綠色高性能水基鉆井液研究進展及發展趨勢

司西強,王中華

(中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院,河南 濮陽 457001)

近年來,隨著世界環保要求的日益嚴格,鉆井液的環保問題也就越來越凸顯出來。早期鉆井液體系中常含有原油、柴油等各種礦物油以及大量的非環保化學劑,不可避免的會對環境造成一定影響。為防止鉆井液對地層、土壤和生態環境造成不良影響,同時考慮到復雜地層對鉆井液性能的要求,需要使用無毒無害的綠色高性能水基鉆井液來滿足現場鉆井施工的綠色、安全、高效鉆進。前期國內外研究人員在綠色高性能水基鉆井液方面開展了大量研究,鉆井液的綠色化已成為世界范圍內鉆井液發展的必然趨勢[1]。為進一步提高對綠色高性能水基鉆井液重要性的認識,滿足對綠色高性能水基鉆井液進行深入研究的技術亟需,本文對近年來形成的常見綠色高性能水基鉆井液體系進行簡要介紹,主要包括醇基鉆井液、糖基鉆井液、胺基鉆井液等,并在此基礎上對其發展趨勢進行展望,以期對鉆井液研究人員具有一定啟發作用。

1 綠色高性能水基鉆井液研究進展

1.1 醇基鉆井液體系

醇基鉆井液是20世紀90年代出現的一類新型鉆井液,經過近30年的發展,雖然其作用機理尚存爭議,但其表現出的優良性能得到了研究人員一致認可。該類鉆井液抑制及潤滑性能優良、配伍性好、無熒光、無毒環保及利于儲層保護。最具代表性的是聚合醇鉆井液和聚醚多元醇鉆井液。

1.1.1 聚合醇鉆井液 聚合醇多為聚二醇,也可以是丙三醇或聚甘油,以其為主劑配成的鉆井液統稱為聚合醇鉆井液。聚合醇分子含有多個羥基,易溶于水,但其溶解度會隨著溫度升高到某一點后而降低,此時水溶液呈渾濁狀,這一轉折溫度稱為濁點；可以利用聚合醇的濁點效應來降低鉆井液的高溫高壓濾失量,以滿足對封堵性能要求較高的地層。

王洪寶等[2]在聚合物鉆井液中加入3%聚合醇JCP-1得到了聚合醇鉆井液。聚合醇的加入對鉆井液性能影響很小,聚合醇加入前后,100 ℃下頁巖回收率由58%升至86%,80 ℃下的泥餅粘附系數由0.100降至0.038,粘附系數降低率達63%。在現場42口井的水平段使用JCP-1聚合醇鉆井液,均未出現鉆井事故。其中,永12平4井鉆具與井壁之間摩阻由280 kN降至90～110 kN；無垮塌掉塊現象,井徑擴大率僅6.68%；地層滲透率恢復值由71.2%升至87.0%,該井投產后產量是鄰井直井的9倍。

于培志等[3]研制了一種聚合醇鉆井液體系,鉆井液流變性及濾失量變化很小,抗溫達到120 ℃,摩阻系數降低率達50%。劉平德等[4]研制了一種新型聚合醇鉆井液。當聚合醇加量為3.0%時,得到的聚合醇鉆井液具有較好的熱穩定性、抑制性,流變性能優良,能夠滿足現場鉆井施工要求。褚奇等[5]將丙三醇、乙二醇和聚乙二醇200等聚合醇產品溶于水,形成鉆井液液相,配合其它處理劑構建得到一種新型聚合醇鉆井液,比傳統強抑制鉆井液更有利于抑制地層黏土礦物的水化膨脹分散。

張景紅等[6]介紹了Aqua-drill醇基鉆井液體系在雪古1井的應用情況。該體系主處理劑為具有優良頁巖抑制性能和潤滑性能的聚乙二醇類化合物Aqua-col。該鉆井液體系在雪古1井應用過程中性能穩定,流變性及攜巖帶砂效果好,無沉沙粘卡等現象,井壁穩定,井眼規則暢通,起下鉆順利。

1.1.2 聚醚多元醇鉆井液 聚醚多元醇鉆井液是除聚合醇鉆井液之外的一類新型醇基鉆井液體系,主要用于地質條件較復雜地區和環境敏感地區。目前聚醚多元醇種類較多,由于分子結構不同,導致效果各異,使用過程中主要存在抑制性不足、起泡、配伍性差等問題。因此,對聚醚多元醇分子結構的優化控制成為聚醚多元醇鉆井液體系發展的技術關鍵。

