智能鉆井液溫度響應控制處理劑研究進展

易鵬昌,蘇樂

(中海油田服務股份有限公司,廣州 湛江 524000)

隨著常規(guī)油氣資源的枯竭,石油勘探逐步向非常規(guī)油氣方向發(fā)展,鉆井過程面臨的復雜問題越來越多[1]。在復雜的地層和地質(zhì)條件下,溫度、壓力發(fā)生變化時,特殊的環(huán)境要求鉆井液保持良好的性能穩(wěn)定性。例如深部地層中,水基鉆井液的添加劑在高溫高壓環(huán)境會發(fā)生熱降解、高溫交聯(lián)、高溫脫附等破壞行為,導致鉆井液性能不佳[2]。在深水鉆井液中,海洋中低溫高壓的儲層環(huán)境給鉆井液提供了一個特殊的環(huán)境,對鉆井液的流變性能影響很大,特別是鉆井液的屈服點和黏度難以控制,會導致漏井增加、ECD高、壓力控制難度增加[3]。頁巖氣的鉆采過程中,維持頁巖穩(wěn)定性已經(jīng)成為一個世界性棘手的問題,高成本和嚴格的環(huán)境法限制了油基鉆井液的使用,因此水基鉆井液對頁巖地層的抑制性能是維持井壁穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題,也是現(xiàn)在的主要難題[4]。這些復雜的地層環(huán)境使得常規(guī)鉆井液體系已經(jīng)無法滿足現(xiàn)場復雜多變的要求[5-6]。

地層環(huán)境的變化影響著材料的性能,隨著外部環(huán)境刺激響應型材料在石油工業(yè)的發(fā)展,該材料表現(xiàn)出能夠有效解決復雜多變環(huán)境問題的潛力[7]。響應型材料通過響應環(huán)境變化(即溫度、鹽度和pH值)在溶液中發(fā)生及時的不可逆或可逆的相變,特別是表現(xiàn)出低臨界溶液溫度,影響微觀結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)的變化[8]。因此溫度響應材料在石油工業(yè)中的各種應用,特別是在鉆井液中得到了大量研究,能夠應對鉆井液在復雜地層條件下性能的劇烈變化。溫度響應材料使得鉆井液體系從被動適應環(huán)境的過程,到主動滿足在原位地層發(fā)生性能轉(zhuǎn)變的鉆井需求,賦予了鉆井液智能的特性,有助于從根本上解決鉆井液技術(shù)難題[9]。一般是通過對處理劑分子設(shè)計和有機合成的方法,賦予溫度響應型材料的高級功能[10]。鉆井液是由膨潤土膠體和各種處理劑相互構(gòu)建的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。關(guān)于溫度響應材料在鉆井液中的應用以膨潤土、處理劑兩方面為主。近年來關(guān)于鉆井液中響應型處理劑的研究比較多,本文將綜述溫度響應型處理劑在鉆井方面的研究、應用現(xiàn)狀以及未來展望。

1 溫度響應型聚合物

深水條件下面臨低溫環(huán)境下,低溫深水(4 ℃)和高溫深井(>150 ℃)之間的較大溫差已成為深水鉆井的主要危害。一方面,鉆井液在低溫下黏度急劇增加。另一方面,鉆井液的黏度在高溫下急劇下降。深水鉆井對鉆井液要求在低溫環(huán)境下保持流變性能恒定情況,常規(guī)鉆井液難以在低溫至高溫過程中保持良好的流變性能、漏失控制等問題。

