曾佳
(長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,湖北 荊州 434020)
在鉆遇復(fù)雜地層時(shí),井壁黏土層長(zhǎng)時(shí)間與鉆井液接觸,極易引起黏土層吸水膨脹,導(dǎo)致卡鉆、井壁坍塌等事故。油基鉆井液具有超強(qiáng)的抑制性、抗污染性、耐溫性和潤(rùn)滑性,但是鉆井結(jié)束后引起的安全環(huán)保、含油鉆屑處理等問(wèn)題一直困擾著石油工作人員[1-7]。因此研究學(xué)者們嘗試平衡油基鉆井液的優(yōu)缺點(diǎn),在保障油基鉆井液的基本性能前提下,開(kāi)發(fā)出強(qiáng)抑制性強(qiáng)潤(rùn)滑性仿油基鉆井液(以下簡(jiǎn)稱(chēng)POBM)。本文對(duì)一系列技術(shù)已經(jīng)比較成熟的POBM展開(kāi)綜述,旨在了解各種POBM的作用機(jī)理,促進(jìn)POBM體系的設(shè)計(jì)、改良,最大限度地實(shí)現(xiàn)高效、安全、環(huán)保鉆井。
POBM這個(gè)概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代,與通常所提的低毒鉆井液、環(huán)保型鉆井液、強(qiáng)抑制性鉆井液不同的是,POBM特指抑制性、潤(rùn)滑性、流變性等綜合性能媲美油基鉆井液的一類(lèi)鉆井液[8-10],簡(jiǎn)單來(lái)講就是通過(guò)在水基鉆井液中添加關(guān)鍵處理劑,形成的一種各項(xiàng)性能比擬油基鉆井液的一種鉆井液體系。
油基鉆井液的發(fā)展歷程始終貫穿有保護(hù)環(huán)境的因素,其中POBM綜合性能趕超油基鉆井液,更重要的是POBM不需要基礎(chǔ)油作為連續(xù)相,能從根源上解決油基鉆井液的生物毒性、環(huán)保、含油鉆屑處理等問(wèn)題[11]。陸地POBM比海上POBM早,另一方面海水環(huán)境及海上鉆井平臺(tái)限制了海上POBM的發(fā)展[12],相關(guān)報(bào)道比較少。因此主要綜述的是一系列技術(shù)已經(jīng)比較成熟的陸地POBM。
油田早期大都使用聚合醇鉆井液代替油基鉆井液,尤其在鹽膏層和頁(yè)巖地層中使用效果更佳,常用的聚合醇主要是聚乙二醇和聚乙烯二醇,其優(yōu)異的抑制性和潤(rùn)滑性主要有兩方面。
濁點(diǎn)效應(yīng):聚合醇作為非離子型表面活性劑具有濁點(diǎn),其濁點(diǎn)為76 ℃。當(dāng)聚合醇進(jìn)入近井地帶,聚合醇完全溶解于液相,增加鉆井液的潤(rùn)滑性,降低近井地帶摩擦阻力[13]。隨著鉆井垂深增加,地層溫度逐漸升高,當(dāng)?shù)貙訙囟瘸^(guò)76 ℃時(shí),聚合醇由完全溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠秩芙鉅顟B(tài),析出的聚合醇微粒吸附在黏土層表面的微孔中,封堵地層孔隙,從而抑制黏土水化膨脹。當(dāng)鉆井液返排回地面時(shí),地面溫度一般低于76 ℃,微粒聚合醇又會(huì)重新融入鉆井液,既不會(huì)堵塞振動(dòng)篩篩網(wǎng),還能實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。
競(jìng)吸附作用:聚合醇容易與黏土形成氫鍵,超強(qiáng)穩(wěn)定性氫鍵吸附在黏土顆粒表面,搶占了水的吸附面積,聚合醇與水形成一種競(jìng)爭(zhēng)吸附關(guān)系,在很大程度上杜絕了水與黏土反應(yīng)[14-15]。許多資料表明,當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)時(shí),附著在井壁的聚合醇濃度增加,競(jìng)吸附作用效果越明顯。兩者表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng),共同穩(wěn)定井壁以及潤(rùn)滑鉆具。
