國內外鉆井液技術新進展

張艷娜 孫金聲 王倩 劉德勛 楊澤星

1.中國石油勘探開發研究院 2.中國石油集團鉆井工程技術研究院 3.中國石油勘探開發研究院廊坊分院

國內外鉆井液技術新進展

張艷娜1,2孫金聲2王倩1劉德勛3楊澤星2

1.中國石油勘探開發研究院 2.中國石油集團鉆井工程技術研究院 3.中國石油勘探開發研究院廊坊分院

為全面了解國內外鉆井液技術研究現狀、明確鉆井液技術的發展趨勢與方向,在調研大量相關文獻及報道的基礎上,對近年來國內外出現的鉆井液新技術進行了分類歸納總結,從新型鉆井液體系、儲層保護技術、防漏堵漏技術、新型鉆井液處理劑、鉆井液泥餅清除技術等5個方面對其進行了介紹。其中,新型鉆井液體系涉及各種水基鉆井液體系、油基鉆井液體系、合成基鉆井液體系和成膜鉆井液體系等;介紹了裂縫性碳酸鹽巖儲層保護技術;防漏堵漏技術主要介紹了可溶粒子降濾失劑、超低滲透添加劑、微凝膠聚合物降濾失劑等;新型鉆井液處理劑包括快鉆進 KSAJ、M n3O4加重劑、季銨鹽表面活性劑、頁巖抑制劑(乙基葡萄糖苷和SIA T)和高溫保護劑 GHB等;還對鉆井液泥餅清除技術作了簡要介紹。

國內外鉆井液技術 進展 鉆井液體系 儲集層保護 防漏堵漏技術 鉆井液處理劑 泥餅清除

鉆井液技術作為鉆進復雜地層的關鍵技術之一,在大量資金的支持和鉆井作業難題的驅使下,在短短的幾年里取得了較大的發展,也取得了一系列成果。本文在調研近幾年國內外鉆井液新技術的基礎上,從鉆井液體系、儲層保護技術、防漏堵漏技術、新型鉆井液處理劑以及鉆井液泥餅的清除技術等5個方面來闡述其發展概況。

1 新型鉆井液體系

1.1 高性能水基鉆井液體系

BHDF公司研制了適用于Lake Maracaibo地區的新型高性能水基鉆井液體系(HPWBM)[1]。HPWBM通過減少鉆頭泥包來提高鉆進速度,同時可以減小鉆具的扭矩和摩阻,轉移鉆頭重量。與傳統的鉆井液相比,更能增強井筒的穩定性,減少漏失量。此外,體系由低鹽分物質組成——減少了廢物處理的難度和費用,滿足了環境的要求。

現場使用的鉆井液配方是:3.0 lb/bbl膨潤土(1 lb=0.453 592 37 kg,1 bbl=115.627 1 L,下同) +0.75 lb/bbl氫氧化鈉+6.8 lb/bbl氯化鈉+0.5 lb/bbl聚丙烯酰胺+0.5 lb/bbl羧甲基纖維素+1.0 lb/bbl改性淀粉+5.0 lb/bbl鋁酸鹽絡合物+3.0%可變形聚合物封堵劑+7.0 lb/bbl聚銨鹽+2.0%快鉆劑。

HPWBM鉆井液體系與傳統的鉆井液相比,能更好地抑制黏土和鉆屑分散,減少鉆頭泥包,目前 HPWBM體系已在墨西哥灣、美國大陸、巴西、澳大利亞及沙特阿拉伯等國家和地區得到了應用。其中在墨西哥灣地區深水鉆井,順利鉆達目的層,井壁穩定,無復雜事故發生且機械鉆速高,如圖1所示。

圖1 使用不同鉆井液在墨西哥灣深水鉆井作業中的鉆速對比圖[2]

1.2 新型油基鉆井液體系

1.2.1 低固相礦物油基鉆井液(LSOBM)

針對挪威中部Aasgard油田鉆分支井和長井段時遇到的鉆速低、鉆井液黏度大、侵入儲層深度大、卡鉆等嚴重問題,研發出一種新型低固相礦物油基鉆井液(LSOBM)[2]。LSOBM使用比重較大的溴化鈣鹽水作為分散相,用標準礦物油作為連續相,用液態樹脂有機物替代天然瀝青作為降濾失劑。

LS OBM的實驗配方:423 kg/m3低芳香族礦物油+30 kg/m3乳化劑+10 kg/m3液態降濾失劑+10 kg/m3優質有機土+161 kg/m3清水+364 kg/m3密度為1.7 kg/m3的溴化鈣鹽水+10 kg/m3石灰+120 kg/m3白云石+20 kg/m3石墨。

