聚合醇鉆井液技術(shù)

1、聚合醇鉆井液技術(shù)與應(yīng)用摘要：綜述了聚合醇作為水基鉆井液處理劑的開發(fā)背景；聚合醇的主要物化性質(zhì)溶解性和濁點；聚合醇的抑制機(jī)理以及其他作用特點；聚合醇鉆井液體系的室內(nèi)研究包括無機(jī)鹽對聚合醇鉆井液濁點的影響，抗溫性能，潤滑性能，熱穩(wěn)定性能評價以及實例分析；基于鉆井液技術(shù)所面臨的油氣層保護(hù),安全快速鉆井方面的嚴(yán)格要求。從優(yōu)選處理劑入手,根本上能夠解決頁巖水化、油層保護(hù)、環(huán)保等方面的問題，聚合醇鉆井液能夠取得很好的效果；并且提出是一種比較適合海底天然氣水合物地層鉆探的鉆井液的研制原則。關(guān)鍵詞：聚合醇 鉆井液 發(fā)展背景 作用機(jī)理 新型鉆井液 應(yīng)用近年來,我國石油鉆探開發(fā)逐漸由淺層向深層、由簡單地層向復(fù)雜地

2、層發(fā)展。由于深井、超深井的井下溫度和壓力比較高,尤其鉆遇復(fù)雜地層時,井下鉆井液性能易發(fā)生較大變化,極易導(dǎo)致一些井下復(fù)雜情況的發(fā)生,如坍塌、卡鉆等。因而,尋求更有效的抑制地層膨脹和穩(wěn)定井壁的新型鉆井液體系是鉆井液研究的主要發(fā)展方向。聚合醇(多元醇)用于鉆井液處理劑,國外自20世紀(jì)80年代開始室內(nèi)研究,90年代初投入應(yīng)用。最早主要用于鉆井液防泥包、潤滑防卡等。后來發(fā)現(xiàn),其在穩(wěn)定井壁、保護(hù)油層和環(huán)境等方面也有很好的作用,于是在江河、湖泊和灘海鉆井工程中最先得到廣泛應(yīng)用。聚合醇在我國也被稱為多元醇、復(fù)合醇,是90年代初發(fā)展起來的一種新型水基鉆井液添加劑,兼具易維護(hù)、易降解、無熒光、與其他處理劑配伍性好

3、等特點,被看作是協(xié)調(diào)鉆井工程技術(shù)、儲層保護(hù)技術(shù)與環(huán)境保護(hù)需要之間矛盾的產(chǎn)物,是逆乳化鉆井液和高電解質(zhì)體系的取代產(chǎn)品,是鉆井液水基處理劑研究中的新秀。本文主要綜述聚合醇用作水基鉆井液處理劑的背景、抑制機(jī)理，室內(nèi)研究以及新型的聚合醇鉆井液發(fā)展。1. 聚合醇用作水基鉆井液處理劑的背景自上世紀(jì)90年代以來,隨勘探領(lǐng)域逐漸向惡劣地區(qū)擴(kuò)展,鉆探地區(qū)日趨復(fù)雜,井壁失穩(wěn)造成的鉆井速度下降、鉆井成本升高的現(xiàn)象屢見不鮮,同時期發(fā)展起來的水平井、定向井、大位移井等新型鉆井技術(shù)又對鉆井液體系的抑制性、潤滑性提出了更高的要求。這使得常規(guī)水基鉆井液體系的應(yīng)用受到了限制,不得不采用油基鉆井液完成深井、海洋井、大位移井的鉆探