川西F38-P3、F38-P6兩口頁(yè)巖氣井水平段地層是橫向裂縫發(fā)育為主的泥頁(yè)巖,主要產(chǎn)氣層埋藏深、泥頁(yè)巖穩(wěn)定性差、對(duì)激動(dòng)壓力比較敏感。為了解決上述問(wèn)題,冷朝君[16]采用2%聚合醇+5%搬土漿+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV強(qiáng)抑制性仿油基鉆井液鉆進(jìn)。實(shí)鉆情況表明兩口井二開(kāi)機(jī)械鉆速超過(guò)6 m/h,動(dòng)塑比均在0.2~0.5之間,濾失量<3 mL,塑性黏度不超過(guò)30 mPa·s,流變性比較規(guī)律容易調(diào)控。反排回井口的鉆井液潤(rùn)滑系數(shù)在0.02~0.05之間,固相含量不超過(guò)20%,含砂量不超過(guò)1%,表明聚合醇鉆井液抑制了泥頁(yè)巖的穩(wěn)定性差的問(wèn)題,以及降低了鉆進(jìn)摩阻提高了機(jī)械鉆速,應(yīng)用效果良好。
蔣巍[17]為解決深水地層井壁穩(wěn)定性差以及鉆井液與海水配伍性差的問(wèn)題,研制出一種海上聚合醇硅酸鈉仿油基鉆井液體系。配方為:現(xiàn)場(chǎng)海水+5.0%膨潤(rùn)土+5.0%碳酸鈉+0.4%PAC+0.7%HA樹(shù)脂+3.0%Na2SiO3+5.0%聚乙二醇。流變性測(cè)試結(jié)果表明,聚乙二醇的加入會(huì)使鉆井液增稠,但是失水量有所減少,頁(yè)巖滾動(dòng)回收率有所增加,最大能達(dá)到88%的滾動(dòng)回收率,泥餅致密且均勻,平均厚度約為0.5 mm。80 ℃條件下熱滾16 h,測(cè)試鉆井液浸泡后的頁(yè)巖膨脹高度,數(shù)據(jù)顯示頁(yè)巖膨脹高度僅為0.44 mm??刮廴拘阅茉u(píng)價(jià)表明,0.2%,0.4%,0.6%,0.8%的CaCl2對(duì)鉆井液流變性影響不大,鉆井液沉降穩(wěn)定性良好,比較適合海上平臺(tái)鉆井。
隨著鉆井深度加深,地層條件愈加復(fù)雜,單一主鏈的聚合醇POBM難以滿(mǎn)足日益復(fù)雜的鉆井工況需求[18],因此研究學(xué)者們通過(guò)在聚合醇主鏈上引入不同功能性支鏈,例如聚醚醇、丙三醇、季戊四醇、胺基硅醇,制得多元聚合醇POBM。這些多元聚合醇POBM都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用且效果顯著,總的來(lái)說(shuō)聚合醇POBM是目前使用效果比較優(yōu)異的POBM體系。
甲基葡萄糖甙(MEG)是聚糖類(lèi)高分子物質(zhì),有兩種同分異構(gòu)體,都為環(huán)式單體。以MEG為主要添加劑的鉆井液,具有良好的抑制黏土水化膨脹的性能。Teixeira[19]提出MEG分子進(jìn)入地層后,四個(gè)親水性羥基吸附在黏土表面,一個(gè)親油性甲氧基指向外側(cè),可以在井壁上形成一層疏水性半透膜,抑制水分穿梭井壁,從而抑制黏土水化膨脹。Natsi等[20]也展開(kāi)了MEG鉆井液的研究,提出MEG分子中的羥基可以與水分子形成氫鍵,牢牢鎖住黏土中的水分。最后,國(guó)內(nèi)的梁燕[21]提出疏水性半透膜兩側(cè)存在滲透壓,提高M(jìn)EG溶液的濃度,抑制效果越好,進(jìn)一步補(bǔ)充完善了MEG鉆井液的作用機(jī)制。
Alef等[22]在墨西哥灣近海區(qū)域,水敏性頁(yè)巖地層中采用MEG無(wú)機(jī)鹽鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),鉆井液中MEG液相組分為:80.2%MEG+17.49%水+1.75%氯化鈉+0.55%無(wú)機(jī)鹽+0.01%乙酸。120 ℃ 條件下測(cè)其基本性能,測(cè)得MEG鉆井液塑性黏度為17 cP、θ6讀數(shù)為71 b/100 ft2,漿體穩(wěn)定且流變性良好。HTHP為1.0 mL、井內(nèi)無(wú)垮塌掉塊、巖屑滾動(dòng)回收率高、LC50值超過(guò)10 000 mg/L,表明MEG鉆井液具有良好的濾失性和抑制性,且生物毒性低。
