生物質合成樹脂降濾失劑在儲氣庫微泡鉆井液體系中的應用

閆杰杰

中國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

在“碳中和、碳達峰”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，它對穩(wěn)定井壁、保護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雜、深井和超深井深部地層的高溫環(huán)境影響，石油勘探開發(fā)對降濾失劑的要求也越來越高，要求降濾失劑兼具結構穩(wěn)定、抗高溫、綠色、易生物降解等性能［3］。樹脂類降濾失劑因具備優(yōu)良的結構穩(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的應用已經(jīng)受到限制［4-5］。

木質素是植物中含量僅次于纖維素的高分子聚合物，結構十分復雜，由苯丙烷基本結構單元組成，含有與苯酚相似的活性位點，可以替代苯酚合成磺化酚醛樹脂［6］。為了提高木質素的應用性能，以生物酶解工藝處理木質素，得到高活性酶解木質素中間體，并以高活性酶解木質素中間體為原料合成兼具環(huán)保性能的生物質合成樹脂降濾失劑（LDR），可以達到產(chǎn)品升級換代的目的。

儲氣庫是保障國家能源安全戰(zhàn)略的基礎設施［7］。衛(wèi)11 和文13 西封閉性較強，儲層物性較好，可作為改建儲氣庫的庫址［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、防漏能力好等優(yōu)點，適合在儲氣庫使用［9-10］。本文通過衛(wèi)11 儲3 井和文13西儲1井介紹LDR 在儲氣庫微泡鉆井液體系中的應用情況。

1 實驗

1.1 主要原料與試劑

甲醛、苯酚、焦亞硫酸鈉、無水硫酸鈉、無水碳酸鈉、氯化鈣均為分析純。膨潤土、鉆井液用評價土、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、潤滑劑均為工業(yè)品。高活性酶解木質素中間體由中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院提供。

1.2 主要設備與儀器

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任公司；YC-500 型噴霧干燥器，上海雅程儀器設備有限公司；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型電動六速黏度計、GJSSB12K型變頻高速攪拌機，青島得順電子機械有限公司。

1.3 合成方法

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

1.4 環(huán)保性能評價方法

按照《水溶性油田化學劑環(huán)境保護技術評價方法》（SY/T 6788—2020）的要求［11］，采用發(fā)光細菌生物毒性的評價方法測得半數(shù)效應濃度（EC50），進而評價產(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 無水碳酸鈉、14.00 g 膨潤土和14.00 g 鉆井液用評價土，攪拌期間中斷兩次并刮下容器壁上的黏附物，累計高速攪拌20 min。在（25±1） ℃下密閉養(yǎng)護24 h，即配制成基漿。

1.6 鉆井液性能測試

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

2 LDR性能評價

2.1 環(huán)保性能

目前國內對鉆井液環(huán)保性能及毒性評價沒有統(tǒng)一的標準或規(guī)范，但根據(jù)環(huán)保型鉆井液不產(chǎn)生危險廢物這一總的目標， 其環(huán)保指標及毒性最低應滿足一般廢物的要求。生物毒性指標是從整體上對處理劑或鉆井液進行環(huán)保評價， 具有代表性［13］。LDR和SMP-Ⅱ的生物毒性EC50結果表明：LDR 的EC50為440 g/L，達到《水溶性油田化學劑環(huán)境保護技術要求》（SY/T 6787—2010）無毒（＞200 g/L）標準；SMP-Ⅱ的EC50為6.54 g/L，生物毒性等級為微毒。這表明LDR 生物可降解，具有良好的環(huán)保性能，滿足環(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為降濾失劑，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做了對比，不同加量（質量分數(shù)）降濾失劑對應的試驗結果如表1 所示，其中，鉆井液配方為3%膨潤土+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。當加量為3.0%時，LDR 表觀黏度增加了28%，SMP-Ⅱ表觀黏度增加了44%。通過對比可以看出，LDR 黏度效應較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，鉆井液FLHTHP降幅最高可達60%；而SMP-Ⅱ加量為1.0%～2.0%時鉆井液FLHTHP降幅只有12%，進一步增加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，LDR加量比SMP-Ⅱ加量少。

3 LDR在儲氣庫微泡鉆井液中的應用

儲氣庫地層壓力系數(shù)較低時，可使用低密度的微泡鉆井液。室內研究表明，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3井的應用評價