4、。油基鉆井液對環(huán)境污染大,熒光級別高,配制維護(hù)要求嚴(yán)格,易著火,在環(huán)境保護(hù)日益嚴(yán)格的情況下,逐漸喪失其競爭優(yōu)勢。為此,科研人員將開發(fā)重點轉(zhuǎn)移至研制新型水基鉆井液體系,使該體系具備油基鉆井液良好的抑制性和潤滑性,同時具備水基鉆井液與環(huán)境友好、易維護(hù)、價格低的長處,即開發(fā)一種集抑制性、潤滑性、環(huán)境友好性、油層保護(hù)性等多種功能于一身的新型水基鉆井液體系。2. 聚合醇的物理化學(xué)特性根據(jù)疏水基和聚合度的不同,聚合醇產(chǎn)品形式極其豐富,每一種產(chǎn)品有不同的濁點、溶解性、表面張力、臨界膠束濃度。這些指標(biāo)不但控制產(chǎn)品性能,也是決定聚合醇能否用作鉆井液抑制潤滑劑的關(guān)鍵。2.1 溶解性Clapper認(rèn)為聚合醇產(chǎn)品的溶

5、解性對其抑制性能有一定的影響。完全水不溶的聚合醇因不能在粘土表面吸附而喪失抑制水化分散的能力。一般來說,聚氧乙烯化合物的溶解范圍從完全油溶至完全水溶,這主要決取于分子中加成的EO所占的比例,在疏水基碳鏈長度確定的前提下,隨EO數(shù)增加,水溶性增加。而溫度和鹽濃度的升高會使聚合醇的溶解度降低。聚氧丙烯化合物的溶解度受鹽和溫度的影響與聚氧乙烯化合物相似,但溶解度隨PO加成數(shù)的增加而下降。（EO/PO 為隨機(jī)共聚物）2.2 濁點聚合醇在低溫下與水混合形成均一透明溶液,隨溶液溫度升高,水相中聚合醇溶解度下降,從溶液中分離,分離相可產(chǎn)生光散射,人們會看到溶液逐漸渾濁變白。當(dāng)溫度下降到濁點溫度以下時,分離相

6、會重新溶解,發(fā)生依賴于溫度的可逆變化。在濁點前后,聚合醇的起泡性能、溶解性能、表面張力都會發(fā)生顯著的改變。因此聚合醇的抑制性與濁點性能有緊密關(guān)系。聚合醇的濁點可通過改變使用濃度、分子量、起始基、聚合度、溶液中電解質(zhì)濃度等條件來調(diào)節(jié)。聚合醇在水中濁點是其濃度的函數(shù)。一般來說,當(dāng)疏水基固定,聚氧乙烯化合物的濁點隨EO加成數(shù)的增加而提高,聚氧丙烯化合物的濁點隨PO加成數(shù)的增加而降低;當(dāng)EO加成數(shù)相同時,隨憎水基碳原子數(shù)的增加,濁點降低。溶液中電解質(zhì)對聚合醇濁點影響較大,特別是陰離子的種類對濁點影響十分顯著。所以在現(xiàn)場應(yīng)用中,常通過改變無機(jī)鹽的加量來調(diào)節(jié)聚合醇的濁點,以提高鉆井液的適應(yīng)性。3. 聚合醇

7、的抑制機(jī)理聚合醇是低碳醇與環(huán)氧烷的低聚物，是一類非離子表面活性劑，常溫下為乳狀淺黃色液體，溶于水，其水溶性受溫度的影響很大，當(dāng)溫度升到一定程度時，聚合醇從水中析出，這時的溫度稱為聚合醇的濁點溫度，當(dāng)溫度低于濁點時，聚合醇又恢復(fù)其水溶性。聚合醇鉆井液的設(shè)計主要是利用它的濁點特性。在鉆井過程中，隨著井深的增加，井下溫度逐步上升，由于溫度的變化，聚合醇鉆井液發(fā)生了如下變化：低于濁點溫度時，呈水溶性，其表面活性使它吸附在鉆具和固體顆粒表面，形成憎水膜，阻止泥頁巖水化分散，穩(wěn)定井壁，改善潤滑性，降低鉆具扭矩和摩阻，防止鉆頭泥包，穩(wěn)定鉆井液性能并能有效控制壓力傳遞。當(dāng)高于其濁點溫度時，聚合醇從鉆井液中析出