邱正松等[7]以研發的改性聚醚多元醇構建得到了一種聚醚多元醇鉆井液。其抑制防塌機理包括吸水、滲透、競爭吸附、成膜等作用。呂開河等[8]以多功能聚醚多元醇SYP-1為主劑,配伍優選了聚合物包被劑、防塌劑和降濾失劑等關鍵處理劑,形成了一種新型聚醚多元醇鉆井液。應用該體系在LN3-6H井和HD4-23H井鉆進過程中,井壁穩定,井徑規則,起下鉆暢通,下套管等完井作業順利。

1.2 糖基鉆井液體系

1.2.1 烷基糖苷鉆井液

(1)甲基糖苷鉆井液

1997年以來,國內相關研究及應用發現,甲基糖苷鉆井液具有良好的抑制、潤滑、環保及儲層保護性能[9],當鉆井液中甲基糖苷含量接近40%時,可顯著降低鉆井液水活度,形成理想半透膜,阻止鉆井液濾液侵入地層導致的泥頁巖水化膨脹,有效維持井眼穩定。

1999年甲基糖苷鉆井液在國內新疆沙113井首次現場應用[10],應用情況表明,該體系通過成膜護壁作用表現出優良的抑制防塌效果,井徑規則、電測取心一次成功。平均機械鉆速為9.41 m/h,比鄰井提高47.8%。

2011年甲基糖苷鉆井液在中原油田衛383-FP1井[11]等非常規水平井上成功應用。為了控制成本,鉆井液中甲基糖苷的加量僅為15%,對泥頁巖地層的井壁失穩問題不能很好的解決,但潤滑性能優良,適于鉆探致密砂巖地層。

綜上所述,甲基糖苷鉆井液現場試驗效果良好,但也普遍存在著加量大、成本高、抑制及抗溫性能有待提高等問題,限制了其進一步推廣應用。今后應在甲基糖苷產品本身的分子結構優化上開展研究,合成出高性能的甲基糖苷衍生物,并形成以其為主劑的鉆井液體系。

(2)陽離子烷基糖苷鉆井液

司西強等[12-16]針對烷基糖苷鉆井液在現場應用中出現的問題,首次將陽離子烷基糖苷(CAPG)引入鉆井液,研發得到CAPG鉆井液,其配方組成為：6%CAPG+0.6%降濾失劑LV-CMC+0.6%流型調節劑XC+0.4%增黏劑HV-CMC+3%封堵劑WLP+0.4%NaOH+0.2%Na2CO3+24%NaCl+0.4%抗氧化劑NaHSO3。鉆井液性能如下：抗溫達160 ℃；巖屑一次回收率和相對回收率均接近100%；相對抑制率>91%；極壓潤滑系數0.097；濾液表面張力19.52 mN/m；中壓濾失量4.0 mL；抗鹽達飽和,抗CaCl2達5%,抗膨潤土10%,抗鉆屑10%,抗水侵20%,抗原油10%；巖心的動靜態滲透率恢復值均大于92%。CAPG鉆井液的各方面性能均優于烷基糖苷鉆井液,在陜北、中原、內蒙等地區現場應用80余口井,為現場井壁失穩、托壓卡鉆等井下復雜情況提供了較好的解決措施,應用前景廣闊。

(3)NAPG類油基鉆井液(近油基鉆井液)

司西強等[17-19]以自主研發的聚醚胺基烷基糖苷NAPG作為基液,優選增粘劑、降濾失劑、封堵劑等配伍處理劑,構建并優化形成了綠色、低成本、高性能的NAPG類油基鉆井液體系。該鉆井液性能如下：鉆井液抗溫達150 ℃,流變性好,動塑比0.327,初終切適宜,中壓濾失量0 mL,高溫高壓濾失量6.0 mL；頁巖一次回收率和相對回收率均接近100%；潤滑系數降低率達69.62%；濾液表面張力26.60 mN/m；鉆井液抗污染性能好；巖心動靜態滲透率恢復值均大于91%；鉆井液EC50值為528 800 mg/L,無生物毒性。NAPG類油基鉆井液性能與油基鉆井液相當,且類油基鉆井液在環保方面具有顯著優勢,適用于強水敏性泥巖、含泥巖等易坍塌地層及頁巖氣水平井鉆井施工,可緩解目前油基鉆井液環保壓力,擴大水基鉆井液適用范圍,應用前景廣闊。