通過室內評價實驗,得出LSOBM鉆井液體系要達到最佳性能,還應滿足以下要求:①油水比為60∶40;②添加140 kg/m3橋堵劑;③堵漏顆粒的大小略大于最佳理論值;④使用石墨和白云母片作為堵漏材料。

與傳統的鉆井液相比,LSOBM鉆井液體系具有更好的封堵性、熱穩定性和更高的滲透率恢復值。

1.2.2 高密度低固相油基鉆井液體系

M -I鉆井液公司使用甲酸銫鹽水配制了密度為1.66 g/cm3的低固相油基鉆井液體系[3],該體系與常規的加重鉆井液體系相比,由于不含任何固體加重劑且為單離子,故而最大限度地消除了由重晶石引起的井控問題,減少對地層的損害和篩管堵塞。與溴化鋅鉆井液相比,對環境影響小,更安全,容易回流,故對儲層損害也小。該鉆井液體系已經在Statfjord油田進行了試驗,試驗配方和性能如表1所示。

過去5年的鉆井完井實踐證明,甲酸銫鹽水油基鉆井液的使用不僅可以簡化操作過程、減少鉆井液的浪費,而且還可以消除流體不兼容的問題。鉆井液性能很好,表現出很低的當量循環密度,能達到中或高的機械鉆速,具有很好的水力特性,好的井眼凈化能力,鉆井扭矩和摩阻很低,采用電測井時表現出良好的井壁穩定性。完井作業快速穩定。鉆出的井顯示了較高的生產效率和較低的表皮系數,創下了北海地區最快的高溫高壓完井記錄,是一種能將高溫高壓井控問題最小化、井產量最大化的有效鉆井液體系。

1.3 Aphrons鉆井液新發展

Aphrons鉆井液正在全球范圍內被用于鉆進衰竭儲層和低壓地區[4]。Aphrons鉆井液具有獨特的低剪切流變性和抗壓力的空氣微泡,改進后的新配方中添加了一種聚合物混合物——由生物聚合物黃原膠和表面活性劑BLUE STREA K混合而成,該混合物被稱為“Aphrons穩定劑”。研究發現,Aphrons穩定劑能承受至少4 000 bl/ft2(1 ft2=929.030 4 cm2,下同)的壓力,能夠比周圍液體更快進入漏失區,并在液體進入前形成氣泡層;同時,流體的剪切速率不斷下降,黏度不斷升高。另一個重要發現是:Aphrons之間以及Aphrons與巖石礦物表面的孔隙或者裂縫之間的親和力小,因此形成的封堵柔軟且缺乏黏附力,使得其在采油時易被排出。

表1 高密度低固相油基鉆井液與傳統油基鉆井液配方和性能對比表

1.4 抗高溫鉆井液體系

1.4.1 合成基聚合物鉆井液體系

新型環保抗高溫水基鉆井液是M-I鉆井液公司研制成的一種耐高溫(232℃)高壓水基鉆井液[5]。該鉆井液體系使用一種不含鉻、對環境無害的新型合成基聚合物且體系簡單——只需要兩種聚合物、p H控制劑、加重材料和少量用于控制濾餅質量的黏土。這種新型合成基聚合物是一種新型交聯聚合物,用丙烯酰胺(單體A)、一種磺酸鹽單體(單體S)和一種交聯單體(單體X)配制的新的交聯共聚物。與非交聯直鏈聚合物相比,它在含水溶液中保留了較為致密的球形結構。分子重量相同時,交聯聚合物在水溶液中的水動力體積比相同分子質量的直鏈分子小得多。交聯聚合物的獨特結構使其在空間上受到限制,從而增大了其內在水解穩定性。同時,交聯使其對固體不大敏感,抗剪切能力強,從而改進了水基鉆井液的流動特性和降濾失特性。

1.4.2 SIV鉆井液體系

SIV鉆井液體系是一種獨特的鉆井液體系[6]。這種鉆井液體系的主要成分SIV,它是一種由鈉、鋰、鎂和氧組成的合成多層硅。SIV是一種白色粉末,其結構類似于天然的膨脹性微晶高嶺石黏土,熱穩定性高達370℃。其特點是雜質含量低、剪切后黏度恢復快、包被能力強、抗高溫能力強、水溶液透明度高、對鉆屑和巖心的損害小。常用的典型配方如表2所示。