8、，粘附在鉆具和井壁上，形成類似油相的分子膜，從而使鉆井液的潤滑性大大增強(qiáng)；同時由于泥餅的形成，封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層，實現(xiàn)穩(wěn)定井壁的作用。鉆井液從井底返至地面時，因溫度逐步降低（從高于濁點溫度降到低于濁點溫度），聚合醇又恢復(fù)其水溶性，避免被震動篩篩除。聚合醇與氧化瀝青處理劑復(fù)合可用于防塌，它們的作用方式是：低于聚合醇濁點溫度時，聚合醇可使氧化瀝青充分分散在鉆井液中；當(dāng)高于聚合醇濁點溫度時，聚合醇從鉆井液中析出，此時，失去了對氧化瀝青的乳化分散作用，氧化瀝青與聚合醇同時從鉆井液中析出，吸附在井壁上，起到封堵、填充微裂縫的作用，起到了協(xié)同防塌的作用。4.聚合醇鉆井液的其他作用特點4.1 良

9、好的潤滑性在鉆井時,乙二醇起潤滑作用,當(dāng)鉆大角度斜井時,能減小鉆井扭矩和阻力。在水基鉆井液中加入2%聚合醇,降摩阻效果優(yōu)于加5%原油;當(dāng)加量為3%時,鉆井液的潤滑系數(shù)降低80%。聚合醇與極壓潤滑劑和石墨潤滑劑3類潤滑劑的復(fù)配使用,水基鉆井液的潤滑性能接近油基鉆井液。4.2鉆速快Milpark公司在美國南路易絲安那海灣鉆井時,曾使用油基鉆井液、氫氧化鉀/石灰水基鉆井液和多元醇/鋁復(fù)合物水基鉆井液,統(tǒng)計資料顯示平均鉆速分別為6.71mPh、2.74mPh、3.96mPh。4.3 防止和消除鉆頭泥包多元醇吸附在鉆頭表面形成一層疏水性薄膜,阻礙親水性鉆屑在鉆頭表面吸附,這已被大量現(xiàn)場實驗所證實。4.4

10、 對地層損害小(用于打開油層的完井液)具有良好的保護(hù)儲層效果,滲透率恢復(fù)值在85%以上9,28。主要原因是:(1) 聚合醇能提高濾液的液相粘度,降低濾失量; (2)達(dá)到濁點溫度時,聚合醇具有封堵微孔隙的作用。 (3)與鉀離子的協(xié)同作用,增強(qiáng)了對粘土的水化抑制能力。 (4)聚合醇能顯著降低油水界面張力(其臨界膠束濃度1510-4molPL),在25e時,1%多元醇水溶液與空氣界面的張力為50mN/m。溫度升高或無機(jī)鹽含量增加,均使界面張力降低,界面張力的降低,使返排容易,有利于保護(hù)油氣儲層。4.5環(huán)保性能好多元醇毒性極低,且易被生物降解。排放的多元醇會很快在微生物的作用下降解為水和CO2等小分子

11、物質(zhì)。4.6配伍性好通常是把乙二醇加入現(xiàn)有的常用水基泥漿體系配方中,從而增強(qiáng)了原有泥漿體系的性能,因而被稱為“乙二醇增效泥漿”。在增強(qiáng)了原有泥漿體系的性能的同時,還能增加聚合物和淀粉類處理劑的耐溫性和降濾失性。用乙二醇控制循環(huán)液濾失,其機(jī)理是:(1)乙二醇能增加濾失粘度,因此減少濾失量;(2)乙二醇能與聚合物結(jié)合,在溫度增加時改善其濾失性能;(3)乙二醇在接近它的濁點時成為不可溶的,形成/乳狀液0,這些/微滴0能堵塞濾餅內(nèi)的小孔并密封濾餅,因而減少濾失量和濾餅沉積。因此為了使乙二醇達(dá)到最大降濾失和潤滑效果,井下溫度必須超過乙二醇的濁點溫度。有文獻(xiàn)認(rèn)為使用井段的井溫比其濁點高出25e左右最佳。考

