智能钻井液温度响应控制处理剂研究进展

易鹏昌,苏乐

(中海油田服务股份有限公司,广州 湛江 524000)

随着常规油气资源的枯竭,石油勘探逐步向非常规油气方向发展,钻井过程面临的复杂问题越来越多[1]。在复杂的地层和地质条件下,温度、压力发生变化时,特殊的环境要求钻井液保持良好的性能稳定性。例如深部地层中,水基钻井液的添加剂在高温高压环境会发生热降解、高温交联、高温脱附等破坏行为,导致钻井液性能不佳[2]。在深水钻井液中,海洋中低温高压的储层环境给钻井液提供了一个特殊的环境,对钻井液的流变性能影响很大,特别是钻井液的屈服点和黏度难以控制,会导致漏井增加、ECD高、压力控制难度增加[3]。页岩气的钻采过程中,维持页岩稳定性已经成为一个世界性棘手的问题,高成本和严格的环境法限制了油基钻井液的使用,因此水基钻井液对页岩地层的抑制性能是维持井壁稳定性的关键问题,也是现在的主要难题[4]。这些复杂的地层环境使得常规钻井液体系已经无法满足现场复杂多变的要求[5-6]。

地层环境的变化影响着材料的性能,随着外部环境刺激响应型材料在石油工业的发展,该材料表现出能够有效解决复杂多变环境问题的潜力[7]。响应型材料通过响应环境变化(即温度、盐度和pH值)在溶液中发生及时的不可逆或可逆的相变,特别是表现出低临界溶液温度,影响微观结构和物理化学性质的变化[8]。因此温度响应材料在石油工业中的各种应用,特别是在钻井液中得到了大量研究,能够应对钻井液在复杂地层条件下性能的剧烈变化。温度响应材料使得钻井液体系从被动适应环境的过程,到主动满足在原位地层发生性能转变的钻井需求,赋予了钻井液智能的特性,有助于从根本上解决钻井液技术难题[9]。一般是通过对处理剂分子设计和有机合成的方法,赋予温度响应型材料的高级功能[10]。钻井液是由膨润土胶体和各种处理剂相互构建的空间网状结构。关于温度响应材料在钻井液中的应用以膨润土、处理剂两方面为主。近年来关于钻井液中响应型处理剂的研究比较多,本文将综述温度响应型处理剂在钻井方面的研究、应用现状以及未来展望。

1 温度响应型聚合物

深水条件下面临低温环境下,低温深水(4 ℃)和高温深井(>150 ℃)之间的较大温差已成为深水钻井的主要危害。一方面,钻井液在低温下黏度急剧增加。另一方面,钻井液的黏度在高温下急剧下降。深水钻井对钻井液要求在低温环境下保持流变性能恒定情况,常规钻井液难以在低温至高温过程中保持良好的流变性能、漏失控制等问题。