表2 SIV鉆井液配方表

這種鉆井液體系在233℃的溫度下仍然保持良好的黏度,不發生高溫絮凝等問題。現場和地熱井實驗表明,SIV鉆井液效果良好,特別是用于對結晶巖的鉆進,其應用溫度范圍廣、對巖心和巖屑損害小。在德國KTB-HB工程中使用了這種鉆井液,應用表明,SIV體系具有較好的懸浮性、抗污染性、高溫高壓流變性。

1.5 流變性恒定的合成基鉆井液體系

1.5.1 CR-SBM鉆井液體系

合成基鉆井液CR-SBM體系[7]在深水作業時具有“恒定的流變性”,從而減小激動壓力和當量循環密度,降低頻繁發生的井漏事故,故克服了使用傳統鉆井液時產生的與壓力有關的問題。總體上,CR-SBM與傳統合成基鉆井液的組分基本相同。CR-SBM獨特流變性的獲得關鍵在于使用有機黏土替代特殊乳化劑作為鉆井液增黏劑。這樣可以讓CR-SBM獲得比傳統合成基鉆井液更好的降濾失性。它在實驗室測定和現場運用中都表現出穩定的流變性。

通過實驗測試,CR-SBM主要特點是凝膠強度、屈服值在3～6 r/min時都不會明顯受到溫度和壓力的影響。現場實踐表明,CR-SBM具有穩定的流變性,尤其是與聚晶金剛石復合片鉆頭配合時,能避免深水環境下溫度和壓力的影響,從而提高了機械鉆速、保證了井眼的穩定性、減少了井下鉆井液漏失,明顯地提高了鉆井作業效率。

1.5.2 EHT鉆井液體系

EH T是EXXON公司等研制的流變性穩定的無毒高溫水基鉆井液體系[8],成功地應用于井底溫度最高達215.5℃的陸地和海上鉆井中,鉆井液密度達1.86 g/cm3。其典型配方如表3所示。

EH T體系的室內研究是根據這樣的假設進行的:高溫誘發的黏土顆粒的分散是造成鉆井液體系不穩定的根本原因。為此,采取了以下3種解決辦法:①選擇適合于井底溫度的黏土濃度,即在起下鉆期間的井底溫度下,老化后仍能提供足夠的懸浮和攜屑能力;②加入一種輔助增黏劑,以便在地面提供懸浮和攜巖能力,并在整個溫度變化過程中保證恒定的鉆井液流變性,輔助增黏劑的黏度隨溫度的升高而降低;③有目的地加入電解質以減緩高溫誘發的鉆屑分散。

1.5.3 流變性可控的聚合物鉆井液體系

控制鉆井液流變性的傳統方法是使用生物聚合物和高分子電解質(低剪切稀釋性和高塑性)。這里所說的新方法,是指所選的聚合物和加重劑都是用來生成和控制高剪切稀釋性和熱穩定流變性的[9]。

表3 EHT鉆井液體系各種處理劑用量表

改良的丙烯酸類聚合物、乙烯基磺酸鹽共聚物與非離子聚合物之間表現出良好的協同作用。而非離子型聚合物聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)能產生需要的流變性和穩定性。對加重劑的要求是細粒徑和高表面電荷濃度。新配方中采用了可以替換的重晶石和四氧化錳加重劑,通過實驗證明,四氧化錳的加重效果優于重晶石。商品等級是4.8 SG,粒徑0.47～1.0μm,比表面積為2～4 m2/g。新配方的有效性在室內通過以下水基鉆井液配方來檢驗:

251.9 lb/bbl水+350.0 lb/bbl四氧化錳+0～5.6 lb/bbl離子型聚合物+0～6.2 lb/bbl非離子型聚合物+18.7 lb/bbl頁巖抑制劑+2.0 lb/bbl降濾失劑(聚陰離子纖維素聚合物)。

該水基鉆井液配方已經用在溫度高于180℃的油氣田開采過程中。鉆井液體系通過加重劑和聚合物的協同作用保持了穩定可控的流變性,同時還具有良好的抑制性和潤滑性。

1.6 MMO基鉆井液體系

MMO是由氧化錳和氧化鋁類氧化物混合而成的金屬氧化物處理劑[10],通過添加少量MMO晶體到膨潤土中預水化制得的鉆井液。該鉆井液體系表現出突出的非牛頓流體的流變性特點,其塑性黏度為5 cP (1 cP=1 m Pa·s,下同),屈服值為 55 lb/100 ft2; MMO鉆井液體系獨特的流變性還表現在其隨溫度的變化上,大多數鉆井液是隨著溫度升高系統的黏度升高,但是MMO卻具有相反的性質。在40υ(1υ= 9/5℃+32,下同)時,塑性黏度和屈服值分別為35 cP和40 lb/100 ft2,而在180υ下,分別為6 cP和103 lb/100 ft2。同MM H系統相比,MMO鉆井液體系的成本較高,但它能抗離子污染(如Ca2+、M g2+等)而且穩定性高。

