绿色高性能水基钻井液研究进展及发展趋势

司西强,王中华

(中石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院,河南 濮阳 457001)

近年来,随着世界环保要求的日益严格,钻井液的环保问题也就越来越凸显出来。早期钻井液体系中常含有原油、柴油等各种矿物油以及大量的非环保化学剂,不可避免的会对环境造成一定影响。为防止钻井液对地层、土壤和生态环境造成不良影响,同时考虑到复杂地层对钻井液性能的要求,需要使用无毒无害的绿色高性能水基钻井液来满足现场钻井施工的绿色、安全、高效钻进。前期国内外研究人员在绿色高性能水基钻井液方面开展了大量研究,钻井液的绿色化已成为世界范围内钻井液发展的必然趋势[1]。为进一步提高对绿色高性能水基钻井液重要性的认识,满足对绿色高性能水基钻井液进行深入研究的技术亟需,本文对近年来形成的常见绿色高性能水基钻井液体系进行简要介绍,主要包括醇基钻井液、糖基钻井液、胺基钻井液等,并在此基础上对其发展趋势进行展望,以期对钻井液研究人员具有一定启发作用。

1 绿色高性能水基钻井液研究进展

1.1 醇基钻井液体系

醇基钻井液是20世纪90年代出现的一类新型钻井液,经过近30年的发展,虽然其作用机理尚存争议,但其表现出的优良性能得到了研究人员一致认可。该类钻井液抑制及润滑性能优良、配伍性好、无荧光、无毒环保及利于储层保护。最具代表性的是聚合醇钻井液和聚醚多元醇钻井液。

1.1.1 聚合醇钻井液 聚合醇多为聚二醇,也可以是丙三醇或聚甘油,以其为主剂配成的钻井液统称为聚合醇钻井液。聚合醇分子含有多个羟基,易溶于水,但其溶解度会随着温度升高到某一点后而降低,此时水溶液呈浑浊状,这一转折温度称为浊点；可以利用聚合醇的浊点效应来降低钻井液的高温高压滤失量,以满足对封堵性能要求较高的地层。

王洪宝等[2]在聚合物钻井液中加入3%聚合醇JCP-1得到了聚合醇钻井液。聚合醇的加入对钻井液性能影响很小,聚合醇加入前后,100 ℃下页岩回收率由58%升至86%,80 ℃下的泥饼粘附系数由0.100降至0.038,粘附系数降低率达63%。在现场42口井的水平段使用JCP-1聚合醇钻井液,均未出现钻井事故。其中,永12平4井钻具与井壁之间摩阻由280 kN降至90～110 kN；无垮塌掉块现象,井径扩大率仅6.68%；地层渗透率恢复值由71.2%升至87.0%,该井投产后产量是邻井直井的9倍。

于培志等[3]研制了一种聚合醇钻井液体系,钻井液流变性及滤失量变化很小,抗温达到120 ℃,摩阻系数降低率达50%。刘平德等[4]研制了一种新型聚合醇钻井液。当聚合醇加量为3.0%时,得到的聚合醇钻井液具有较好的热稳定性、抑制性,流变性能优良,能够满足现场钻井施工要求。褚奇等[5]将丙三醇、乙二醇和聚乙二醇200等聚合醇产品溶于水,形成钻井液液相,配合其它处理剂构建得到一种新型聚合醇钻井液,比传统强抑制钻井液更有利于抑制地层黏土矿物的水化膨胀分散。

张景红等[6]介绍了Aqua-drill醇基钻井液体系在雪古1井的应用情况。该体系主处理剂为具有优良页岩抑制性能和润滑性能的聚乙二醇类化合物Aqua-col。该钻井液体系在雪古1井应用过程中性能稳定,流变性及携岩带砂效果好,无沉沙粘卡等现象,井壁稳定,井眼规则畅通,起下钻顺利。

1.1.2 聚醚多元醇钻井液 聚醚多元醇钻井液是除聚合醇钻井液之外的一类新型醇基钻井液体系,主要用于地质条件较复杂地区和环境敏感地区。目前聚醚多元醇种类较多,由于分子结构不同,导致效果各异,使用过程中主要存在抑制性不足、起泡、配伍性差等问题。因此,对聚醚多元醇分子结构的优化控制成为聚醚多元醇钻井液体系发展的技术关键。