吕开河等[11]利用对温度响应的聚合物能够发生流体性能和分子变化的性质,基于丙烯酰胺和N-异丙基丙烯酰胺为单体,合成一种温度敏感型钻井液流型调节剂PNAAM。通过影响分子链中亲水基团和水分子氢键间的强度来控制聚合物的低临界溶解温度。温度小于低临界溶解温度时,分子链亲水基团作主导使得聚合物溶于水。温度大于低临界溶解温度时,分子链中疏水基团作主导,相互间疏水缔合增强形成三维网状结构,增强流体的黏度。王继鹏[12]利用能够有效调节钻井液流变性能的温度响应型聚合物P(NVCL-co-DMAM)与P(NVCL-co-DEAM)。P(NVCL-co-DMAM)能够帮助钻井液在4 ℃的低温环境中的塑性黏度降低20%,塑性黏度波动系数降低19.4%,提高了体系在低温环境中的稳定性。低温、高压的环境导致常规钻井液的黏度迅速增加,造成当量循环密度(ECD)增大,引发井筒压力增加。徐加放等[13]利用乙烯基己内酰胺(NVCL)作原料,偶氮二异丁腈(AIBN)作引发剂,通过自由基聚合的方式形成具有低温条件下,流变性能可调控的温度敏感型聚合物。实验表明PVCL能够使得在4～60 ℃环境温度变化范围内,水基钻井液的各个黏度特征参数如表观黏度、塑性黏度和切力减小50%。顾甜甜[14]基于深水低温高压环境,研制温敏聚合物材料(PVCL),在4～65 ℃完成对钻井液流变性能的控制,材料以乙烯基己内酰胺单体(NVCL)为原料,偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂,在水溶液中通过自由基聚合的方式合成了聚N-乙烯基己内酰胺。Cheng等[15]通过温敏单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)与活性纳米二氧化硅(RNS-D)共聚制备了在35 ℃下具有温度响应的温敏二氧化硅纳米杂化物。研究结果表明,NIPAM/nano-SiO2纳米杂化物有助于在升高温度时增加钻井液的黏度,并且钻井液符合Herschel-Bulkley模型。含1.0%(质量分数)NIPAM/nano-SiO2纳米杂化物的钻井液在NIPAM的临界溶液温度下表现出显著的热稠化性能。加热至35 ℃后,温敏聚合物分子链发生亲水向疏水转变和疏水缔合,形成交联三维网络结构,增加钻井液黏度。更重要的是,含有1.0%NIPAM/nano-SiO2纳米杂化物的水基钻井液,即使在150 ℃老化后仍保持热的增稠行为和恒定的流变性。因此,温度敏感的NIPAM/nano-SiO2纳米杂化物可能成为恒流变水基钻井液的潜在流变改性剂。Lyu等[16]以丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酰氧乙基和丙烷磺酸铵为原料,通过自由基聚合合成了共聚物凝胶(PAND)。由于温度敏感单体的疏水缔合效应和两性离子单体的抗聚电解质作用,PAND溶液对流变学表现出温度和盐刺激响应特征。即使在高温(180 ℃)和高盐度(质量分数30% NaCl溶液)条件下,含有质量分数1%PAND的水基钻井液也表现出优异的流变和滤失性能。Ding等[17]合成了一种新型温敏共聚物(N-乙烯基己内酰胺-共-N,N-二乙基丙烯酰胺)。基于该共聚物的温度敏感性,研究了其对水基钻井液(WBDF)低温流变的控制能力。 结果表明,PNVDE可以有效控制深水水基钻井液在4～60 ℃范围内的流变性。PNVDE与膨润土的协同构成的氢键网络结构使深水钻井液的流变性稳定。

2 温度响应型纳米材料

纳米材料具有优异的化学稳定性、热稳定性和膨润土的相容性,因此被广泛应用于钻井领域中。纳米材料是钻井液中的多功能处理剂,在封堵、流变学、降滤失去、页岩抑制和润滑等方面均有很好的作用。通过热响应材料和纳米颗粒相结合以开发具有增强钻井液性能的纳米复合材料具有很大的潜力。例如将纳米SiO2被选为桥接剂,以增加聚合物链的网络结构和刚性,调节钻井液的流变性能。利用纳米材料通过物理封堵效应缓解页岩地层井筒失稳问题。

