低活度水基鉆井液體系中的活度調節劑的研究與應用

曹伶，于培志

(中國地質大學(北京) 工程技術學院，北京 100083)

隨著全球對于資源的需求日益增加，同時人們環保意識不斷加強，且國家環保法律法規日漸嚴格，并且由于疫情等多方面影響，油價現狀低迷，而高性能水基鉆井液就是為了以低成本實現強水敏性泥頁巖膜及含泥巖等易坍塌地層的環保開發的鉆井液新體系[1-3]。國外一些知名公司較早投身于高性能水基鉆井液的研發，相繼推出高性能水基鉆井液產品，國內則在此方向上研究較少。因此針對易失穩地層開展構建仿油基低活度防塌型鉆井液體系，形成適合深部復雜地層需要的高性能低活度鉆井液技術，對于節約鉆井成本，提升整體鉆井效率等都具有十分重要意義[4-6]。本文就低活度防塌性水基鉆井液這個課題的研究與應用進行了綜述，并且提出展望。

1 低活度鉆井液體系防塌機理

活度調節劑即低活度水基鉆井液體系防塌性的重點，其以杜南平衡理論及其延伸為主要依據。當溶液水活度高于頁巖活度時，頁巖會因濃度差而發生膨脹，而后膨脹到一定程度后產生微裂縫，致使強度降低，與外部液體的接觸面積增大，膨脹進一步擴展，進而導致井壁的坍塌[7-9]。當溶液水活度低于頁巖活度時，鉆井液中的水分子會慢速或者不再向井壁圍巖中滲漏。以此利用活度差來控制鉆井液中的水分子向井壁運移的速度和量。以此來盡可能的減少圍巖水化的條件即水分子的多少。從而達到井壁的穩定性[10-12]。另外，活度可以影響圍巖的同時，構成圍巖的粘土礦物同樣影響著自身的水活度。經實驗表明頁巖水活度與粘土礦物含量呈正相關，其中蒙脫石含量對于活度影響較大[13]。此外在眾多試劑中一部分可以作為活度調節劑，但是從其成本與它的環保性出發又往往不能兩全。本文針對不同類別的低活度鉆井液體系進行梳理總結。對于低活度鉆井液體系的研究具有指導意義。

2 高效活度調節劑

現階段的活度調節劑分為有機鹽、無機鹽、非鹽類三大類。

2.1 無機鹽類

無機鹽類是最常用的傳統活度調節劑，并且其效率相比無機鹽與其他非鹽類較高。所以在現場應用較多，同時多配合鍵合劑，封堵劑等使用。常用于調節活度的無機鹽有：NaCl、CaCl2、MgCl2、KCl等。陰離子相同時，Na+在低濃度時降低溶液水活度的能力高于 K+、Ca2+、Mg2+，隨著濃度升高，Ca2+、Mg2+降低水活度的能力進一步增強超過 Na+[14]。2017年，郭海峰等[15]，在東海某油氣田大斜度井上應用NaCl降低體系活度以實現提高抑制性的目的。原始的低自由水鉆井液體系是針對東海地層特點研發的一套鉆井液體系，但應用于三口井都發生了井下復雜問題，于是結合作業情況，提出加入NaCl為活度調節劑將鉆井液活度調整至低于該區塊地層泥巖活度。改良配方之后，鉆井作業順利進行。2020年，何福耀等[16]在東海海域H6-1井應用反滲透鉆井液，運用鍵合劑HBA和無機鹽調節鉆井液活度，使鉆井液活度保持在地層泥頁巖地層活度以下，不僅可控制泥頁巖穩定性還可保護儲層。

雖然無機鹽的降活度效果好，且成本低，但是由于它對于鉆井液具有的不良影響也比較大同時存在污染周圍巖土層的問題，所以大趨勢是盡量減少無機鹽類活度調節劑的使用，并且實驗發現單一試劑的降活度性能相對復配試劑降活效果差,所以無機鹽與其他類別試劑復配降活度逐漸被廣泛應用[17]。其中多為兩種或兩種以上無機鹽復配、無機鹽與有機鹽復配、無機鹽與非鹽類復配。