邱正松等[7]以研发的改性聚醚多元醇构建得到了一种聚醚多元醇钻井液。其抑制防塌机理包括吸水、渗透、竞争吸附、成膜等作用。吕开河等[8]以多功能聚醚多元醇SYP-1为主剂,配伍优选了聚合物包被剂、防塌剂和降滤失剂等关键处理剂,形成了一种新型聚醚多元醇钻井液。应用该体系在LN3-6H井和HD4-23H井钻进过程中,井壁稳定,井径规则,起下钻畅通,下套管等完井作业顺利。

1.2 糖基钻井液体系

1.2.1 烷基糖苷钻井液

(1)甲基糖苷钻井液

1997年以来,国内相关研究及应用发现,甲基糖苷钻井液具有良好的抑制、润滑、环保及储层保护性能[9],当钻井液中甲基糖苷含量接近40%时,可显著降低钻井液水活度,形成理想半透膜,阻止钻井液滤液侵入地层导致的泥页岩水化膨胀,有效维持井眼稳定。

1999年甲基糖苷钻井液在国内新疆沙113井首次现场应用[10],应用情况表明,该体系通过成膜护壁作用表现出优良的抑制防塌效果,井径规则、电测取心一次成功。平均机械钻速为9.41 m/h,比邻井提高47.8%。

2011年甲基糖苷钻井液在中原油田卫383-FP1井[11]等非常规水平井上成功应用。为了控制成本,钻井液中甲基糖苷的加量仅为15%,对泥页岩地层的井壁失稳问题不能很好的解决,但润滑性能优良,适于钻探致密砂岩地层。

综上所述,甲基糖苷钻井液现场试验效果良好,但也普遍存在着加量大、成本高、抑制及抗温性能有待提高等问题,限制了其进一步推广应用。今后应在甲基糖苷产品本身的分子结构优化上开展研究,合成出高性能的甲基糖苷衍生物,并形成以其为主剂的钻井液体系。

(2)阳离子烷基糖苷钻井液

司西强等[12-16]针对烷基糖苷钻井液在现场应用中出现的问题,首次将阳离子烷基糖苷(CAPG)引入钻井液,研发得到CAPG钻井液,其配方组成为：6%CAPG+0.6%降滤失剂LV-CMC+0.6%流型调节剂XC+0.4%增黏剂HV-CMC+3%封堵剂WLP+0.4%NaOH+0.2%Na2CO3+24%NaCl+0.4%抗氧化剂NaHSO3。钻井液性能如下：抗温达160 ℃；岩屑一次回收率和相对回收率均接近100%；相对抑制率>91%；极压润滑系数0.097；滤液表面张力19.52 mN/m；中压滤失量4.0 mL；抗盐达饱和,抗CaCl2达5%,抗膨润土10%,抗钻屑10%,抗水侵20%,抗原油10%；岩心的动静态渗透率恢复值均大于92%。CAPG钻井液的各方面性能均优于烷基糖苷钻井液,在陕北、中原、内蒙等地区现场应用80余口井,为现场井壁失稳、托压卡钻等井下复杂情况提供了较好的解决措施,应用前景广阔。

(3)NAPG类油基钻井液(近油基钻井液)

司西强等[17-19]以自主研发的聚醚胺基烷基糖苷NAPG作为基液,优选增粘剂、降滤失剂、封堵剂等配伍处理剂,构建并优化形成了绿色、低成本、高性能的NAPG类油基钻井液体系。该钻井液性能如下：钻井液抗温达150 ℃,流变性好,动塑比0.327,初终切适宜,中压滤失量0 mL,高温高压滤失量6.0 mL；页岩一次回收率和相对回收率均接近100%；润滑系数降低率达69.62%；滤液表面张力26.60 mN/m；钻井液抗污染性能好；岩心动静态渗透率恢复值均大于91%；钻井液EC50值为528 800 mg/L,无生物毒性。NAPG类油基钻井液性能与油基钻井液相当,且类油基钻井液在环保方面具有显著优势,适用于强水敏性泥岩、含泥岩等易坍塌地层及页岩气水平井钻井施工,可缓解目前油基钻井液环保压力,扩大水基钻井液适用范围,应用前景广阔。