呂開河等[11]利用對溫度響應的聚合物能夠發(fā)生流體性能和分子變化的性質(zhì),基于丙烯酰胺和N-異丙基丙烯酰胺為單體,合成一種溫度敏感型鉆井液流型調(diào)節(jié)劑PNAAM。通過影響分子鏈中親水基團和水分子氫鍵間的強度來控制聚合物的低臨界溶解溫度。溫度小于低臨界溶解溫度時,分子鏈親水基團作主導使得聚合物溶于水。溫度大于低臨界溶解溫度時,分子鏈中疏水基團作主導,相互間疏水締合增強形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),增強流體的黏度。王繼鵬[12]利用能夠有效調(diào)節(jié)鉆井液流變性能的溫度響應型聚合物P(NVCL-co-DMAM)與P(NVCL-co-DEAM)。P(NVCL-co-DMAM)能夠幫助鉆井液在4 ℃的低溫環(huán)境中的塑性黏度降低20%,塑性黏度波動系數(shù)降低19.4%,提高了體系在低溫環(huán)境中的穩(wěn)定性。低溫、高壓的環(huán)境導致常規(guī)鉆井液的黏度迅速增加,造成當量循環(huán)密度(ECD)增大,引發(fā)井筒壓力增加。徐加放等[13]利用乙烯基己內(nèi)酰胺(NVCL)作原料,偶氮二異丁腈(AIBN)作引發(fā)劑,通過自由基聚合的方式形成具有低溫條件下,流變性能可調(diào)控的溫度敏感型聚合物。實驗表明PVCL能夠使得在4～60 ℃環(huán)境溫度變化范圍內(nèi),水基鉆井液的各個黏度特征參數(shù)如表觀黏度、塑性黏度和切力減小50%。顧甜甜[14]基于深水低溫高壓環(huán)境,研制溫敏聚合物材料(PVCL),在4～65 ℃完成對鉆井液流變性能的控制,材料以乙烯基己內(nèi)酰胺單體(NVCL)為原料,偶氮二異丁腈(AIBN)為引發(fā)劑,在水溶液中通過自由基聚合的方式合成了聚N-乙烯基己內(nèi)酰胺。Cheng等[15]通過溫敏單體N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)與活性納米二氧化硅(RNS-D)共聚制備了在35 ℃下具有溫度響應的溫敏二氧化硅納米雜化物。研究結(jié)果表明,NIPAM/nano-SiO2納米雜化物有助于在升高溫度時增加鉆井液的黏度,并且鉆井液符合Herschel-Bulkley模型。含1.0%(質(zhì)量分數(shù))NIPAM/nano-SiO2納米雜化物的鉆井液在NIPAM的臨界溶液溫度下表現(xiàn)出顯著的熱稠化性能。加熱至35 ℃后,溫敏聚合物分子鏈發(fā)生親水向疏水轉(zhuǎn)變和疏水締合,形成交聯(lián)三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),增加鉆井液黏度。更重要的是,含有1.0%NIPAM/nano-SiO2納米雜化物的水基鉆井液,即使在150 ℃老化后仍保持熱的增稠行為和恒定的流變性。因此,溫度敏感的NIPAM/nano-SiO2納米雜化物可能成為恒流變水基鉆井液的潛在流變改性劑。Lyu等[16]以丙烯酰胺、N-異丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基和丙烷磺酸銨為原料,通過自由基聚合合成了共聚物凝膠(PAND)。由于溫度敏感單體的疏水締合效應和兩性離子單體的抗聚電解質(zhì)作用,PAND溶液對流變學表現(xiàn)出溫度和鹽刺激響應特征。即使在高溫(180 ℃)和高鹽度(質(zhì)量分數(shù)30% NaCl溶液)條件下,含有質(zhì)量分數(shù)1%PAND的水基鉆井液也表現(xiàn)出優(yōu)異的流變和濾失性能。Ding等[17]合成了一種新型溫敏共聚物(N-乙烯基己內(nèi)酰胺-共-N,N-二乙基丙烯酰胺)。基于該共聚物的溫度敏感性,研究了其對水基鉆井液(WBDF)低溫流變的控制能力。 結(jié)果表明,PNVDE可以有效控制深水水基鉆井液在4～60 ℃范圍內(nèi)的流變性。PNVDE與膨潤土的協(xié)同構(gòu)成的氫鍵網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)使深水鉆井液的流變性穩(wěn)定。