1.7 成膜水基鉆井液體系

王平全、孫金聲[11]等人將有機胺天然纖維聚合物CMJ-2和降失水劑XNJ-1復配形成復合膜。CMJ-2側鏈羥基、胺基對黏土礦物既有吸附作用,又能與黏土顆粒形成氫鍵,加之分子鏈的非離子特性,容易在濾餅上形成一層保護膜。而XNJ-1是一種惰性的變形軟粒子,具有很好的封堵能力,能堵塞、填補泥餅上CMJ-2膜結構中的孔隙部位,與CMJ-2產生協同效應,組成了薄而致密、韌性好的復合膜結構,從而有效地阻止了濾液及鉆井液(包括固相)向地層滲透,達到穩定井壁,保護儲層的目的。

成膜水基鉆井液體系配方為:5%鈉膨潤土+3% XNJ-1+0.2%JH-1+3%CMJ-2+0.5%JN-1。此鉆井液對塔中地區和輪古地區石炭系垮塌層泥頁巖均具有很強的抑制水化分散能力(100℃下熱滾16 h后回收率均高于98%,最高接近100%)。同時發現,滾動后的巖樣顆粒大小、形狀與滾動前幾乎無異樣,且巖樣顆粒上有一層薄薄的“面膜”,正是因為這種“面膜”的存在,保護了巖樣,才阻止了水(濾液)滲入巖樣內部,從而防止巖樣水化分散,穩定井壁。成膜(隔離膜)水基鉆井液體系具有強的抗溫(180℃)、抗鹽(20% NaCl)、抗鉆屑污染能力,在低密度和高密度條件下均具有良好的封堵能力。

2 儲層保護技術——裂縫性碳酸鹽巖儲層保護鉆井液

裂縫性儲層指油氣滲流通道主要為裂縫的儲層,這些儲層大多為碳酸鹽巖,是極為重要的儲集巖,對石油工業具有重大價值[12]。國內針對這種儲層主要采用優化鉆井液體系復配暫堵組合的方法,如張軍等優選的暫堵型兩性離子聚合物鉆井液[13]、盧虎等通過聚多元醇配合一定固相暫堵劑[14]、葉艷等研制的復合鹽弱凝膠無固相鉆井液加入優選暫堵組合[15]等,均對保護裂縫性儲層取得了一定的效果。

王永恒等評價了孫金聲等新研制的超低滲透鉆井完井液[16]對裂縫的暫堵能力、濾餅質量和返排滲透率情況。研究結果表明:3.5 M Pa正壓差下,超低滲透鉆井完井液對400 mm以內的不同寬度級別的裂縫均有很好的封堵效果[17]。但是,這些具有保護裂縫性儲層作用的鉆井液大多針對裂縫性油藏,基本上沿用的是孔隙性儲層保護技術,僅僅停留在室內評價和研究階段,現場使用效果如何以及對裂縫性碳酸鹽巖油氣藏能否適用尚需進一步研究。

3 防漏堵漏技術

3.1 應用于枯竭裂縫油藏的特殊堵塞材料

在開采枯竭、裂縫性儲層和易受深層鉆井液固相侵害的油藏時,鉆井液必須快速形成泥餅,且濾液對地層的損害要盡量小。為此研制了石墨粉、碳酸鈣和磺化瀝青的混合物堵漏材料[18]。石墨、碳酸鈣和磺化瀝青的混合物堵漏材料能顯著減少濾液漏失,并明顯減少孔隙壓力傳輸。如果過平衡壓力減小,石墨將很容易從孔喉和裂縫中回流出來[19]。該堵漏材料具有以下特點:①石墨的濃度對鉆井液濾失量有很大的影響,濃度越大,濾失量越小;②磺化瀝青的存在是為了使油藏的滲透率恢復值達到最大;③滲透率測試的結果和經驗可以很容易應用到現場,可重復性強。