1.2.2 聚糖钻井液 天然聚合糖具有来源丰富、价格低廉、绿色环保等诸多优点,得到科研人员广泛关注。自20世纪70年代以来,国内外开发的聚糖类油田化学品已多达上百种,在实际应用中取得了较好效益。目前聚糖钻井液主要有淀粉钻井液和植物胶(杂多糖甙)钻井液。

(1)淀粉钻井液

淀粉钻井液是一种具有膨胀性流体特征的聚糖钻井液体系[20]。主要有以下性能特点：①淀粉在高速搅拌时会形成网架结构,导致钻井液黏度随动切力的增大而升高,静置时又恢复原状；②淀粉分子上的羟基与黏土表面的氢氧根离子可以形成氢键而互相吸附,保持黏土稳定的分散状态,发挥出较好的降滤失作用；③淀粉分子可胶结岩石颗粒,同时在井壁表面形成一层薄而坚韧的吸附膜,阻碍水分子进入地层内部,起到较好的护壁防塌作用；④淀粉具有优异的抗盐性,可作为饱和盐水钻井液中的降滤失剂。

(2)植物胶钻井液

植物胶主要来源于树木枝干分泌的粘稠液体或植物果实的提取物,其主要成分为半乳甘露聚糖形成的天然杂多糖苷,干燥后的外观为透明或半透明的无定形物质。植物胶在工业领域应用广泛,但鲜见在钻井液中应用的报道。20世纪90年代以来,国内外将多种植物胶用于钻井液中[21],表现出较好的应用效果。其中江苏油田成功将杂多糖应用于油田钻探施工并取得良好的经济效益和环保效益[22]。

王越之等[23]以新研制的抗温抗盐增粘剂FTVS为基础,开发了一种多糖钻井液体系。该体系抗温达150 ℃,流变性独特,触变性强,配伍性好,抗盐可达30%,可生物降解。张洁等[24-25]对天然聚糖SJ分别进行了磺化、磷酸酯化、阳离子化改性,得到系列改性聚糖产品,以其为主剂配制得到改性聚糖钻井液,该体系抗温达120 ℃,流变性好,滤失量低,携岩带砂效果好,起下钻顺畅。

1.3 胺基钻井液体系

1.3.1 Ultra Drill高性能水基钻井液 Patel等研制了Ultra Drill高性能水基钻井液[26],目前该钻井液在国外应用广泛,其中包括一些极端气候环境。该钻井液主要以Ultra Hib(碱性抑制剂)和Ultra Cap(阳离子丙烯酰胺)为抑制剂,LV-PAC(聚阴离子纤维素)为降滤失剂,XC(黄原胶)为增黏提切剂,Ultra Free(表面活性剂)为防泥包和润滑剂。碱性抑制剂聚醚二胺分子链上的极性吸附基团可在黏土颗粒上发生强吸附,形成吸附膜,阻止黏土矿物的水化分散。目前Ultra Drill高性能水基钻井液在大港、冀东及湛江等油田进行了现场应用,该钻井液能够稳定井壁,提高钻井速度,提高采收率。

1.3.2 聚胺高性能钻井液 聚胺高性能钻井液是性能最接近油基钻井液的水基钻井液,在深水钻井领域具有广阔的应用前景。邱正松、赵欣等[27-28]研制了一种聚胺强抑制剂SD-A,构建得到了适用于深水钻井的聚胺高性能钻井液体系。该钻井液体系抗温达150 ℃,且低温流变性优良,2 ℃和25 ℃的表观黏度比和动切力比分别为1.36和1.14；抑制性能优异,其抑制页岩水化分散效果与油基钻井液相当；在模拟1 500 m水深的海底低温高压(1.7 ℃,17.41 MPa)条件下,具备120 h抑制水合物生成的能力；抗钙、抗劣土污染能力强；无生物毒性,能满足深水钻井环保要求。

