环保型耐高温无固相钻井液体系研究进展

2020-09-09徐明磊佟乐杨双春张同金刘阳

应用化工 2020年8期

徐明磊，佟乐，杨双春，张同金，，刘阳

(1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001；2.辽宁石油化工大学外国语学院,辽宁抚顺 113001；3.辽宁石油化工大学国际教育学院,辽宁抚顺 113001；4.辽阳石油化纤公司亿方工业公司,辽宁辽阳 111003)

无固相钻井液(SFDF,Solid-Free Drilling Fluid)是由低固相钻井液的基础上发展而来，更符合现代钻井技术的发展需求。该钻井液体系主要由高分子聚合物与无机盐组成，润滑性能好、降滤失能力高、岩屑携带能力强。上世纪80年代，国外便在一些低压易渗透的油田进行无固相钻井液体系的应用[1]，90年代初，哈里伯顿公司成功研发出了可在180 ℃工作下的耐高温钻井液(HTDF,High Temperature Drilling Fluid)体系，攻破了无固相钻井液在高温状态下稳定工作的这一技术难题。90年代中旬，德国利用甲酸盐钻井液体系顺利钻成一口小井眼气井，实现了循环性使用，极大减少了对环境的污染程度。而我国虽然起步较晚，但经过近几十年的发展已经取得了一系列成果。在聚合物改性、发泡剂稳泡剂研发、添加剂配比等方向都有所成就，如马英文等[2]，针对渤中油田地层高温、易漏失的特点，研发出了抗高温流型调节剂、抗高温护胶剂等添加剂，配制了抗高温无固相钻井液(SF-HT Drilling Fluid)体系。向朝纲等[3]针对当前高温地层及愈加严格的保护环境要求等问题，研发出耐高温、无污染的SF-HT型钻井液。

当前随着人们对环境保护的越发重视，以及钻遇地层温度的提高，对于环保型的耐高温钻井液需求更加迫切，因此环保型耐高温钻井液体系研究成为当前无固相钻井液的主要工作，本文将对典型环保耐高温无固相钻井液体系以及非常规环保耐高温钻井液的性能特征、配制方法、现场使用状况做出综述。

1 典型环保耐高温无固相钻井液

1.1 聚合物弱凝胶钻井液

耐高温无固相聚合物钻井液具有良好的流变性、可调节的粘度范围大、并且制作流程简单、制作成本低廉、性能稳定、携带性好，但配制时需添加耐高温钻井液降滤失剂、油层保护剂和抑制剂等[4]，目前该钻井液在油田中得到很好的应用。

1.1.1 两性离子聚合物两性离子聚合物钻井液其剪切稀释特性好、抑制性强。在预防地层造浆方面卓有成效，且抗岩屑污染能力强，同时该钻井液与其他钻井液的相容性较好，成本较低，可提升经济效益[5]。

张耀元等[4]以两性离子型疏水缔合聚合物(PL-5)为主配制了抗高温疏水缔合聚合物无固相钻井液，主要试剂为两性离子型疏水缔合聚合物(PL-5)、聚胺(UHIB)、高温交联剂(FPA)、降滤失剂(DKFC)、NaOH和Na2CO3，配方：清水+0.30%UHIB+0.10%NaOH+2.00%PL-5+0.15%Na2CO3+2.00%DKFC+1.00%FPA。在DF1-1气田3口井进行了现场试验，反馈结果为该钻井液在157 ℃ 高温作业仍拥有较好的剪切稀释性、较高的携带能力，同时悬浮性、抑制性和储层保护性能也都比较出色，并且钻速提高了26.98%，储集层保护效果良好，解决了常规聚合物钻井液无法实现在高温水平井钻井工作的问题。

1.1.2 阴离子聚合物无固相阴离子聚合物钻井液适用于层理裂隙不发育的且分散较高的地层、弱地应力地层、中等分散砂岩与泥岩储层以及以下技术套管的低压、井壁稳定的储层[5]。

文飞等[6]研究了BH-ELASTICOHTHP钻井完井液体系，它属于抗高温无固相弱凝胶型，通过添加易降解的抗高温抗盐的改性羧甲基淀粉以及对流型调节剂进行性能改造，研发出抗温达150 ℃、密度为1.10～1.30 g/cm3、LSRV大于100 Pa·s的钻井液，配方如下：水+低剪切速率黏度调节剂BZ-LSA+细目钙+1.5%羧甲基抗温淀粉+0.7%碱度调节剂+0.3%缓蚀剂+1.0%BZ-HXC-L+0.7%除氧剂+5.0%KCl+0.1%杀菌剂。该体系提高了井壁稳定性，降低表层污染，拥有抗温能力明显、主要成分容易被降解等特点，可用在低密度、低渗透以及不易成岩的地层。现场应用如下：在MGB-0066井表现良好，在150 ℃的工况下产量比邻井提高30%以上，并且抑制性强，黏度高，封堵性能强，表皮污染低、储集层保护良好。但该钻井液只适用于低密度、低渗地层，对于高压地层仍需继续研究改进。