3.2 可熔粒子降濾失材料

易熔顆粒降濾失材料包括熔融粒子、加重劑、降濾失劑和抑制劑[20]。它的熔融性取決于脫水率,而脫水率則隨著巖石的性質和裂縫的幾何形狀發生變化。易熔顆粒降濾失材料在裂縫中分別向軸向和徑向兩個方向脫水,從而隔離了裂縫,增加近井筒的環向應力。在裂縫產生或擴大時能產生最好的降濾失效果。實驗室數據表明,易熔顆粒降濾失材料可以同時通過小鉆頭噴嘴進入各種不同幾何構型的裂縫,在模擬井下溫度的條件下仍然長時間穩定不會產生凝膠[21]。易熔顆粒降濾失材料也可與改性的纖維材料一起運用,達到更好的降濾失效果。

目前,已經將易熔顆粒降濾失材料[22]用在美國加利福尼亞貝克斯菲爾德的Elk Hills油田,并產生明顯的堵漏效果。而且易熔顆粒降濾失材料加入井內后立即促使泥漿返回80%～90%,而未加入該降濾失材料時泥漿返回率在0～70%。

3.3 超低滲透率添加劑

通過改變聚合物與固體顆粒的表面性質,使不同的組分在不同的鉆井液體系(油基和水基)中有不同的溶解度和潤濕性,再按一定的比例混合這些組分即可得到超低滲透率添加劑[23]。如果將超低滲透率添加劑加入水基鉆井液中,親油物質被潤濕或溶解;如果加到油基鉆井液中則更多的親油物質被溶解,并形成聚合體附在滲透性巖石表面,形成超低滲透率的屏障,從而進一步避免流體入侵和壓力傳遞。通常情況下,如果不形成這種聚合體,那么在巖石表面將發生持續的漏失。

將含有超低滲透率添加劑的鉆井液用于以下幾個現場進行測試:在拉丁美洲的哥倫比亞地區[24],使用含有這種添加劑的鉆井液后井壁穩定性明顯提高,在砂巖中濾液侵入深度減小,同時油氣井產量提高20%～25%;在墨西哥灣地區將其運用于水基鉆井液中,有效防止了地層被壓裂、減少井漏和井眼堵塞等常見問題;在北美洲的一口煤層氣井內采用了超低滲透率鉆井液,不僅對煤層沒有造成損害,而且還避免了在使用其他鉆井液時發生的嚴重井壁失穩和井漏事故。

超低滲透率添加劑使用范圍很廣泛[25],不僅可以用在水基、油基、合成基的鉆井液中,同時可以添加在完井液、修井液中。根據超低滲透率添加劑作用原理和現場實例證明,可以將超低滲透率鉆井液廣泛用于裂縫性和層狀易斷泥頁巖地層的開采。

3.4 微凝膠聚合物降濾失劑

一種具有獨特微凝膠結構的聚合物,通過優化聚合物形態、溶解度以及交聯密度,達到最佳聚合物形態和溶解性,提高降濾失性能[26]。

地層損害主要發生在過濾期間的固體入侵,通過對多孔介質滲透率產生不利影響,從而損害儲層。鉆井液的濾失性以及產生的濾餅屬性可直接影響井壁穩定性,發生不同程度的卡鉆事故。獨特的微凝膠聚合物顆粒通過吸收基液,體積略微膨脹并堆疊起來,膨脹的聚合物在剪切力下變形,從而更有效地與其他細小固體顆粒重疊在一起形成一個薄而高效的濾餅,減少了濾餅在靜態和動態下的滲透性[27]。此外,這種微凝膠顆粒的變形能力使它們比普通添加劑更容易從地層中回流出來,從而減少對儲層的傷害。甚至在極端的鉆井環境下仍具有低剪切黏度,有助于提高鉆井液體系的流變性。

4 新型鉆井液處理劑

4.1 快速鉆井液處理劑

快速鉆井液處理劑應該具有以下兩個特點:①能夠吸附到巖石及鉆屑表面,使巖石和鉆屑的潤濕性由親水轉向親油;②對金屬表面有較強的定向吸附作用,在金屬表面形成潤滑油膜,降低黏土在其表面上的吸附率。

根據快速鉆井液處理劑的特征要求,孫金聲[28]等人通過對蛋白質分子進行結構改造,如接枝磷酸基增強其定向吸附性、磺化改性增強其抗溫性、與多烯多胺縮聚增強其疏水性等,最終在實驗室合成了快速鉆井液處理劑(KSAJ)。

快速鉆井液技術在吐哈、塔里木、青海、華北、新疆、吉林及遼河等油田的37口井進行的現場試驗表明:在不改變鉆井參數和鉆井井身結構的條件下,泥頁巖、砂泥巖井段能夠提高機械鉆速18%以上,并有效地提高了井壁穩定,減少起下鉆過程中的阻卡情況。