劉勝等[18]將活度平衡運用到東海油氣田x11井上，應用鍵合劑HBA產生反向滲透壓差，配合NaCl及KCl調節鉆井液體系的活度，平衡液柱壓差和毛管壓力，阻止水向地層傳遞，阻止濾液侵入，達到防塌穩定井壁的目的。構建反滲透鉆井液體系。在降低鉆井液活度的同時采用納米封堵技術，應用納微米級封堵材料膠束劑HMS和固壁劑HGW對泥巖納微米級孔喉進行有效封堵，建立滲透屏障；在現場應用效果良好，具有高抑制性，強抗溫能力，潤滑性良好，抗污染能力強等特點，且儲層保護效果好。應用后日產量上升一倍。

陳華等[19]發明公開了一種復合鹽低活度防塌鉆井液及其施工方法，該復合鹽低活度防塌鉆井液的復合鹽為有機鹽與無機鹽復配即甲酸鈉和氯化鈉按2∶1的質量比例混合。復合鹽的應用提高鉆井液中化學抑制泥巖防塌的功能和鉆井液的密度。其強化學抑制，低固相，完全滿足了長裸眼段對鉆井液降摩減阻的嚴格高質量要求。

張行云等[20]將低活度與高效封堵性能相結合形成活度平衡高效封堵鉆井液體系應用于渤海中部油田A2、A3井，鉆井作業一切順利。添加21%復合鹽水達到降活度的效果。通過降低體系濾失減少鉆井液中液相進入地層從而使地層水化分散的程度達到穩定井壁的效果。

翟科軍等[21]將無機鹽與糖醇類作為活度調節劑復配形成的低活度高鈣聚胺鉆井液體系應用于淮北101井，通過加入CaCl2增大鉆井液體系中鈣離子的濃度并其將山梨糖醇與海藻糖復配形成低活度劑LAA-1且優選出加量為2%。最終構建出低活度高鈣聚胺鉆井液體系，應用于淮北101井的二開與三開擴井效果可觀，井壁穩定效果良好。