热响应纳米复合材料最近已成为高温水基钻井液中页岩稳定化的潜在纳米封堵剂。Tchameni等[18]合成了一种具有两性离子特性的新型热响应纳米二氧化硅(TRJS),作为高温下水基钻井液的页岩稳定剂。TRJS通过化学吸附和氢键吸附在黏土表面,在盐水中相互作用变得显著。因此,有助于将TRJS牢固地捕获到页岩的纳米孔结构中,从而触发从外半球在页岩表面形成紧密的疏水膜。在190 ℃热处理后,将TRJS添加到水基钻井液中对流体性能没有有害影响,这意味着TRJS在恶劣环境下可作为页岩稳定剂在水基钻井液中的潜在用途。纳米微米级裂缝、孔隙和层理的发育导致页岩失稳始终是钻探复杂地层的挑战。Lai等[19]基于温度敏感聚合物与纳米SiO2合成了复合物SNAS。NAS的低临界溶液温度(LCST)值可以通过调节单体配比来控制。作为对温度敏感的纳米复合材料,SNAS具有钻井液的流变控制能力。当温度高于LCST值时,由于SNAS从亲水性向疏水性转变,不仅改变了页岩的润湿角,而且增强了SNAS的封堵效果。聚合物堵漏剂对于解决微孔、微裂缝地层的井壁失稳问题非常重要。Bai等[20]通过反相悬浮聚合反应将N-异丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸接枝到乙烯基三甲氧基硅烷改性的SiO2表面,合成了热敏聚合物堵漏剂。合成的温敏堵剂在温度和压力的作用下,在泥饼表面形成致密的疏水膜,物理密封微裂缝和孔隙,减少滤失,从而大大提高页岩的稳定性。将智能聚合物与纳米二氧化硅相结合,是防止自由水侵入页岩微纳米孔隙、保持钻井过程中井筒稳定性的有效方法。Shen等[21]通过使用N-异丙基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸和KH-570,对纳米SiO2进行改性,合成了一种用于水基钻井液的核壳结构纳米封堵剂NPA。达到响应温度后,NPA处理的页岩表面润湿角为77.22°。在150 ℃老化16 h后,水基钻井液体系高温高压失水控制在5 mL以内。NPA可以增强井筒稳定性,有效减少钻井过程中钻井液的漏失。在钻井作业期间,由于钻井液侵入含水合物沉积物,压力下降和温度升高可能会破坏水合物相平衡。Li等[22]以热响应聚合物为研究对象,在钻井液中采用热响应聚合物作为可逆封堵纳米颗粒,将丙烯酸丁酯单体引入不同物质的量比的N-异丙基丙烯酰胺中,制备了一系列具有不同低临界溶液温度的热响应聚合物,以适应地层温度条件。温度高于低临界溶液温度时,聚合物纳米颗粒能够形成抗3 MPa的致密泥饼。当温度降至低临界溶液温度以下时,压差从3.2 MPa急剧降低到0.8 MPa,表明阻塞孔喉的颗粒可以逐渐重新溶解并从孔隙中排出。热响应聚合物可以作为智能封堵剂,在含水合物沉积物的整个钻井和生产阶段智能地封堵和疏通井壁。Liu等[23]采用丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸单体自由基水溶液聚合法制备共聚物(PANA),然后利用聚乙烯亚胺制备凝胶临时封堵剂(PJPs)作为交联剂。PJPs在低温(<30 ℃)和低pH值(<7)下均不能凝胶化,从而证明了PJPs受温度和pH值的控制。然后,通过SEM表征PJPs胶凝前后的状态,研究了PJPs的胶凝机理。评价PJPs临时封堵性能的实验表明,当pH值为10,温度为120 ℃时,临时封堵剂在2 MPa的排斥压力下可完全封堵裂缝,最终流速趋于0 mL/min。最大突破压力达到12.6 MPa,具有良好的封堵承压性能。林永学等[24]基于金属铝研发出温度响应型铝聚合物处理剂,处理剂以铝化合物、异氰酸酯、聚乙二醇、多元醇等原料,采用一锅法合成。因本身具有亲疏水链段,响应温度在100～150 ℃区间可调节,在目标地层环境温度下发生相转变反应,实现对页岩微纳米地层的良好的封堵,稳定井壁,降低地层的坍塌压力。

3 温度响应型膨润土

膨润土是钻井液的重要组成部分,广泛应用于水基钻井液中,形成泥饼以保护井眼。但普通泥饼具有多孔性,在高温下难以降低钻井液的滤失性。同时常规膨润土形成的胶体受温度影响大,因此为了有效应对温度变化,开发温度改性膨润土具有重要意义。