12、慮到鉆井液中有機(jī)大分子處理劑和無機(jī)鹽的影響,其使用井段的井溫比聚合醇的濁點高出510e最佳。使用聚合醇鉆井液體系,還應(yīng)充分考慮季節(jié)及區(qū)域的適應(yīng)性。聚合醇能與聚合物發(fā)生各種相互作用,從而對聚合物鉆井液的各種性能產(chǎn)生影響。研究表明,聚合醇對聚合物鉆井液有稀釋降粘作用31,在無機(jī)鹽存在時,又使聚合物水溶液粘度略有提高。聚合醇為非離子型低聚物,能同各種電性處理劑很好相容。人們對陰離子、陽離子及非離子表面活性劑與水溶性聚合物結(jié)合越來越感興趣。這類混合物改善了用于防濾失和改變流變性的聚合物的高溫高壓穩(wěn)定性。普通鉆井液聚合物與各種聚乙二醇相互作用實驗結(jié)果表明:聚合物P聚乙二醇的相互作用增加了水及鉆井液中聚合

13、物的高溫P高壓穩(wěn)定性;聚合物和聚乙二醇的分子之間的親水作用和氫鍵是產(chǎn)生聚合物P聚乙二醇最佳協(xié)合作用的機(jī)理;最佳協(xié)合作用取決于聚合物類型、聚乙二醇類型及基液鹽的濃度;為極大提高高溫P高壓鉆井液穩(wěn)定性,可通過優(yōu)化聚乙二醇添加劑種類和其濃度實現(xiàn)。5. 聚合醇鉆井液體系的室內(nèi)研究5.1無機(jī)鹽對聚合醇濁點的影響在2%聚合醇溶液中，改變無機(jī)鹽KCL加量，測定無機(jī)鹽的濃度對2%聚合醇溶液濁點的影響。測定結(jié)果如圖由上圖可以看出聚合醇的濁點隨著無機(jī)鹽濃度的增大而降低，這是因為電解質(zhì)對水的親合力大于對表面活性劑的氫鍵結(jié)合力，而使水逐漸有脫離聚合醇的傾向，結(jié)果使?jié)狳c下降。5.3聚合醇鉆井液體系的抗溫性能評價將兩性聚

14、合物低固相鉆井液作為基漿，并在基漿中加入2%聚合醇，分別在100、120、140下滾動12h后，測其流變參數(shù)見表1。從表可以看出，聚合醇鉆井液體系具有較好的抗溫性能，抗溫性能可達(dá)120。 5.3聚合醇鉆井液體系潤滑性能評價利用EP-1極壓潤滑儀對聚合醇的潤滑性進(jìn)行評價。評價方法是：將待測液加溫至80后，倒入測試杯中確保在濁點溫度以上，測出相應(yīng)的數(shù)據(jù)如下，可知加入2%的聚合醇比5%的原油降摩阻能力要好。5.4聚合醇鉆井液體系熱穩(wěn)定性能實驗將聚磺鉆井液作為基漿，加入2%聚合醇在100下滾動12h后測其流變參數(shù)（見表 3）。由表3 可知，將聚磺鉆井液轉(zhuǎn)化為聚合醇鉆井液后具有更好的熱穩(wěn)定性能。上述實驗

15、表明聚合醇鉆井液體系從根本上改變了基漿的性質(zhì)，并有較好的抑制性、潤滑性、抗溫性能和油層保護(hù)作用；鉆井液性能穩(wěn)定，降摩阻效果明顯，能有效減少井下復(fù)雜情況，縮短鉆井周期。6. 聚合醇鉆井液的應(yīng)用實例文188-12井該井是處于文南區(qū)塊的一口滾動開發(fā)井,完鉆井深3 645 m,設(shè)計為五段制定向井,最大井斜36.08°,水平位移460.82 m。該區(qū)塊處于河岸地區(qū),地層易坍塌掉塊;上部井段采用鉀鹽三磺鉆井液體系,成功地抑制了井塌,但井下摩阻很大,粘卡嚴(yán)重，鉆至2 934.9 m,井斜已達(dá)34.58°,經(jīng)多次調(diào)整處理鉆井液性能,并采取短程起下鉆、劃眼清砂等措施,無法恢復(fù)正常鉆進(jìn)。后一次