2 溫度響應型納米材料

納米材料具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和膨潤土的相容性,因此被廣泛應用于鉆井領(lǐng)域中。納米材料是鉆井液中的多功能處理劑,在封堵、流變學、降濾失去、頁巖抑制和潤滑等方面均有很好的作用。通過熱響應材料和納米顆粒相結(jié)合以開發(fā)具有增強鉆井液性能的納米復合材料具有很大的潛力。例如將納米SiO2被選為橋接劑,以增加聚合物鏈的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和剛性,調(diào)節(jié)鉆井液的流變性能。利用納米材料通過物理封堵效應緩解頁巖地層井筒失穩(wěn)問題。

熱響應納米復合材料最近已成為高溫水基鉆井液中頁巖穩(wěn)定化的潛在納米封堵劑。Tchameni等[18]合成了一種具有兩性離子特性的新型熱響應納米二氧化硅(TRJS),作為高溫下水基鉆井液的頁巖穩(wěn)定劑。TRJS通過化學吸附和氫鍵吸附在黏土表面,在鹽水中相互作用變得顯著。因此,有助于將TRJS牢固地捕獲到頁巖的納米孔結(jié)構(gòu)中,從而觸發(fā)從外半球在頁巖表面形成緊密的疏水膜。在190 ℃熱處理后,將TRJS添加到水基鉆井液中對流體性能沒有有害影響,這意味著TRJS在惡劣環(huán)境下可作為頁巖穩(wěn)定劑在水基鉆井液中的潛在用途。納米微米級裂縫、孔隙和層理的發(fā)育導致頁巖失穩(wěn)始終是鉆探復雜地層的挑戰(zhàn)。Lai等[19]基于溫度敏感聚合物與納米SiO2合成了復合物SNAS。NAS的低臨界溶液溫度(LCST)值可以通過調(diào)節(jié)單體配比來控制。作為對溫度敏感的納米復合材料,SNAS具有鉆井液的流變控制能力。當溫度高于LCST值時,由于SNAS從親水性向疏水性轉(zhuǎn)變,不僅改變了頁巖的潤濕角,而且增強了SNAS的封堵效果。聚合物堵漏劑對于解決微孔、微裂縫地層的井壁失穩(wěn)問題非常重要。Bai等[20]通過反相懸浮聚合反應將N-異丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸接枝到乙烯基三甲氧基硅烷改性的SiO2表面,合成了熱敏聚合物堵漏劑。合成的溫敏堵劑在溫度和壓力的作用下,在泥餅表面形成致密的疏水膜,物理密封微裂縫和孔隙,減少濾失,從而大大提高頁巖的穩(wěn)定性。將智能聚合物與納米二氧化硅相結(jié)合,是防止自由水侵入頁巖微納米孔隙、保持鉆井過程中井筒穩(wěn)定性的有效方法。Shen等[21]通過使用N-異丙基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸和KH-570,對納米SiO2進行改性,合成了一種用于水基鉆井液的核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑NPA。達到響應溫度后,NPA處理的頁巖表面潤濕角為77.22°。在150 ℃老化16 h后,水基鉆井液體系高溫高壓失水控制在5 mL以內(nèi)。NPA可以增強井筒穩(wěn)定性,有效減少鉆井過程中鉆井液的漏失。在鉆井作業(yè)期間,由于鉆井液侵入含水合物沉積物,壓力下降和溫度升高可能會破壞水合物相平衡。Li等[22]以熱響應聚合物為研究對象,在鉆井液中采用熱響應聚合物作為可逆封堵納米顆粒,將丙烯酸丁酯單體引入不同物質(zhì)的量比的N-異丙基丙烯酰胺中,制備了一系列具有不同低臨界溶液溫度的熱響應聚合物,以適應地層溫度條件。溫度高于低臨界溶液溫度時,聚合物納米顆粒能夠形成抗3 MPa的致密泥餅。當溫度降至低臨界溶液溫度以下時,壓差從3.2 MPa急劇降低到0.8 MPa,表明阻塞孔喉的顆粒可以逐漸重新溶解并從孔隙中排出。熱響應聚合物可以作為智能封堵劑,在含水合物沉積物的整個鉆井和生產(chǎn)階段智能地封堵和疏通井壁。Liu等[23]采用丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸單體自由基水溶液聚合法制備共聚物(PANA),然后利用聚乙烯亞胺制備凝膠臨時封堵劑(PJPs)作為交聯(lián)劑。PJPs在低溫(<30 ℃)和低pH值(<7)下均不能凝膠化,從而證明了PJPs受溫度和pH值的控制。然后,通過SEM表征PJPs膠凝前后的狀態(tài),研究了PJPs的膠凝機理。評價PJPs臨時封堵性能的實驗表明,當pH值為10,溫度為120 ℃時,臨時封堵劑在2 MPa的排斥壓力下可完全封堵裂縫,最終流速趨于0 mL/min。最大突破壓力達到12.6 MPa,具有良好的封堵承壓性能。林永學等[24]基于金屬鋁研發(fā)出溫度響應型鋁聚合物處理劑,處理劑以鋁化合物、異氰酸酯、聚乙二醇、多元醇等原料,采用一鍋法合成。因本身具有親疏水鏈段,響應溫度在100～150 ℃區(qū)間可調(diào)節(jié),在目標地層環(huán)境溫度下發(fā)生相轉(zhuǎn)變反應,實現(xiàn)對頁巖微納米地層的良好的封堵,穩(wěn)定井壁,降低地層的坍塌壓力。