蒲晓林等[25]通过在钻井液使用的加入N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)晶体或低相对分子质量聚N-异丙基丙烯酰胺改性的温度敏感型NPAM膨润土,从泥饼质量的增强以及流体流变性能的维护两方面调节钻井液体系性能,使得钻井液具有一定的高温稳定性。郭淼[26]通过以提升膨润土的悬浮分散性能为目标,研制温敏型纳米SiO2杂化材料和有机膨润土作为油基钻井液的流型调节剂。通过使用温度敏感型聚合物单体与纳米SiO2进行接枝共聚的方式研究出具有两亲性的温度响应型纳米SiO2处理剂。加入温敏纳米SiO2的油基钻井液在低温条件保持低黏度、在高温条件下黏度增加的效果。蒲晓林等[27]提供一种高温响应型膨润土用于钻井液体系构建中,通过在刚性膨润土颗粒外购引入柔性的温度响应型聚合物分子刷制得。基于热响应的膨润土形成的钻井液体系热响应速度快,在高温条件下加强了泥饼的致密性,自愈合能力强,流变性能稳定。Dong等[28]通过插入N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)单体赋予膨润土热响应性能。以NIPAM和膨润土复合材料为基础,采用低黏度聚阴离子纤维素(Lv-PAC)和引发剂过硫酸钾(KPS)形成的泥饼。在高温高压滤失性能测试中观察到泥饼随温度的变化表现出明显的阻力,在高温区域发生了自恢复行为。高密度钻井液对页岩水化膨胀率相对于普通膨润土减少一半,流变性能趋于稳定。Li等[29]利用膨润土和双官能化纤维素纳米晶体开发了具有热响应流变性能可控的智能水基钻井液。热响应性PNIPAM 接枝物的引入通过增强的疏水吸引力在高温下诱导膨润土/双功能化纤维素纳米晶体簇的缔合,从而使膨润土/纤维素纳米晶体具有良好的热增稠流变性能。即使在10次加热/冷却循环后,热增稠流变行为仍能保持,具有可持续性、原位流变可控性和良好的循环性。Pan等[30]通过对膨润土插层改性,开发一种基于N-异丙基丙烯酰胺的温度敏感型膨润土。将N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)接枝到钙基膨润土表面,经羧甲基纤维素钠(CMC)插层后,硅烷偶联剂KH570脱水缩合,制备了温敏膨润土(CMC-B-NIPAM),其分散体在40～70 ℃范围内表现出稳流和温度增稠的特征。与传统钻井液相比,CMC-B-NIPAM钻井液具有保证钻井液流型稳定性的功能。

4 温度响应型堵漏材料

钻井液漏失是困扰复杂地层钻井的难题,添加常规堵漏材料无法满足实际需求,往往容易出现堵漏施工失败、反复性漏失的问题。具有形状记忆属性的聚合物堵漏材料能够很好地补充传统堵漏材料的功能。它作为一种智能聚合物,能够在大于材料活化温度时出现响应,在冷却时保持固定的形状。材料随钻井液在井筒中运移时,保持较小的形状,不影响钻井液性能。当运移至漏失地层,材料顺利进入漏失通道后,地层温度使得材料响应,材料产生形变迅速填充漏失通道形成更为有效的封堵。

孔勇[31]根据地层定向吸附的原因,设计了一种适用于100～150 ℃的温度响应变形封堵剂SMSHIELD-2。SMSHIELD-2能有效封堵硬脆泥岩在较宽温度范围内的微裂纹,提高钻井液的堵漏和抗脱落性能,在改善钻井液的堵漏和防塌性能方面显示出良好的效果。王照辉等[32]通过空心玻璃微珠和环氧树脂的基础上复合制备一种温度敏感型泡沫堵漏材料SMP-LCM。通过控制具有形状记忆特性的环氧树脂中的交联剂组分含量,能够使得材料在50～100 ℃的温度区间范围发生形状响应变化,泡沫堵漏材料的膨胀率通过控制孔隙大小来改变。材料能够以较流体性能进入漏层深处后,在目标温度下发生响应膨胀至形状记忆形态,有助于帮助地层恢复应力结构,提供薄弱地层的井筒承压能力。Lashkari等[33]开发了具有形状记忆的聚氨酯漏失控制材料(SMPU LCM),材料形状被编程,在井筒温度下,于裂缝内恢复可密封的形状。力学性能测试表明,SMPU13121具有最高的形状恢复率(98.3%)和形状固定性(99%),井筒活化温度为59.1 ℃,选择SMPU13121作为中型SMPU LCM架桥材料。选用杨氏模量(25 241 MPa)、48 ℃拉伸强度(8.9 MPa)和抗压性(80.85 MPa)最高的SMPU4作为SMPU LCM的填充封堵材料,以最大限度地提高封堵层的机械强度。

5 未来展望

虽然温度响应材料在钻井液的性能控制方面取得一定成绩,但是仍然存在一些问题,比如温度响应材料本身抗温、承压以及抗盐能力有限、稳定性能较弱。这限制了其在非常规区块的应用。开发抗“三高”能力更强的温度响应材料是未来智能钻井液的发展方向。同时,单一响应方式对使得材料对复杂地质条件的适用性不足,智能控制条件比较简单。有必要开发多响应材料增加智能钻井液体系的特征反应区间,保证其性能控制的针对性和多样性。