3.1.1 衛(wèi)11儲3井的概況

衛(wèi)11 儲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)城構造11 塊。鉆探的目的是為了建設衛(wèi)11 儲氣庫。目的層為沙三下，完鉆層為沙三下，三開最大井斜37.99°。

3.1.2 三開鉆井液性能要求

三開井段地層滲透性強且虧空嚴重，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。本開次設計井斜20°，鉆遇斜井段易形成巖屑床，起下鉆具摩擦阻力和旋轉鉆具扭矩增加。泥巖井段井壁穩(wěn)定性較差，以低密度鉆進時，可能存在一定的應力失穩(wěn)，造成縮徑、井壁失穩(wěn)掉塊等復雜情況。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、潤滑性能，同時要求鉆井液有較強的封堵及抑制性能。

3.1.3 三開鉆井液維護與處理措施

針對上述鉆井液技術難點，三開采用剪切稀釋性好、微泡封堵作用強的微泡鉆井液體系，設計鉆井液密度為0.90～0.98 g/cm3，應用井段為2 619～2 840 m，預計井底溫度為100～110 ℃。向微泡鉆井液體系中加入LDR 可提高微泡鉆井液護壁效果和抗溫性能；適當加入抑制劑、潤滑劑等可提高鉆井液防塌和潤滑性能。

3.1.4 衛(wèi)11儲3井的小試效果分析

入井現(xiàn)場實施前，進行小型現(xiàn)場試驗。取現(xiàn)場井漿（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，試驗結果如表2所示。

表2 衛(wèi)11儲3井室內試驗結果

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。考慮到經(jīng)濟性，LDR 的最佳加量為1.5%。相比于SMP-Ⅱ，LDR加量增加對鉆井液流變性影響較小；FLHTHP同為10.0 mL 時，LDR 比SMP-Ⅱ的加量少，因此LDR更適合應用于現(xiàn)場施工。

3.1.5 衛(wèi)11儲3井的現(xiàn)場實施

在小型現(xiàn)場試驗的基礎上，配制微泡鉆井液150 m3，加入1.5%LDR。施工過程中，無漏失、無阻卡，實現(xiàn)了安全高效鉆進，鉆井液性能數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 衛(wèi)11儲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1井的應用評價

3.2.1 文13西儲1井的概況

文13 西儲1 井位于河南省濮陽縣文留鎮(zhèn)，屬于東濮凹陷中央隆起帶北部文留構造文13 西塊。鉆探的目的是為了建設文13 西儲氣庫。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，四開井段3 118～3 206 m 進尺88 m，平均機械鉆速11 m/h。

3.2.2 四開鉆井液技術難點

文13 西儲1 井四開井段地層虧空嚴重，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；預計井底溫度120～140 ℃，實鉆裸眼段以泥巖為主，易高溫造漿；目的層段會鉆遇高壓水層，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、防漏技術難度較大。因此，要求鉆井液必須具有耐溫、防漏、潤滑減阻性能。

3.2.3 四開鉆井液維護與處理措施

針對上述鉆井液技術難點，四開采用微泡鉆井液體系，設計鉆井液密度為1.03～1.23 g/cm3，應用井段為3 140～3 245 m。加入LDR 提高微泡鉆井液抗溫性能；適當加入抑制劑、潤滑劑等提高鉆井液防塌和潤滑性能。

3.2.4 文13西儲1井的小試效果分析

入井現(xiàn)場實施前，進行小型現(xiàn)場試驗。取現(xiàn)場井漿（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，試驗結果如表4所示。

表4 文13西儲1井室內試驗結果

由表4 可知：LDR 加量為2.0%時，F(xiàn)LHTHP為10.0 mL；LDR 加量增加至2.5%時，F(xiàn)LHTHP為8.0 mL；而SMP-Ⅱ加量為2.5%時，F(xiàn)LHTHP為11.0 mL。通過對比可以看出，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1井的現(xiàn)場實施

在小試基礎上，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。通過對該區(qū)塊所鉆鄰井資料分析，該區(qū)塊泥巖高溫易造漿，導致鉆井液稠化，黏度增高，易發(fā)生縮徑、卡鉆等復雜情況，而該井微泡鉆井液中加入2.5%LDR，能夠增強體系的抗溫性，有效控制FLHTHP，高機械鉆速情況下（平均機械鉆速11 m/h），鉆進過程中無漏失、無阻卡，通井下套管一次成功，施工順利。

表5 文13西儲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 結論

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

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

3）在儲氣庫的應用中表明，在微泡鉆井液體系中加入LDR 后，衛(wèi)11 儲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。