4.2 加重劑Mn3O4

四氧化錳密度大(4.8 g/cm3)、粒徑小、顆粒呈球形[29]。由于球形顆粒的粒間摩擦很小,塑性黏度大幅度降低。雖然四氧化錳的密度比重晶石大得多,但其顆粒的尺寸卻比重晶石小得多,這意味著這些顆粒可以被弱結構的鉆井液所支撐,同時在較低的屈服值下不會發生沉降。采用四氧化錳作為加重劑配制了四氧化錳鉆井液。將新研發的鉆井液與傳統鉆井液(即氯化鉀、碳酸鈣、重晶石鉆井液,甲酸鉀、酸鈣鉆井液)在實驗室內進行性能比較測試。鉆井液的現場配方如下:

1)碳酸鈣/重晶石鉆井液的配方:0.8桶水+0.01 gal消泡劑(1 bbl=42.02 gal=115.627 1 L)+1.0黃原膠+6 gal淀粉+0.75 bl聚陰離子纖維素聚合物+ 41.0 bl氯化鉀+0.5 bl氫氧化鉀+0.25 bl石灰+ 205 bl重晶石+15.0 bl碳酸鈣(細)+5.0 bl碳酸鈣(中)+0.75 bl亞硫酸鈉。

2)碳酸鈣/甲酸鉀鉆井液的配方:0.14桶水+ 0.86桶甲酸鉀+0.01gal消泡劑+0.5黃原膠+6 gal淀粉+5.0 bl聚陰離子纖維素聚合物+1.0 bl純堿+ 0.5 bl碳酸鈉+7.0 bl碳酸鈣(細)+3.0 bl碳酸鈣(中)+0.75 bl亞硫酸鈉。

3)四氧化錳鉆井液的配方:0.822桶水+0.01 gal消泡劑+1.5黃原膠+6 gal淀粉+1.25 bl聚陰離子纖維素聚合物+41.0 bl氯化鉀+0.5 bl氫氧化鉀+ 0.25 bl石灰+205 bl四氧化錳。

現場測試顯示,當四氧化錳鉆井液在300υ下老化16 h后,其塑性黏度、屈服值以及降濾失性均沒有發生改變。尤其是加入陰離子纖維素聚合物后,四氧化錳鉆井液體系具有更加穩定的流變性和降濾失性。四氧化錳鉆井液的降濾失性與碳酸鈣/重晶石鉆井液相當,均高于甲酸鉀鉆井液。但流變性更好,可使井筒內部環境更加穩定,加快了鉆速節省了深井鉆探的時間和開支。四氧化錳鉆井液達到了Unayzah-B氣藏所需密度要求同時保護了儲層,是在傳統鉆井液基礎上改進后更適合于Unayzah-B氣藏的鉆井液體系。

4.3 生物可降解的表面活性添加劑

在過去的50年里,工業上主要依靠改性的有機黏土在非水基鉆井液中提供黏度和懸浮性,然而,隨著環境法規的限制,用作黏土添加劑的傳統的季銨鹽由于對環境污染較大,因此被禁止使用。通過實驗測試,雖然許多化合物都可以用作黏土添加劑,但只有少數生物可降解的季銨鹽滿足環境要求[30]。這類季銨鹽與傳統的季銨鹽特性相似,但這種季銨鹽表面活性劑具有酰胺鍵,可以作用于黏土表面與鉆井液形成絡合物,從而提供黏度和懸浮性。其結構式如圖2所示。

圖2 季銨鹽表面活性劑結構式圖

這里M-是一種負離子,比如氯離子、硫酸甲酯基、溴離子、醋酸根離子、碘離子;R1是一種具有10個或更多碳的飽和烴基;R2、R3和R4是相同或不同的烴基,比如甲基、乙基或苯基,x大于或等于1。這種陽離子表面活性劑在有氧條件下被微生物分解為更小的化合物,通常是二氧化碳和水。因此使用這種有機物不會對周圍環境造成危害。用可降解的季銨鹽替代傳統的脂肪族表面活性劑,同時也減少了對不分解黏土的使用,防止了它們對環境的污染。

新型改進有機質黏土的成分為:季銨鹽(占該有機質黏土質量的30%～50%)、幾種不同類型的黏土(膨潤土、蝕變輝石和凹凸棒石)以及不飽和二甲基脂肪銨和甲基苯基脫氫脂氯化銨。