3 溫度響應型膨潤土

膨潤土是鉆井液的重要組成部分,廣泛應用于水基鉆井液中,形成泥餅以保護井眼。但普通泥餅具有多孔性,在高溫下難以降低鉆井液的濾失性。同時常規(guī)膨潤土形成的膠體受溫度影響大,因此為了有效應對溫度變化,開發(fā)溫度改性膨潤土具有重要意義。

蒲曉林等[25]通過在鉆井液使用的加入N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)晶體或低相對分子質(zhì)量聚N-異丙基丙烯酰胺改性的溫度敏感型NPAM膨潤土,從泥餅質(zhì)量的增強以及流體流變性能的維護兩方面調(diào)節(jié)鉆井液體系性能,使得鉆井液具有一定的高溫穩(wěn)定性。郭淼[26]通過以提升膨潤土的懸浮分散性能為目標,研制溫敏型納米SiO2雜化材料和有機膨潤土作為油基鉆井液的流型調(diào)節(jié)劑。通過使用溫度敏感型聚合物單體與納米SiO2進行接枝共聚的方式研究出具有兩親性的溫度響應型納米SiO2處理劑。加入溫敏納米SiO2的油基鉆井液在低溫條件保持低黏度、在高溫條件下黏度增加的效果。蒲曉林等[27]提供一種高溫響應型膨潤土用于鉆井液體系構(gòu)建中,通過在剛性膨潤土顆粒外購引入柔性的溫度響應型聚合物分子刷制得。基于熱響應的膨潤土形成的鉆井液體系熱響應速度快,在高溫條件下加強了泥餅的致密性,自愈合能力強,流變性能穩(wěn)定。Dong等[28]通過插入N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)單體賦予膨潤土熱響應性能。以NIPAM和膨潤土復合材料為基礎(chǔ),采用低黏度聚陰離子纖維素(Lv-PAC)和引發(fā)劑過硫酸鉀(KPS)形成的泥餅。在高溫高壓濾失性能測試中觀察到泥餅隨溫度的變化表現(xiàn)出明顯的阻力,在高溫區(qū)域發(fā)生了自恢復行為。高密度鉆井液對頁巖水化膨脹率相對于普通膨潤土減少一半,流變性能趨于穩(wěn)定。Li等[29]利用膨潤土和雙官能化纖維素納米晶體開發(fā)了具有熱響應流變性能可控的智能水基鉆井液。熱響應性PNIPAM 接枝物的引入通過增強的疏水吸引力在高溫下誘導膨潤土/雙功能化纖維素納米晶體簇的締合,從而使膨潤土/纖維素納米晶體具有良好的熱增稠流變性能。即使在10次加熱/冷卻循環(huán)后,熱增稠流變行為仍能保持,具有可持續(xù)性、原位流變可控性和良好的循環(huán)性。Pan等[30]通過對膨潤土插層改性,開發(fā)一種基于N-異丙基丙烯酰胺的溫度敏感型膨潤土。將N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)接枝到鈣基膨潤土表面,經(jīng)羧甲基纖維素鈉(CMC)插層后,硅烷偶聯(lián)劑KH570脫水縮合,制備了溫敏膨潤土(CMC-B-NIPAM),其分散體在40～70 ℃范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)流和溫度增稠的特征。與傳統(tǒng)鉆井液相比,CMC-B-NIPAM鉆井液具有保證鉆井液流型穩(wěn)定性的功能。