2.2 有機鹽類

實驗證明，當陽離子相同時，氯離子在低濃度時降低溶液水活度能力高于碳酸根、乳酸根和甲酸根離子等有機酸根。但是隨著濃度升高，甲酸根離子降低溶液水活度能力進一步增強超過氯離子；所以有機鹽試劑的降活度效果在相對濃度低的時候，沒有無機鹽類的要好，但是較高濃度的甲酸鹽類的降活效率還是很可觀的，并且有機鹽類相對無機鹽污染性和毒性較低，具較強環保性[22]。常用于調節活度的有機鹽有：醋酸鉀、醋酸鈉、甲酸鹽、甲酸鈉、碳酸鉀、乙酸甲、乙酸鈉等。其中降活效率高的為甲酸鹽類。1986年，醋酸鉀(KAc)作為鉆井液中氯化鉀(KCl)的一種更環保的替代品自提出以來已被成功應用。1998年，另一種鉀鹽甲酸鉀(KCOOH)被提出并應用于鹽水和鉆井液配方中[23]。甲酸鹽因其可生物降解且對水生生物毒性低而日益受到關注。除此之外，它們對油田管道和輔助硬件中使用的鐵基金屬幾乎沒有腐蝕性。它們在水中具有異常高的溶解度，并降低了許多增粘劑和失水劑在高溫下的水解和氧化降解速率[24]。Zhong H Y等[25]通過膨潤土抑制試驗、頁巖熱軋分散試驗和顆粒分布試驗，評價了甲酸鹽類的抑制性。通過zeta電位測定、X射線衍射分析、改性蒙脫土吸水性試驗和活性試驗，分析了甲酸鹽的緩蝕機理。結果表明，甲酸鹽則主要通過降低溶液活度來阻止粘土水合。在1999年，Gallino G等[26]在意大利南部通過極塑性頁巖鉆探幾口井時成功使用的創新醋酸鹽或甲酸鹽泥漿配方。非生產區的鉆井聚合物泥漿，其配方中包括低濃度甲酸鉀，作為常規KCl的替代品，首次廣泛應用于ENI S.p.A./Agip分區井。在ENI S.p.A./Agip分部，K-醋酸鹽和K-甲酸鹽聚合物泥漿已用于在意大利南部兩個不同油田(A和B)鉆探11口井。自甲酸鹽被提出并應用與鉆井行業中便迅速推廣起來，2002年[27]在國外已采用甲酸鈉聚合物鉆井液鉆兩口水平井和1口側鉆水平井，歐洲各國已用甲酸銫鉆井液鉆了100多口井，均取得很好的效果。2016年，Isinak A a等[28]在阿爾巴尼亞亞得里亞海岸附近的卡尼納鎮附近的Vlora區卡尼納1號井的1 610～4 653 m的關鍵中間段成功地利用了多元醇-碳酸鉀復合體系。使用了比重為1.20～2.05的泥漿，其中含有12%的復合多元醇添加劑、40 kg/m3的碳酸鉀和2%的潤滑、滲透率增強添加劑。在這種抑制性水基流體中，鉆速遠高于預期，PDC鉆頭性能良好。2018年于雷等[29]鑒于有機鹽對鉆井液性能影響小的特點和鉀離子獨特的抑制頁巖水化作用，選擇甲酸鉀作為鉆井液活度調節劑甲酸鉀溶液最佳活度應控制在0.900～0.950。綜合考慮性能、成本等因素，確定甲酸鉀加量為15%。2020年，于雷等[13]將有機鹽weigh2與甲酸鈉和甲酸鉀抑制性相比優選出有機鹽weigh2作為活度調節劑，并發現當活度低于0.94時膨脹率與頁巖回收率優化不明顯。選取最優活度值為0.94。

在國內[30]采用甲酸鉀取代KCl作為鉀基鉆井液的活度調節劑而形成的無氯新鉀基鉆井液體系先后在東部地區、南海西部鉆井,收效明顯。

2.3 非鹽類

目前非鹽類降活劑研究范圍中效果較好且常被提及的有：乙二醇、丙二醇、1-2丙二醇、山梨醇、甘露醇、木糖醇、甲基糖苷、甲基糖苷衍生物、葡萄糖、麥芽糖、山梨糖醇與海藻糖等。非鹽類在水基鉆井液活度調節劑中是屬于環保性最強的品類了，但他不能兼顧高效降活。因此醇類降活劑多采用醇類間復配形成多元醇或與鹽類復配以此達到良好降活效果,據文獻，多元醇與鹽混合使用比其單獨使用更有效[31]，多元醇如聚乙二醇、聚丙三醇、甲基葡萄糖苷等與鹽類復配時對頁巖穩定性作用比單獨使用時效果明顯提高。改進了頁巖流體成膜效率。鹽類降低了鉆井液水活度，頁巖可有效進行脫水作用。

2019年，張敬輝等[32]將低活度應用于酒精基鉆井液中，其中降低活度的方法為在制備好的膨潤土漿中加入小分子多元醇，即加入乙二醇、丙二醇、1-2丙二醇、山梨醇、甘露醇、木糖醇中的一個或多個進行復配制備出高效活度調節劑。該低活度酒精基鉆井液體系具有環保性，對環境無害，且易于控制。2011年，肖金裕等[33]將有機鹽聚合醇鉆井液在頁巖氣井中，用其與聚磺鉆井液、聚合物鉆井液浸泡寧 206 井現場頁巖巖心，頁巖巖心在有機鹽聚合醇鉆井液中浸泡后活度降低更多，說明該鉆井液比其它鉆井液具有更低的活度，減少了水分子進入泥頁巖的破壞作用，充分體現出該鉆井液的低活度、防塌特性。 糖類則是多用于與鹽類非鹽類試劑復配，做輔助效果甚佳。上文提到[20]，將CaCl2增與山梨糖醇與海藻糖復配形成低活度劑LAA-1降低水基鉆井液活度。