16、性加入聚合醇4 000 kg,井下情況逐漸好轉(zhuǎn),摩阻由原來的250-300 kN降至100-150 kN,安全地鉆完設(shè)計井深。轉(zhuǎn)化前后鉆井液性能見下表7.新型水基聚合醇鉆井液研發(fā)原則根據(jù)海洋天然氣水合物賦存地層及水合物自身特點,采用聚合醇鉆井液體系,其設(shè)計原則為:1) 采用海水配漿。在海上鉆井時,淡水供應(yīng)成本高,因而大都使用海水配漿。海水的礦化度一般為33-37 g/L,室內(nèi)試驗用水的總礦化度取35g/L,其配方為水+3.0% NaCl+0.2%MgCl2+0.2% CaCl2。2) 鉆井液密度控制。為保持井壁穩(wěn)定和水合物穩(wěn)定,需要較高的鉆井液密度,但海底沉積地層破裂壓力較低,因此鉆井液的密度

17、又不能太高。根據(jù)海底水合物地層鉆井的實際情況,經(jīng)過計算,通常將鉆井液的密度控制在1105-1120 kg/L。3) 鉆井液應(yīng)具有很強(qiáng)的頁巖水化抑制性和水合物抑制性。聚合醇鉆井液具有很強(qiáng)的水化和水合物抑制性能,能夠有效封堵孔隙,阻止濾液進(jìn)入地層。此外,加入少量動力學(xué)抑制劑(LDHI)能夠有效抑制循環(huán)管路內(nèi)水合物的再生8,且安全無毒,不會對海洋環(huán)境造成破壞。4) 鉆井液應(yīng)具有良好的低溫流變性。由于海洋水合物賦存于低溫、高壓的環(huán)境下,因此,鉆井液在使用前應(yīng)先進(jìn)行低溫冷卻,使其與海底水合物地層的溫度相近,但不能出現(xiàn)流動不暢甚至凝固等現(xiàn)象。希望以后可以根據(jù)以上幾點設(shè)計研發(fā)出海洋鉆井用的新型聚合醇鉆井液。

18、結(jié)論：聚合醇是一種非離子表面活性劑,具有濁點效應(yīng)。當(dāng)溫度高于濁點溫度時,發(fā)生相分離而從水中析出,形成憎水膜聚集在粘土表面,抑制頁巖的水膨脹。聚合醇與無機(jī)鹽具有協(xié)同效應(yīng),起到了抑制頁巖水化分散,穩(wěn)定頁巖的作用。聚合醇可增大濾液的粘度、降低濾液的化學(xué)活性,抑制頁巖的水化分散。聚合醇的加入降低了鉆井液的粘度與切力,表現(xiàn)出一種稀釋降粘的作用,流變性能變好,對鉆井液的流變性能調(diào)節(jié)起到了一定的作用。聚合醇的加入使鉆井液的熱穩(wěn)定性能提高。聚合醇鉆井液體系有良好的配伍性能。聚合醇鉆井液在環(huán)保方面也有積極意義。參考文獻(xiàn)1劉平德,牛亞斌,張梅.一種新型聚合醇鉆井液體系的研制J.天然氣工業(yè),2005,01:100-102+215-216.2沈麗,柴金嶺.聚合醇鉆井液作用機(jī)理的研究進(jìn)展J.山東科學(xué),2005,01:18-23.3李輝,肖紅章,張睿達(dá),鄒剛3霍偉,蔡永生,張玉,鄭遠(yuǎn)渭,董賀明,