1.2.2 聚糖鉆井液 天然聚合糖具有來源豐富、價格低廉、綠色環保等諸多優點,得到科研人員廣泛關注。自20世紀70年代以來,國內外開發的聚糖類油田化學品已多達上百種,在實際應用中取得了較好效益。目前聚糖鉆井液主要有淀粉鉆井液和植物膠(雜多糖甙)鉆井液。

(1)淀粉鉆井液

淀粉鉆井液是一種具有膨脹性流體特征的聚糖鉆井液體系[20]。主要有以下性能特點：①淀粉在高速攪拌時會形成網架結構,導致鉆井液黏度隨動切力的增大而升高,靜置時又恢復原狀；②淀粉分子上的羥基與黏土表面的氫氧根離子可以形成氫鍵而互相吸附,保持黏土穩定的分散狀態,發揮出較好的降濾失作用；③淀粉分子可膠結巖石顆粒,同時在井壁表面形成一層薄而堅韌的吸附膜,阻礙水分子進入地層內部,起到較好的護壁防塌作用；④淀粉具有優異的抗鹽性,可作為飽和鹽水鉆井液中的降濾失劑。

(2)植物膠鉆井液

植物膠主要來源于樹木枝干分泌的粘稠液體或植物果實的提取物,其主要成分為半乳甘露聚糖形成的天然雜多糖苷,干燥后的外觀為透明或半透明的無定形物質。植物膠在工業領域應用廣泛,但鮮見在鉆井液中應用的報道。20世紀90年代以來,國內外將多種植物膠用于鉆井液中[21],表現出較好的應用效果。其中江蘇油田成功將雜多糖應用于油田鉆探施工并取得良好的經濟效益和環保效益[22]。

王越之等[23]以新研制的抗溫抗鹽增粘劑FTVS為基礎,開發了一種多糖鉆井液體系。該體系抗溫達150 ℃,流變性獨特,觸變性強,配伍性好,抗鹽可達30%,可生物降解。張潔等[24-25]對天然聚糖SJ分別進行了磺化、磷酸酯化、陽離子化改性,得到系列改性聚糖產品,以其為主劑配制得到改性聚糖鉆井液,該體系抗溫達120 ℃,流變性好,濾失量低,攜巖帶砂效果好,起下鉆順暢。

1.3 胺基鉆井液體系

1.3.1 Ultra Drill高性能水基鉆井液 Patel等研制了Ultra Drill高性能水基鉆井液[26],目前該鉆井液在國外應用廣泛,其中包括一些極端氣候環境。該鉆井液主要以Ultra Hib(堿性抑制劑)和Ultra Cap(陽離子丙烯酰胺)為抑制劑,LV-PAC(聚陰離子纖維素)為降濾失劑,XC(黃原膠)為增黏提切劑,Ultra Free(表面活性劑)為防泥包和潤滑劑。堿性抑制劑聚醚二胺分子鏈上的極性吸附基團可在黏土顆粒上發生強吸附,形成吸附膜,阻止黏土礦物的水化分散。目前Ultra Drill高性能水基鉆井液在大港、冀東及湛江等油田進行了現場應用,該鉆井液能夠穩定井壁,提高鉆井速度,提高采收率。

1.3.2 聚胺高性能鉆井液 聚胺高性能鉆井液是性能最接近油基鉆井液的水基鉆井液,在深水鉆井領域具有廣闊的應用前景。邱正松、趙欣等[27-28]研制了一種聚胺強抑制劑SD-A,構建得到了適用于深水鉆井的聚胺高性能鉆井液體系。該鉆井液體系抗溫達150 ℃,且低溫流變性優良,2 ℃和25 ℃的表觀黏度比和動切力比分別為1.36和1.14；抑制性能優異,其抑制頁巖水化分散效果與油基鉆井液相當；在模擬1 500 m水深的海底低溫高壓(1.7 ℃,17.41 MPa)條件下,具備120 h抑制水合物生成的能力；抗鈣、抗劣土污染能力強；無生物毒性,能滿足深水鉆井環保要求。