1.3.3 HPWBM钻井液(高性能水基钻井液) HPWBM钻井液[29]是一种覆膜聚合物高性能水基钻井液体系,其主要由黏土抑制剂AP-1、可变形封堵防塌剂DS及表面活性剂S-80等组成,具有较好的稳定性、封堵性和润滑性。该体系的黏土抑制剂采用4.5%KCl与胺基化合物复配使用时效果最佳；该体系抗污染能力强,采用42.795 g/L膨润土污染的钻井液坂土含量只有14.265 g/L。该钻井液在Marlin Leste油田应用时,平均钻速为12 m/h,比使用常规钻井液时快7 m/h,钻井效率明显提高。

1.3.4 铝胺高性能水基钻井液 铝胺高性能水基钻井液[30]的特殊之处在于添加了胺基聚醇(AP-1)及铝聚合物(DLP-1),受到国内外钻井液技术人员的广泛关注。在实际钻井过程中,页岩不稳定会造成井壁失稳,严重时会导致井眼报废,而加入铝聚合物后会生成氢氧化铝沉淀,其可与地层矿物质结合而起到固结井壁的作用,在井壁上形成的物性薄膜能够起到较好的封堵作用。现场应用情况表明,铝胺基钻井液流变性能稳定,动塑比为0.5,中压滤失量为2.4 mL,岩心污染后渗透率恢复值大于90%。该钻井液在夏103-1HF井及辛176-斜12井成功应用,表现出较好的井壁稳定及井眼清洁能力。

张浩[31]对有机胺、铝基聚合物、物理封堵剂、降滤失剂、润滑剂和流型调节剂等进行了优选和复配,确定了铝胺基钻井液的配方。该钻井液强抑制,强封堵,润滑、流变及抗温性能优良,其所污染岩心的渗透率恢复值>90%。在夏103-1HF井的现场应用表明：该钻井液流变性能稳定,动塑比在0.5左右,中压滤失量控制在2.4 mL以内,高温高压滤失量控制在8 mL以内,泥饼黏附系数<0.1,三开井眼井径规则,平均井径扩大率仅为2.0%。该钻井液适用于非常规大斜度井和水平井。

2 绿色高性能水基钻井液发展趋势

近年来,尽管绿色高性能水基钻井液的研究及应用取得了较大进展,取得了较大的经济效益和社会效益,但仍存在以下问题：(1)环保评价方法与指标不统一,特别是缺少方便现场简单、快速、安全、准确的环保性能评价方法；(2)目前现有的多数高性能水基钻井液虽性能优良,但成本较高,一定程度上限制了其推广规模；(3)钻井液所用处理剂在环保性能和钻井液稳定性之间的矛盾没有得到很好解决；(4)针对近年来页岩油气大开发,由于钻遇裂缝层理发育地层、破碎带地层时的井壁稳定难度较大,对钻井液的绿色环保、使用成本及防塌润滑性能等方面要求越来越高,用绿色高性能水基钻井液替代油基钻井液的成为钻井液技术发展的必然趋势,但现有的绿色高性能水基钻井液还远远达不到现场绿色、安全、经济、高效钻进的技术亟需。

因此,未来的绿色高性能水基钻井液应该从以下几个方面实现突破：(1)深入开展钻井液处理剂分子结构与性能的内在关系,为新型绿色环保处理剂的研发提供理论支撑；(2)充分利用高性能、来源广、储量丰富、廉价的环保天然材料,采用绿色工艺,对其进行深度化学改性,制备绿色新型钻井液处理剂,满足现场复杂地层绿色、安全、经济、高效钻进的技术亟需；(3)在新型钻井液处理剂及钻井液新型体系的推广应用过程中,应根据不同地层的技术需求,综合考虑钻井液性能、成本、环保之间的关系,综合评价钻井液应用效果,以获得最佳的综合效益。(4)大力完善和推广醇基钻井液、糖基钻井液、胺基钻井液等已经具有一定研究和应用基础的绿色高性能水基钻井液体系,特别是开展作用机理与油基相近、性能与油基相当、且具有油基钻井液所不具备的环保优势的近油基钻井液体系[32]的研发及推广,将会是绿色高性能水基钻井液实现突破性发展的关键。