1.1.3 阳离子聚合物阳离子聚合物钻井液抑制性强，与常规处理剂配伍性较好，可依据不同地层添加相应处理剂以满足钻井需求，应用前景广阔。含有大型的阳离子基团依靠静电力吸附在钻屑上，并且吸附力明显，又因其相对分子质量较高，分子链较长，使得其桥联作用突出，同时可平衡部分岩屑的负电性，进而减少粘土层间的静电相互影响。另外表层吸附的阳离子疏水基团可形成疏水薄膜，明显抑制了岩屑水化膨胀[5]。

王刚等[7]为解决哈浅6井高温、地层井壁失稳、易滤失等问题，利用聚丙烯酰胺钾盐(KPAM)、KCl、磺酸盐聚合物等添加剂配制了含阳离子聚合物的钻井液，配方如下:0.1%NaOH+(1.0%～1.5%)聚阴离子纤维钠盐PAC+0.3%聚丙烯酰胺钾盐KPAM+(0.4%～0.6%)生物聚合物XC+6%KCl+1%超细碳酸钙+2%磺酸盐聚合物+1%聚合醇+(1.0%～2.0%)JZC-1抗盐降滤失剂+1.5%弱凝胶结构剂PRD+2%非渗透处理剂+(2.0%～3.0%)润滑剂。在哈浅6井应用效果良好，该钻井液体系具有较强的封堵性能力以及较高抑制性；有效解决了泥岩的遇水膨胀以及硬脆性泥页岩应力性崩塌问题，钻进过程顺利；钻速明显提高，相对临井钻进周期节省了30%以上，且无复杂情况发生。

表1 不同聚合物弱凝胶无固相钻井液性能比较

1.2 甲酸盐钻井液

甲酸盐钻井液主要以甲酸盐作为加重剂及抑制剂，常见的甲酸盐有HCOONa、HCOOK、HCOOSe，三者均为无毒性添加剂，实验表明甲酸盐水溶液都能降解，且28 d生物降解率>70%[11]，甲酸盐钻井液中的甲酸根(HCOO-)在钻井液中具有特殊作用，HCOO-与溶液中水分子形成氢键，从而形成具有一定粘度的溶液，并且HCOO-较强的吸附作用能够吸附在粘土表面。

甲酸盐钻井液在国内外HTHP井应用效果都十分明显，无毒并且抑制性较好,性能突出，实现了对常规钻井液的查漏补缺。在HTHP井中具有比较长远的应用前景不仅能够满足越来越严格的绿色化要求，又能符合不断进步的现代钻井技术的需要[12-13]。该钻井液具有耐高温、密度可调节范围大、抑制性较强、无毒可降解不会污染环境等优点，但成本较高、滤饼形成质量差成为其主要限制因素。该体系常用的增稠剂为CXV，降滤失剂及保护剂为CXF，同时可根据实际情况加入其它处理剂进行调节。

1.2.1 甲酸钠 Wang Bingren等[14]为解决SF钻井液的清洁环保、耐高温等问题，利用甲酸钠、TXZ-2(增粘剂)、JYW-3(油层保护剂)等，研制出无黏土钻井液，属甲酸盐类，总体配方为：水+80%甲酸钠+0.5%TXZ-2+3%JYW-3+3%TJ-1。在150 ℃条件下，老化16 h后，塑性粘度为(PV)29 mPa·s，屈服点(YP)6.5 Pa。该钻井液在塔里木隆古地区深井进行了现场试验，试验表明，甲酸盐钻井液能够在140 ℃条件下正常工作，具有良好的封堵能力和页岩稳定性，同时甲酸盐钻井液体系消除了固体微粒对油气层造成的损害，并且能够生物降解，实现保护环境的目的。

吕国俭等[15]利用甲酸钠(HCOONa)、HV-PAC、LYZN等，依据高渗低压储层的主要特征,开发出抗高温无固相甲酸盐钻井液体系，密度为1.05～1.60 g/cm3，屈服值为8～15 Pa，API失水<10 mL，无毒易降解的同时可在150 ℃的高温下正常工作。经实验表明，该体系抑制性突出、抗污染能力强、储集层保护效果明显、能够在高温条件下稳定工作，可达到高渗透低压地层的钻井作业需要。