遼河油田進(jìn)入油田開(kāi)發(fā)中后期,已經(jīng)開(kāi)始采用水平井開(kāi)采薄油層,為解決薄油層水平井安全快速鉆進(jìn)問(wèn)題,王希芹[23]室內(nèi)通過(guò)大量篩選實(shí)驗(yàn)總結(jié)出MEG仿油基鉆井液經(jīng)典配方:5%基漿+1%稀釋劑+2%復(fù)合防塌劑+3%降濾失劑+2%潤(rùn)滑劑+15%~20%MEG+0.1%流型調(diào)節(jié)劑。通過(guò)對(duì)比MEG鉆井液與兩性離子鉆井液、甲酸鹽鉆井液、聚硅氟鉆井液、油基鉆井液相同測(cè)試條件下的基礎(chǔ)性能,發(fā)現(xiàn)MEG鉆井液和油基鉆井液流變性明顯比其它鉆井液優(yōu)異,動(dòng)切力是強(qiáng)抑制性甲酸鹽鉆井液的2倍。MEG鉆井液滲透率恢復(fù)值比兩性離子鉆井液高出53.7%,抑制頁(yè)巖水化能力與油基鉆井液相當(dāng),但是潤(rùn)滑系數(shù)比油基鉆井液高出25%,具有優(yōu)異的抑制與潤(rùn)滑性能。
MEG雖然性能優(yōu)良,但是基礎(chǔ)加量高達(dá)20%,成本高昂。為此,Kim[24]向MEG鉆井液體系中加入KCl增強(qiáng)其抑制能力,形成KCl-MEG仿油基鉆井液。經(jīng)過(guò)加量?jī)?yōu)選后,確定了MEG的最優(yōu)加量為4%,該鉆井液中巖心2,16 h后線(xiàn)性膨脹率分別為2.564 2%,2.854 3%,熱滾16 h后巖屑回收率高達(dá)95.04%,與油基鉆井液相比,穩(wěn)定性好、抑制性高、潤(rùn)滑性能強(qiáng),并且極大縮減了MEG的加量,降低了MEG仿油基體系的配制成本。
氨基陽(yáng)離子具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抑制性,因此聚胺鉆井液是近年來(lái)POBM鉆井液的研究熱門(mén)[25]。一般在氫氣與催化劑共同作用下,聚醚多元醇與液氨臨氫胺化生成聚胺,重復(fù)單元為端氨基聚醚,在水溶液中,聚胺完全水溶但不水解[26]。隨鉆井液進(jìn)入地層后,氨基陽(yáng)離子極易嵌入黏土表層,吸附黏土表層靜電黏土顆粒,降低黏土顆粒間斥力,縮短黏土顆粒間距,形成致密的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),抑制水分子運(yùn)移。另一方面,聚胺分子鏈上有疏水性C10~C20的烴基,當(dāng)親水性氨基嵌入地層后,疏水性烴基指向井筒內(nèi)部,增強(qiáng)了井壁表面的疏水性,兩者共同作用抑制黏土水化[27-29]。
Voitenko等[30]開(kāi)發(fā)出一種強(qiáng)抑制性聚胺水基鉆井液HIWBM,該鉆井液主要由聚胺抑制劑、黃原膠增粘劑、聚陰離子纖維素降失水劑組成。配方簡(jiǎn)單,不受水源的限制,可以在淡水、海水、NaCl鹽水中達(dá)到飽和狀態(tài)。HIWBM已在墨西哥灣現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,與該地區(qū)原始使用的合成基鉆井液相比,抑制性能優(yōu)良,沒(méi)有在鉆具組合上發(fā)現(xiàn)泥球或者殘留巖屑,表明鉆出的巖屑封裝性好,沒(méi)有發(fā)生水化。96 h LC50值超過(guò)40 000 mg/L,完全沒(méi)有毒性,可直接排放。并且該體系是直接由海水配制,無(wú)需廢棄物處理設(shè)備,減少了作業(yè)船的體積,節(jié)約了成本,與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具配合使用,復(fù)合鉆進(jìn)速度提高了85%。Pino[31]室內(nèi)合成一種強(qiáng)抑制性聚胺抑制劑SD-A,該體系抑制水化作用強(qiáng),100 min頁(yè)巖膨脹率僅為3%,巖屑熱滾回收率>95%;流動(dòng)性高,動(dòng)切力為31.0 Pa,動(dòng)塑比為1.07,能夠有效舉升巖屑;極壓潤(rùn)滑系數(shù)為0.095 05,潤(rùn)滑性能優(yōu)良,各項(xiàng)性能接近油基鉆井液。