4.4 泥頁巖抑制劑

隨著鉆井液技術進步,瀝青類、腐殖酸類和聚合物類泥頁巖抑制劑用量逐年增加,但幾乎沒有新泥頁巖抑制劑的研發報道。直到21世紀初,才出現了泥頁巖抑制劑乙基葡萄糖苷和胺基抑制劑SIAT的相關報道。

趙素麗[31]等人將淀粉在酸性條件下水解成葡萄糖,加熱使葡萄糖溶解于乙醇并在催化劑作用下進行反應,得到粉末狀乙基葡萄糖苷。在室內考察了其作為鉆井液處理劑的應用性能。塔河油田水敏地層巖屑在4%黏土漿中于80℃滾動16 h后,加有2%乙基葡萄糖苷的黏土漿中巖屑的回收率由之前的22.2%提高到72.9%;巖粉壓片在5%乙基葡萄糖苷水溶液中的膨脹率小于10%KCl溶液中的膨脹率;同時乙基葡萄糖苷的加入也使巖粉壓片在聚合物溶液中的膨脹率大幅度降低。乙基葡萄糖苷與水基鉆井液處理劑配伍性好,對油氣層無損害,能抗150℃高溫,可用來配制中深井防塌水基鉆井液體系。

屈沅治[32]在實驗室合成了胺類抑制劑SIA T,合成路線如圖3所示。

圖3 胺類抑制劑SIA T的合成路線圖

考察SIA T的抑制作用、鉆屑回收率及其配伍性能,發現有機抑制劑SIA T分子對膨潤土有很好的抑制作用,這是因為SIA T抑制劑分子中極性大的胺基易被優先吸附,與水分子爭奪黏土顆粒上的聯結部位,從而減少泥頁巖的水化膨脹,而且SIA T相對分子質量小,能嵌入黏土層間,阻止水分子的進入;SIA T在鉆屑上有很強的吸附作用,熱滾后的鉆屑形狀完好,回收率高;與鉆井液配伍性好,不改變鉆井液流變性。

4.5 高溫保護劑(GHB)

楊澤星等人以苯乙烯磺酸鈉(SSS)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AM PS)為單體,采用過硫酸銨—亞硫酸鈉氧化還原體系作引發劑,硫代乙醇酸為分子量調節劑,運用水溶液聚合法合成出鉆井液高溫保護劑(GBH)。按照配方4%基漿+2% SF+8%SPNH+1.0%GBH配制鉆井液,在220℃下熱滾16 h后,發現熱滾前后鉆井液的流變性和API濾失量變化幅度不大,高溫高壓濾失量僅為14 m L。說明GBH對磺化鉆井液處理劑有協同增效的作用,提高了鉆井液整體抗溫性能。高溫保護劑研究成功后,先后在吉林油田長深5井、新疆油田莫深1井上得到成功應用,抗溫能力超過200℃。

5 鉆井液泥餅清除技術

5.1 鉆井液泥餅清洗劑的發展現狀

清除水平井和多分支井的鉆井液泥餅是一項艱巨的工作[33]。可以使用機械(注水)和化學方法(酸、氧化劑和酶),但這些方法都存在局限。注水法將大量的水注入地層,可能導致出砂和水堵從而影響產量。氧化劑是一種很活潑的化學物質,它具有將硫化氫氧化為單質硫的作用。酶用來去除聚合物材料已經有10多年的歷史。由于酶不能移除碳酸鈣,故在酶處理之后有必要進行酸洗。其中一種改進是將酶與弱酸在處理中混合使用;另一種改進適用于高溫條件下,使用酶和螯合劑。然而,在高漏失井中使用酶仍然是一個較大問題。為了降低漏失速度,必須增加酶溶液的黏度。這一問題可以用聚合物或黏彈性表面活性劑來解決。

通過實驗研究表明:黏彈性表面活性劑和酶溶液是配伍的,表面活性劑的出現并沒有使酶分解聚合物的時間發生顯著變化,將其加入到酶溶液中能顯著減少酶溶液的表面張力。這種混合液能使濾失量降到最小,并且在清除濾餅時能保持井壁穩定性。黏彈性表面活性劑增強了酶和濾餅的接觸。改善在井內回流時提升懸浮固體的能力。但是在高溫下,黏彈性表面活性劑能減少α—淀粉酶的表面張力,該系統不適用于高溫(低于240υ)。