除糖醇類以外其他一些試劑在活度調節方面的價值也不斷被發掘、提出并改進。1999 年[34]甲基糖苷鉆井液在國內新疆沙113井首次現場應用，現場試驗效果良好，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。 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。在克服這些問題時國內外采取了不同的技術路線，國外開展了通過烷基糖苷與無機鹽的復配來減少 APG 加量的研究; 國內開展了通過烷基糖苷的改性來達到減小加量、降低成本的目的，主要得到了陽離子烷基糖苷(CAPG) 、聚醚胺基烷基糖苷(NAPG) 等改性產品[35-37]。2016年[38]甲基糖苷衍生物CAPG、NAPG 等產品已在新疆、陜北、內蒙、四川和中原等地區應用近 50 井次，滿足了強水敏性泥巖、含泥巖等易坍塌地層長段水平井開發的需要。針對頁巖氣長水平井對鉆井液井壁穩定、潤滑防卡和攜巖帶砂等性能要求高，中原石油工程有限公司自主研發出以NAPG、CAPG 和 APG 為核心主劑的烷基糖苷衍生物鉆井液體系，簡稱 APD(Alkyl Polyglucoside Derivative)鉆井液。2015年，趙虎等[39]將高濃度的CaCl2溶液加入烷基糖苷鉆井液中形成氯化鈣-烷基糖苷鉆井液體系，該體系水活度可達0.40～0.76，有效降低鉆井液的活度進而提高半透膜效率。2021年，Gao J等[40]研究了以玉米淀粉為主要成分的甲基葡萄糖苷(MEG)鉆井液。結果表明，MEG能有效降低水基鉆井液的水活度，提高頁巖膜效率。MEG鉆井液具有低水活度、高溫穩定性、頁巖抑制性和良好的流變性能。此外，它易于生物降解，可用于環境保護。

除糖類醇類中已知明確用來降低活度的試劑，其他降活試劑也被合成，2021年屈沅治等[41]合成了一種新型頁巖抑制劑名為SGI-1，由堿木質素加入三甲基氯化銨溶液在特定手法下制備而成，其抑制性能好，且環保，并且其降低活度的效果優秀，隨SGI-1加量逐漸增加，水溶液的水活度隨之下降，在加量為2%便可降活度降到0.84以下。

3 總結與展望

隨著環保意識與環保政策發展的同時，兼顧經濟效益，高性能水基鉆井液優化的必要性與日俱增。從杜南理論及其延伸理論出發，對目前常用的水活度調節劑進行梳理與歸納，主要可總結為以下幾方面：(1)無機鹽類為最常用活度調節劑，它具有高效，成本低，但對鉆井液影響大，對周圍環境污染大等特點。(2)有機鹽類試劑具有效率相對無機鹽類相對較低，但大多數環保性強毒性低，有些可生物降解等特點。(3)非鹽類的優點為環保型好、無毒無害可降解；但是也有降活效率低的缺點。但是多種醇類復配形成多元醇會大大提高降活效率，糖類則是在復配中可以起到很好的輔助作用。

目前活度調節劑方向仍需進一步研發：(1)目前鉆井液行業對于環保要求不斷提高，應開發以環保應能為立足點的新型降活度試劑，盡量達到無毒無害可降解。(2)目前常用活度調節劑單體較為單一，無機鹽類方向難以取得進一步發展，應聚焦于無機鹽于非鹽類，擴大原料范圍，通過實驗等手段研究最佳復配方法同時對于性能好的處理劑兼活度調節劑進行優化；開發新型活度調節劑。