適當(dāng)加入抑制劑、潤(rùn)滑劑等提高鉆井液防塌和潤(rùn)滑性能。

3.2.4 文13西儲(chǔ)1井的小試效果分析

入井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施前，進(jìn)行小型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。取現(xiàn)場(chǎng)井漿（3 118 m，1.04 g/cm3），分別加入1.5%、2.0%和2.5%的LDR 或SMP-Ⅱ，在130 ℃下老化16 h，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 文13西儲(chǔ)1井室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可知：LDR 加量為2.0%時(shí)，F(xiàn)LHTHP為10.0 mL；LDR 加量增加至2.5%時(shí)，F(xiàn)LHTHP為8.0 mL；而SMP-Ⅱ加量為2.5%時(shí)，F(xiàn)LHTHP為11.0 mL。通過(guò)對(duì)比可以看出，相同加量條件下，LDR 較SMP-Ⅱ控制濾失效果更好。從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，LDR在井漿中的最佳加量約為2.0%。

3.2.5 文13西儲(chǔ)1井的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

在小試基礎(chǔ)上，以LDR 為降濾失劑（加量為2.0%）配制微泡鉆井液160 m3，鉆井液性能數(shù)據(jù)如表5 所示。通過(guò)對(duì)該區(qū)塊所鉆鄰井資料分析，該區(qū)塊泥巖高溫易造漿，導(dǎo)致鉆井液稠化，黏度增高，易發(fā)生縮徑、卡鉆等復(fù)雜情況，而該井微泡鉆井液中加入2.5%LDR，能夠增強(qiáng)體系的抗溫性，有效控制FLHTHP，高機(jī)械鉆速情況下（平均機(jī)械鉆速11 m/h），鉆進(jìn)過(guò)程中無(wú)漏失、無(wú)阻卡，通井下套管一次成功，施工順利。

表5 文13西儲(chǔ)1井鉆井液性能數(shù)據(jù)

由表5 可知：FLAPI為4.4～4.6 mL，F(xiàn)LHTHP為9.0～11.0 mL，具有良好的降濾失效果；塑性黏度為15.0～25.0 mPa·s，LDR 在微泡鉆井液體系中的配伍性較好。

4 結(jié)論

1）LDR 以高活性酶解木質(zhì)素為原料研制而成，生物可降解，環(huán)保優(yōu)勢(shì)突出，為實(shí)現(xiàn)綠色鉆井提供支撐，具有廣闊應(yīng)用前景。

2）室內(nèi)研究表明，LDR 在微泡鉆井液體系中有良好的配伍性，黏度效應(yīng)較好，表現(xiàn)出良好的降濾失效果。

3）在儲(chǔ)氣庫(kù)的應(yīng)用中表明，在微泡鉆井液體系中加入LDR 后，衛(wèi)11 儲(chǔ)3 井FLAPI穩(wěn)定在4.0 mL左右，F(xiàn)LHTHP為8.0～11.0 mL；文13 西儲(chǔ)1 井FLAPI為4.4～4.6 mL，F(xiàn)LHTHP為9.0～11.0 mL，相同加量條件下，LDR較SMP-Ⅱ控制濾失效果更好。