5.2 氯化銨清洗液

注水井中的濾餅清除作業存在很大的問題,因為必須要求清除液能回流入井來清除殘余的泥餅。同時,如果殘余的泥餅不能通過其他的方法去除的話,注水井將變得不可恢復。一般清洗液(包括酸、螯合劑、氧化劑、酶或這些物質的混合物)的高反沖性會提前去除部分泥餅,破壞了泥餅的完整性,以致很難完全清除。為了延緩這種反沖作用,就研制了一種延遲清洗液——氯化銨溶液[34]。氧化鎂橋堵顆粒不溶于水基和鹽水基鉆井液體系,雖然用酸、氧化劑等傳統的清洗液能夠清除,但是同樣會出現高反沖問題。而氯化銨溶液能夠溶解氧化鎂和其他鉆井液組分,而且能夠在保持泥餅完整性的情況下徹底清除它。

6 結論

隨著鉆遇地層越來越復雜,鉆井液技術在穩定井壁方面的要求也越來越高,主要呈現出以下發展趨勢。

1)提高機械鉆速的鉆井液技術——快鉆劑的研發以及快速鉆井液技術。

2)提高薄弱地層的承壓能力,擴大安全密度窗口的鉆井液技術。其中如何能夠準確控制各種加重鉆井液的密度和隨時作出密度調整是今后窄密度窗口地層加重鉆井液技術發展的重點。

3)裂縫性地層的堵漏技術。解決裂縫性地層漏失難題最有效的辦法在于迅速封堵和加固裂縫,而這就需要各種堵漏材料的相互協同作用,這是目前堵漏劑的發展趨勢。

4)泥頁巖井壁穩定技術。泥頁巖井壁穩定問題是世界性難題,目前仍沒有得到實質性的解決。泥頁巖抑制劑的研發和泥頁巖井壁穩定評價實驗體系的建立是泥頁巖井壁穩定技術發展的兩大重點。

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New progress in drilling fluid technology at home and abroad

Zhang Yanna1,2,Sun Jinsheng2,Wang Qian1,Liu Dexun3,Yang Zexing2
(1.Petroleum Ex p loration and Development Research Institute,PetroChina,Beijing 100083,China;2.Research Institute of Petroleum D rilling Engineering Technology,CN PC,Beijing 100083,China;3.L angfang B ranch of Petroleum Exp loration and Development Research Institute,PetroChina,L angfang,Hebei 065000,China)

NATUR.GAS IND.VOLUM E 31,ISSUE 7,pp.47-54,7/25/2011.(ISSN 1000-0976;In Chinese)

In o rder to comp rehensively understand the current research situation and the developing trend of drilling fluid technology both at home and abroad,this paper summarizes the new techniquesof drilling fluid arisen in recent years based on investigating and surveying the relevant literature of domestic and overseas drilling fluid techniques.The new drilling fluid systems,reservoir p rotection,lost circulation p revention and p lugging,new drilling fluid additives,and mud cake removal techniques are respectively introduced herein.Various kinds of water-based drilling fluid system,oil-based system,synthetic-based system,membrane-fo rming system are listed under the topic of new drilling fluid system s.Mo reover,this paper introduces the techniques fo r p rotecting fractured carbonate reservoirs,lost circulation p revention and p lugging technologies,like the filtrate reducer of soluble grain and micro gel polymer,ultra-low permeability additives,and the new ly developed drilling fluid additives,fast drilling additive KSAJ,weighting agent M n3O4,quaternary ammonium salts surfactant,shale inhibitor(ethyl glucoside and SIA T)and high-temperature p rotective agent GHB.In the end,the mud cake removal technology is also briefly described.

drilling fluid technology,development,drilling fluid system,reservoir p ro tection,lost circulation p revention and control,drilling fluid additives,mud cake removal

張艷娜等.國內外鉆井液技術新進展.天然氣工業,2011,31(7):47-54.

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.012

國家科技重大專項“深井高溫泥漿及高溫高壓固井等配套工藝技術”(編號:2008ZX05021-004)。

張艷娜,女,1982年生,博士研究生;主要從事鉆井液技術研究工作。地址:(100083)北京市海淀區學院路20號。電話:18710020527。E-mail:sdzyn2009@126.com

(修改回稿日期 2011-05-07 編輯 居維清特約編輯 楊 斌)

DO I:10.3787/j.issn.1000-0976.2011.07.012

Zhang Yanna,bo rn in 1982,is studying fo r a Ph.D degree,doing research on drilling fluid technology.

Add:No.20,Xueyuan Rd.,Haidian District,Beijing 100083,P.R.China

Mobile:+86-18710020527 E-mail:sdzyn2009@126.com