以上單組分聚胺抑制體系POBM雖然各項(xiàng)性能接近油基鉆井液,但是該體系的強(qiáng)抑制性部分歸因于聚胺的高額加量,加量超過(guò)了5%。作為外摻處理劑,這種加量顯然是不合理的。所以近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者展開(kāi)復(fù)合聚胺協(xié)同體系研究,以聚胺為主抑制劑,聚合醇、MEG、鋁酸鹽為輔抑制劑,研發(fā)出一系列低加量、低成本、超強(qiáng)抑制性的復(fù)合聚胺協(xié)同體系[32-34]。
Liu等[35]研制出聚胺加量為1%聚醇-聚胺POBM,使用頁(yè)巖膨脹儀測(cè)其膨脹率,與不添加聚乙二醇的聚胺POBM相比,頁(yè)巖膨脹率下降了24%,甲酸鉀去離子水中測(cè)試巖屑回收率,巖屑回收率提高了3%,達(dá)到了99%的巖屑回收率。
Abbas等[36]以0.8%聚胺作為主抑制劑,5%MEG作為輔抑制劑和潤(rùn)滑劑,聚合物類(lèi)降失水劑為主要材料,制備了聚胺-MEG仿油基鉆井液體系,并在川西新頁(yè)HF-1和HF-2井實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。室內(nèi)100 ℃條件下熱滾16 h,測(cè)其基本性能,潤(rùn)滑系數(shù)為0.090 7,粘附系數(shù)為0.088 7,與油基鉆井液相當(dāng)。巖屑滾動(dòng)回收率達(dá)到91.96%,將 MEG的加量降至3%,巖屑滾動(dòng)回收率仍能達(dá)到90.38%,滿(mǎn)足水平井對(duì)鉆井液抑制性的要求?,F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果跟蹤顯示,新頁(yè)的兩口井鉆過(guò)程中無(wú)掉塊、無(wú)垮塌,井眼尺寸變化率小,沒(méi)有出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間阻卡問(wèn)題,返排出的鉆井液漏流變性良好,泥餅薄且固相含量<5%,抑制性能與潤(rùn)滑性能足以媲美油基鉆井液。
Yami[37]發(fā)現(xiàn)鋁酸鹽能夠與頁(yè)巖發(fā)生離子交換,生成的氫氧化鋁沉淀堵塞頁(yè)巖孔隙,阻止了鉆井液中的游離水滲入地層,從而提高井壁穩(wěn)定性?;谶@一發(fā)現(xiàn),Yami構(gòu)筑了一套聚胺-鋁酸鹽仿油基鉆井液體系,PPT試驗(yàn)曲線(xiàn)表明,該體系的成膜效率與滲透作用與OBM體系十分相似,可以滿(mǎn)足硬脆性微裂縫頁(yè)巖鉆井需求,但是文中沒(méi)有提及相關(guān)處理劑的摻加量,無(wú)法確定具體的體系組成。隨后Martino[38]采取一系列的壓力傳遞實(shí)驗(yàn)、硬度測(cè)試、耐崩性測(cè)試、防泥包測(cè)試、不同鹽濃度下的回收率、毒性與滲透率恢復(fù)值,綜合比較確定了聚胺-鋁酸鹽仿油基鉆井液體系的經(jīng)典配方,得出聚胺鹽合適加量為2%~4%,加量越高,對(duì)層間游離水的束縛作用越強(qiáng);鋁酸鹽合適加量為1%~2%,加量越高生成的沉淀越多,井壁表面越致密,井壁穩(wěn)定性越高。
在開(kāi)發(fā)一系列化學(xué)合成添加劑的同時(shí),研究學(xué)者們也對(duì)天然提取物添加劑展開(kāi)了研究,試圖尋求一種最低成本、最佳抑制性和潤(rùn)滑性的POBM體系。到目前為止,已經(jīng)有一系列提取物用于POBM鉆井液。
天然淀粉屬于葡萄糖聚合物,類(lèi)似于MEG本身就可以形成半透膜,而鉀離子水化半徑極小容易嵌入黏土層?;阝涬x子鑲嵌機(jī)理與淀粉成膜機(jī)理的協(xié)同作用,長(zhǎng)江大學(xué)的許明標(biāo)團(tuán)隊(duì)在酸性環(huán)境下利用引發(fā)劑催化水解淀粉,然后在其葡萄糖環(huán)上接枝共聚引入鉀離子,制備了FK-1抑制劑[39]。性能評(píng)價(jià)表明FK-1與水基鉆井液處理劑配伍性良好,配制的FK-1仿油基鉆井液120 ℃、16 h巖屑回收率高達(dá)92.4%,線(xiàn)性膨脹率僅為2.564 2%,潤(rùn)滑系數(shù)為0.042 2。結(jié)合相關(guān)的流變失水性能表明,F(xiàn)K-1仿油基鉆井液抑制性遠(yuǎn)優(yōu)于聚胺鉆井液、合成基鉆井液、聚磺鉆井液,潤(rùn)滑性能已經(jīng)非常接近油基鉆井液。