4 溫度響應型堵漏材料

鉆井液漏失是困擾復雜地層鉆井的難題,添加常規(guī)堵漏材料無法滿足實際需求,往往容易出現(xiàn)堵漏施工失敗、反復性漏失的問題。具有形狀記憶屬性的聚合物堵漏材料能夠很好地補充傳統(tǒng)堵漏材料的功能。它作為一種智能聚合物,能夠在大于材料活化溫度時出現(xiàn)響應,在冷卻時保持固定的形狀。材料隨鉆井液在井筒中運移時,保持較小的形狀,不影響鉆井液性能。當運移至漏失地層,材料順利進入漏失通道后,地層溫度使得材料響應,材料產(chǎn)生形變迅速填充漏失通道形成更為有效的封堵。

孔勇[31]根據(jù)地層定向吸附的原因,設(shè)計了一種適用于100～150 ℃的溫度響應變形封堵劑SMSHIELD-2。SMSHIELD-2能有效封堵硬脆泥巖在較寬溫度范圍內(nèi)的微裂紋,提高鉆井液的堵漏和抗脫落性能,在改善鉆井液的堵漏和防塌性能方面顯示出良好的效果。王照輝等[32]通過空心玻璃微珠和環(huán)氧樹脂的基礎(chǔ)上復合制備一種溫度敏感型泡沫堵漏材料SMP-LCM。通過控制具有形狀記憶特性的環(huán)氧樹脂中的交聯(lián)劑組分含量,能夠使得材料在50～100 ℃的溫度區(qū)間范圍發(fā)生形狀響應變化,泡沫堵漏材料的膨脹率通過控制孔隙大小來改變。材料能夠以較流體性能進入漏層深處后,在目標溫度下發(fā)生響應膨脹至形狀記憶形態(tài),有助于幫助地層恢復應力結(jié)構(gòu),提供薄弱地層的井筒承壓能力。Lashkari等[33]開發(fā)了具有形狀記憶的聚氨酯漏失控制材料(SMPU LCM),材料形狀被編程,在井筒溫度下,于裂縫內(nèi)恢復可密封的形狀。力學性能測試表明,SMPU13121具有最高的形狀恢復率(98.3%)和形狀固定性(99%),井筒活化溫度為59.1 ℃,選擇SMPU13121作為中型SMPU LCM架橋材料。選用楊氏模量(25 241 MPa)、48 ℃拉伸強度(8.9 MPa)和抗壓性(80.85 MPa)最高的SMPU4作為SMPU LCM的填充封堵材料,以最大限度地提高封堵層的機械強度。

5 未來展望

雖然溫度響應材料在鉆井液的性能控制方面取得一定成績,但是仍然存在一些問題,比如溫度響應材料本身抗溫、承壓以及抗鹽能力有限、穩(wěn)定性能較弱。這限制了其在非常規(guī)區(qū)塊的應用。開發(fā)抗“三高”能力更強的溫度響應材料是未來智能鉆井液的發(fā)展方向。同時,單一響應方式對使得材料對復雜地質(zhì)條件的適用性不足,智能控制條件比較簡單。有必要開發(fā)多響應材料增加智能鉆井液體系的特征反應區(qū)間,保證其性能控制的針對性和多樣性。