1.2.2 甲酸钾许杰等[16]利用甲酸钾、耐高温降虑失剂HTFL、增粘提切剂HTV-8等，并配制出甲酸盐钻井液，能够在高温状态下正常运行。该体系的配方为：淡水+HCOOK(视密度而定)+1.5%HTFL+1.5%HTV-8+0.1%NaOH+3%CaCO3。经200 ℃滚动老化后，流变性能无明显变化，造壁效果也比较平稳，动塑比为0.6，环保能力突出，说明该钻井液具有良好的耐高温性能，且对环境友好无污染。该钻井液在渤海BZ13-2-2井进行了现场实验，在185 ℃工况条件下所测得的动塑比>0.5，满足携带岩屑要求，测得静止漏速为0.1～0.5 m3/h，表明钻井液封堵性较好，井壁稳定性较高。

1.2.3 甲酸铯史凯娇[12]测定了高温高压下无固相甲酸盐钻井液流变性，利用HCOOSe、Dristemp(聚合物)、Antisol等配制了甲酸盐钻井液，实验表明该钻井液在150 ℃时测得钻井液的塑性粘度(PV,plastic viscosity)>15 mPa·s，表观粘度(AV,apparent viscosity)在20 mPa·s以上，经研究得出，当在高温高压条件下钻井液的PV不低于15 mPa·s、AV不低于20 mPa·s时，其携带岩屑能力便能达到钻井作业需求，说明该体系可在高温高压井中正常使用。

总的来说，无固相甲酸盐钻井液因其具有其他钻井液的众多优点而受到众多学者的关注与研究，并成为当前SFDF的热点研究方向，但常常因其制作成本过高而在应用方面受到限制。

1.3 微泡沫钻井液

无固相微泡沫是一种刚性泡沫体系，能够形成拥有更高能量的网状构型，且表面张力更大，可承受更大的压力，同时使得“桥塞”作用更加显著，有效防止了钻井液因进入地层而造成的污染[17]。

明玉广等[18]为解决高温条件下钻井液存在携岩性能不稳定以及无法在高压状态下平稳运行等问题，研制出页岩抑制剂YZTO-1、抗温抗油发泡剂FPTO-1，以及改性聚合物作为稳泡剂WPTO-1，同时研制出针对深部地层的温泡沫钻井液，同样具有抗高温能力，其配方为：清水+0.30%WPTO-1+1.20%FPTO-1+0.50%YZTO-1。经实验表明该钻井液耐温效果可达150 ℃、能够抵抗28 MPa压力，且可有效抑制页岩膨胀。在哈深2井进行现场应用，钻井作业期间泡沫性能平稳，无不良现象产生，平均机械钻速远高于应用常规钻井液的机械钻速，表明该钻井液在高温深井地层拥有较好的应用前景，但在抗高压能力还需做进一步研究。

王晓军[19]合成了微泡沫发泡剂LF-2和稳泡剂HMC-1，解决了泡沫钻井液抗高温、抗盐不足等问题，配制了抗温无固相微泡沫钻井液，钻井液配方为：水+0.30%～0.50%LF-2+0.50%～1.00%HMC-1+2.00%～4.00%SMP-Ⅱ+0.15%～0.30%HT-XC+0.15%Na2CO3+2.00%～4.00%KH-931。该体系耐温能力达150 ℃，且钻井液密度可在调节的区间为0.85～0.95 kg/L。现场应用为：该钻井液在冷家油田、沈采和茨采的欠平衡钻井中进行了实测，结果表明在141.5 ℃高温条件下性能稳定、抑制性高、封堵能力强，在提高钻速的同时储层保护效果良好，但在发泡剂、稳泡剂方面仍需要进一步优选和研究。

总之，无固相微泡沫钻井液密度较低且调节范围广，携带性能好，滤失量低，封堵能力强，能够防止固相侵入，降低对地层的损害等特点。常被用于低压易漏油层的开采过程中。

2 非常规环保耐高温无固相钻井液

2.1 烷基葡萄糖苷钻井液

烷基葡萄糖苷(APG)具有无毒性、配伍性能好、易降解的环境友好型的水溶液非电离的表面活性剂。APG是糖的半径醛羟基与具有一定活性机团进行化学反应，从而生成具有甙键结构的淀粉及糖的衍生物[20]。而甲基葡萄糖苷(MEG)是APG的一种，能与水互溶的同时能够吸附在泥页岩表面，形成一层半透膜，可通过调整钻井液中水的活性来调控外部水进入钻井液，从而有效的解决了泥页岩遇水膨胀的问题。APG经过改性后可实现对高温地层的应用[21]，烷基葡萄糖苷钻井液体系的抗温性通常可达到150 ℃左右，抗污染能力强，可以较好的实现油层之间的保护。添加烷基葡萄糖苷的钻井液，在动切力，塑性粘度和润滑性方面都有所提高，适宜浓度下的烷基葡萄糖苷可降低水的活度，形成理想的隔离膜，降低储层中的水锁效应，因此该体系主要适用于水敏地层[22]。