Aghil等[40]介紹了一種采用指甲花提取物L(fēng)awsone(主要成分為5-羥基-1,4-萘醌、沒(méi)食子酸、葡萄糖和丹寧)配制的POBM,由于Lawsone中含有大量烯醇,烯醇中的羥基孤對(duì)電子與水分子中的氫相結(jié)合,在膨潤(rùn)土表面生成氫鍵,抑制了水分子自由通過(guò)膨潤(rùn)土表面,從而抑制膨潤(rùn)土水化。動(dòng)態(tài)線(xiàn)性膨脹實(shí)驗(yàn)表明,82 ℃條件下浸泡72 h后,氯化鉀溶液中的膨潤(rùn)土膨脹率約65%,Lawsone僅為58%。同時(shí)基于膨潤(rùn)土抑制性實(shí)驗(yàn),Aghi還考察了不同濃度指甲花提取物對(duì)膨潤(rùn)土溶液的表觀黏度、塑料黏度、屈服點(diǎn)和凝膠強(qiáng)度的影響,綜合分析發(fā)現(xiàn)低含量Lawsone具有一種反絮凝作用,即通過(guò)擴(kuò)散膠體離子雙電層增加離子雙電層厚度,減少Lawsone鉆井液對(duì)膨潤(rùn)土顆粒的捕集,宏觀上表現(xiàn)為降低鉆井液摩擦阻力,提升鉆井液的潤(rùn)滑性。
Mehdi[41]考察了紅參根提取物Ginsenosides作為POBM添加劑的可行性,Ginsenosides是一種非離子型表面活性劑,外觀呈棕色粉末狀,可溶于酒精和水。主要提取自人參根莖,富含甾體皂苷或三萜皂苷,分子中富含親水性羥基和疏水性甲基。水潤(rùn)濕角實(shí)驗(yàn)表明,少量紅參根提取物鉆井液就可以使粘土表面潤(rùn)濕反轉(zhuǎn),并且這種潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)能夠長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定,含量為0.01,0.02,0.03 g/mL的紅參根提取物鉆井液,能將頁(yè)巖滾動(dòng)回收率分別提升至 81.8%,88.7%,93.55%。機(jī)理分析上認(rèn)為Ginsenosides強(qiáng)抑制性主要來(lái)源于吸附機(jī)理,非離子表面活性劑與黏土顆粒相結(jié)合形成疏水殼,顯著降低黏土表面對(duì)水的吸附,另一部來(lái)源于Ginsenosides的親水性部分與硅氧烷表面的氧原子相結(jié)合形成穩(wěn)定的氫鍵,兩者共同作用最終阻礙了水的吸附,從而提高了頁(yè)巖的穩(wěn)定性。
目前天然材料添加劑提取工藝比較繁雜、制備成本高,大都僅限于實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)研究,尚無(wú)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用,后續(xù)研究工作應(yīng)主要聚焦于優(yōu)化提取工藝、減少制備成本。但是天然提取物添加劑原材料來(lái)源廣、價(jià)格低廉、無(wú)毒環(huán)保,是一種理想的鉆井液添加劑,特別是經(jīng)過(guò)提純后的添加劑,綜合性能甚至能夠趕超化學(xué)合成的添加劑,這些原生優(yōu)勢(shì)促使其仍是一大研究熱門(mén)。
在石油與天然氣開(kāi)采過(guò)程中,復(fù)雜井段面臨的主要挑戰(zhàn)是井壁穩(wěn)定性,井壁穩(wěn)定性又取決于井壁周?chē)貙雍豌@井泥漿之間的物理和化學(xué)相互作用,因此選擇合適的處理劑和開(kāi)發(fā)有效的鉆井液體系是鉆井成功的關(guān)鍵。另一方面,在日益嚴(yán)格的環(huán)保政策要求下,油基鉆井液必將被舍棄,但是技術(shù)革新需要一定的時(shí)間,在傳統(tǒng)油基鉆井液被舍棄、綠色環(huán)保鉆井液技術(shù)尚未成熟之前,POBM是一種優(yōu)良的過(guò)渡產(chǎn)物,目前POBM以聚胺復(fù)合體系為主,天然提取物POBM為主要發(fā)展方向,在保障基本性能的條件下,探尋更加經(jīng)濟(jì)、綠色的POBM鉆井液體系是科研工作者努力的方向。