1.3.3 HPWBM鉆井液(高性能水基鉆井液) HPWBM鉆井液[29]是一種覆膜聚合物高性能水基鉆井液體系,其主要由黏土抑制劑AP-1、可變形封堵防塌劑DS及表面活性劑S-80等組成,具有較好的穩定性、封堵性和潤滑性。該體系的黏土抑制劑采用4.5%KCl與胺基化合物復配使用時效果最佳；該體系抗污染能力強,采用42.795 g/L膨潤土污染的鉆井液坂土含量只有14.265 g/L。該鉆井液在Marlin Leste油田應用時,平均鉆速為12 m/h,比使用常規鉆井液時快7 m/h,鉆井效率明顯提高。

1.3.4 鋁胺高性能水基鉆井液 鋁胺高性能水基鉆井液[30]的特殊之處在于添加了胺基聚醇(AP-1)及鋁聚合物(DLP-1),受到國內外鉆井液技術人員的廣泛關注。在實際鉆井過程中,頁巖不穩定會造成井壁失穩,嚴重時會導致井眼報廢,而加入鋁聚合物后會生成氫氧化鋁沉淀,其可與地層礦物質結合而起到固結井壁的作用,在井壁上形成的物性薄膜能夠起到較好的封堵作用。現場應用情況表明,鋁胺基鉆井液流變性能穩定,動塑比為0.5,中壓濾失量為2.4 mL,巖心污染后滲透率恢復值大于90%。該鉆井液在夏103-1HF井及辛176-斜12井成功應用,表現出較好的井壁穩定及井眼清潔能力。

張浩[31]對有機胺、鋁基聚合物、物理封堵劑、降濾失劑、潤滑劑和流型調節劑等進行了優選和復配,確定了鋁胺基鉆井液的配方。該鉆井液強抑制,強封堵,潤滑、流變及抗溫性能優良,其所污染巖心的滲透率恢復值>90%。在夏103-1HF井的現場應用表明：該鉆井液流變性能穩定,動塑比在0.5左右,中壓濾失量控制在2.4 mL以內,高溫高壓濾失量控制在8 mL以內,泥餅黏附系數<0.1,三開井眼井徑規則,平均井徑擴大率僅為2.0%。該鉆井液適用于非常規大斜度井和水平井。

2 綠色高性能水基鉆井液發展趨勢

近年來,盡管綠色高性能水基鉆井液的研究及應用取得了較大進展,取得了較大的經濟效益和社會效益,但仍存在以下問題：(1)環保評價方法與指標不統一,特別是缺少方便現場簡單、快速、安全、準確的環保性能評價方法；(2)目前現有的多數高性能水基鉆井液雖性能優良,但成本較高,一定程度上限制了其推廣規模；(3)鉆井液所用處理劑在環保性能和鉆井液穩定性之間的矛盾沒有得到很好解決；(4)針對近年來頁巖油氣大開發,由于鉆遇裂縫層理發育地層、破碎帶地層時的井壁穩定難度較大,對鉆井液的綠色環保、使用成本及防塌潤滑性能等方面要求越來越高,用綠色高性能水基鉆井液替代油基鉆井液的成為鉆井液技術發展的必然趨勢,但現有的綠色高性能水基鉆井液還遠遠達不到現場綠色、安全、經濟、高效鉆進的技術亟需。

因此,未來的綠色高性能水基鉆井液應該從以下幾個方面實現突破：(1)深入開展鉆井液處理劑分子結構與性能的內在關系,為新型綠色環保處理劑的研發提供理論支撐；(2)充分利用高性能、來源廣、儲量豐富、廉價的環保天然材料,采用綠色工藝,對其進行深度化學改性,制備綠色新型鉆井液處理劑,滿足現場復雜地層綠色、安全、經濟、高效鉆進的技術亟需；(3)在新型鉆井液處理劑及鉆井液新型體系的推廣應用過程中,應根據不同地層的技術需求,綜合考慮鉆井液性能、成本、環保之間的關系,綜合評價鉆井液應用效果,以獲得最佳的綜合效益。(4)大力完善和推廣醇基鉆井液、糖基鉆井液、胺基鉆井液等已經具有一定研究和應用基礎的綠色高性能水基鉆井液體系,特別是開展作用機理與油基相近、性能與油基相當、且具有油基鉆井液所不具備的環保優勢的近油基鉆井液體系[32]的研發及推廣,將會是綠色高性能水基鉆井液實現突破性發展的關鍵。