1994年MEG钻井液最早在墨西哥高水敏地层实验成功后，在钻大斜度井及大位移水平井得到推广，研究表明MEG用量一般控制在45%～60%之间时，所形成的半透膜达到最佳效果[23]。我国的石油大学研发出一种用MEG为主要成分的钻井液体系，并在沙南油田沙-113井进行了现场实验：该钻井液的抑制能力、油层保护、造壁能力方面有明显效果。总的来说MEG钻井液体系在高水敏地层、大斜度井、大位移水平井以及海底复杂地层都能有效应用，但往往因为造价成本过高而不能得到推广[20]。

2.2 全阳离子型正电性钻井液

该钻井液体系的处理剂全部由阳离子组成，且在正电条件时呈现分散状态的胶体，当体系中ζ电位>20 MV时,阳离子处理剂展现出较强的抑制性，使粘土分散变得可控化，及时清理岩屑，能够很好的保护储集层。因此该体系常用于水敏地层以及固相易伤害地层。

李兴运等[24]对正电性的无固相钻井液体系进行研究，其配方为：水+2.0%MMH+3.0%CaCO3(超细)+2.0%BPS+0.5%CPAM+2.0%NCP。现场表明：在正电条件下为分散胶体体系，ζ电位值较高，胶体性能稳定，可有效防止钻井过程中粘土膨胀，且各项性能指标符合现场钻井需求。

2.3 FA367/KCl钻井液

FA367/KCl钻井液是以包被剂FA367和KCl相互配合而成的一种抑制性较强，表观粘度、切力较低的无固相钻井液体系，可在上部地层安全且高效的钻进，同时可满足在高压喷射地层运用。

3 现场应用

环保型耐高温无固相钻井液经过多年的发展，在国外的Mumbai盆地、Kvitebjn油田、伊朗MIS油田、Huldra油田等[25-27]都有所应用，尤其在针对高温地层、怕污染地层的无固相无机盐体系应用广泛，如 Xie S X等[28]配制出了新型弱凝胶体系，并在平均油藏温度为150 ℃的油藏作业中，稳定性较好，环保性能优越。王明国[29]针对伊拉克AHDEB油田的储集层保护不到位等技术问题，配制了耐温无固相钻井液体系，在进行100 ℃高温老化20 h后，仍满足钻井液携岩能力以及高温状态下失水复合需求，在ADRu3-3-2H井钻进期间平稳运行、润滑效果明显，携带能力突出，能够满足钻井条件。

国内的吉林油田、南海西部油田、华北油田、辽河油田等[30-33]也有所应用，并且现场表现良好，钻进速度得到大幅度提高，降失水、防榻性能明显得到改善，满足了高温地层下钻进工作需求以及储层保护、环境保护的需求。近年来，国内众多学者在耐高温无固相钻井液方面的研究取得了一系列成果，李建军等[34]研制出耐高温增黏剂XCC等处理剂，并设计出能够在220 ℃超高温下工作且滤失造壁性能和流变性能仍然十分出色的无固相钻井液，能满足钻井需要。孙琳等[35]对耐温抗盐新型双尾疏水缔合聚合物(DTHAP)的成胶性能影响因素进行了分析，并通过实验测得了交联剂质量分数在0.6%～0.8%时交联剂与聚合物交联程度达到最优，老化90 d凝胶强度仍可达到F、E级水平，且在80～90 ℃时形成的弱凝胶体系强度高、性能好，可在中高温油层中应用。郭永宾等[36]对增黏剂的加量和暂堵剂的粒径分布以及钻井液配方进行了优化。在120 ℃条件下，岩心的渗透率恢复率>90%；抑制性能突出，符合钻井施工作业需求。现场应用为：涠洲12-1油田水平井段钻进顺利；产油量为配产的两倍，表皮系数由原来20.0以上下降为-3.0，可有处理高温条件下水平井段井眼清洁程度不高以及储集层保护效果不明显等现象。

时至今日，环保耐高温无固相钻井液经过多年的发展，研究方向日趋完善，在聚合物弱凝胶、有机盐(甲酸盐)、微泡沫等体系都有所突破，现场应用也表明应用环保耐高温无固相钻井液使得机械钻速大幅度提高、井壁防榻问题也得到明显改善，并且在环境保护方面也取得了长足的进步。在针对高温高压、矿化程度高的地层问题，经过众多专家学者的努力也得到了解决，即通过添加耐高温聚合物、研制新型生物凝胶、降低配制成本等有效的解决了以上问题。