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(diǎn)；聚合醇的抑制機(jī)理以及其他作用特點(diǎn)；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(diǎn)的影響，抗溫性能，潤滑性能，熱穩(wěn)定 性能評價(jià)以及實(shí)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

2、地層向復(fù)雜地層發(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(shí),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、

3、無熒光、 與其他處理劑配伍性好等特點(diǎn)，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(shí)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

4、油基鉆井液完成深井、海洋井、大位移井的鉆探。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(diǎn)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(shí)具備水基鉆井液與環(huán)境友好、易 維護(hù)、價(jià)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。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(diǎn)、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Cl

5、apper認(rèn)為聚合醇產(chǎn)品的溶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(diǎn)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

6、白。當(dāng)溫度下降到濁點(diǎn)溫度以下時(shí)，分離相會重新溶解，發(fā)生依賴于溫度的可逆變 化。在濁點(diǎn)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(diǎn)性能有緊密關(guān)系。聚合醇的濁點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)隨EO加成數(shù)的增加而提高，聚氧丙烯化合物的濁點(diǎn) 隨PO加成數(shù)的增加而降低;當(dāng)EO加成數(shù)相同時(shí)，隨憎水基碳原子數(shù)的增加，濁點(diǎn) 降低。溶液中電解質(zhì)對聚合醇濁點(diǎn)影響較大,特別是陰離子的種類對濁點(diǎn)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

7、調(diào)節(jié)聚合醇的濁點(diǎn)，以提 高鉆井液的適應(yīng)性。聚合醇的抑制機(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(shí)， 聚合醇從水中析出，這時(shí)的溫度稱為聚合醇的濁點(diǎn)溫度，當(dāng)溫度低于濁點(diǎn)時(shí)，聚 合醇又恢復(fù)其水溶性。聚合醇鉆井液的設(shè)計(jì)主要是利用它的濁點(diǎn)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(diǎn)溫度時(shí)，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

8、能有效控制壓 力傳遞。當(dāng)高于其濁點(diǎn)溫度時(shí)，聚合醇從鉆井液中析出，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(shí)由于泥餅的形成， 封堵巖石孔隙，阻止濾液滲入地層，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定井壁的作用。鉆井液從井底返至地 面時(shí)，因溫度逐步降低（從高于濁點(diǎn)溫度降到低于濁點(diǎn)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(diǎn)溫度時(shí)，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(diǎn)溫度時(shí)，聚合醇從鉆井液中析出，此時(shí)，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(shí)從鉆井液中析出，吸附在井壁上，起到封 堵、填

9、充微裂縫的作用，起到了協(xié)同防塌的作用。聚合醇鉆井液的其他作用特點(diǎn)4.1良好的潤滑性在鉆井時(shí)，乙二醇起潤滑作用，當(dāng)鉆大角度斜井時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jì)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

10、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(shí)驗(yàn)所證實(shí)。4.4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(diǎn)溫度時(shí)，聚合醇具有封堵微孔隙的作用。與鉀離子的協(xié)同作用，增強(qiáng)了對粘土的水化抑制能力。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(shí)，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

11、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(shí)，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(shí)改善其濾失性 能；(3)乙二醇在接近它的濁點(diǎn)時(shí)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

12、度必須超過乙二醇的濁點(diǎn)溫度。有文獻(xiàn)認(rèn)為使 用井段的井溫比其濁點(diǎn)高出25e左右最佳?？紤]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(diǎn)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(shí), 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

13、通鉆井液聚合物與各種聚乙二醇相互作用實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)。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(diǎn)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(diǎn)的影響。測定結(jié)果如圖圖1 KC1族度對聚合醇濁點(diǎn)的凈響曲線由上圖可以看出聚合醇的濁點(diǎn)隨著無機(jī)鹽濃度的增大而降低，這是因?yàn)?/p>

14、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(diǎn)下降。5.3聚合醇鉆井液體系的抗溫性能評價(jià)將兩性聚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 100C、120C、140C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)120C。表1聚合醇的抗溫性能評價(jià)性能參故熱蔽前熱滴121訴凡120TA /引，如36 一。34.53。26.0基槳PV/mPa*22.520.51&015.5Y&11514。12.0H).514.57.(12.0IK.OMA弟皿26.0基槳口如聚合醇PV/mPa*s2

15、1.(17.0IS.OY1Vl?.S12.012.01 1.04.212.05.3聚合醇鉆井液體系潤滑性能評價(jià)利用EP-1極壓潤滑儀對聚合醇的潤滑性進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)方法是：將待測液 加溫至80C后，倒入測試杯中確保在濁點(diǎn)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。表2徇滑性能評價(jià)鉆M注摩阻系數(shù)陣摩阻率，基系篆硬鉆并戒）0.0875乓漿+2%果合醇HM3749.U基漿十5%原油H524W.I5.4聚合醇鉆井液體系熱穩(wěn)定性能實(shí)驗(yàn)將聚磺鉆井液作為基漿，加入2%聚合醇在100C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

16、的熱穩(wěn) 定性能。表3熱穩(wěn)定性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果4）體系A(chǔ)/ PV/ itiPii inPnE K/mL實(shí)驗(yàn)溫隹產(chǎn)CItLItl基蒙*531.07.5(.55.(室溫廉磺鉆液）64.(47.17X)IS12.5HH) 12li)基槳+U.(27.565(.s4.S室溫聚合醇40.5SI.59.00.57.0100 12h)上述實(shí)驗(yàn)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。聚合醇鉆井液的應(yīng)用實(shí)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(jì)為五段

17、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(jì)井深。轉(zhuǎn)化前后鉆井液性能見下表表E文12井鉆井液體系轉(zhuǎn)化前后的性能井深(iiO密度(sf漏斗粘度11恒靜切身失水(jhIj波怵(tiitill摩阻系數(shù)(/轉(zhuǎn)化前再609由里

18、40.50. 1 15轉(zhuǎn)化后30071.356193/23.5U.50.0433227L.4D7090.2/1.230.50.0L33452布90.2/ 1.340.50,02236141,48S2140.50.05()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(diǎn)，采用聚合醇鉆井液體系, 其設(shè)計(jì)原則為：采用海水配漿。在海上鉆井時(shí)，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(yàn)用水的總礦化度取35g/L,其配方為水 +3.0% NaCl+0.2%MgCl2+0.2% CaCl2。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

19、高的鉆井液密度， 但海底沉積地層破裂壓力較低，因此鉆井液的密度又不能太高。根據(jù)海底水合物 地層鉆井的實(shí)際情況，經(jīng)過計(jì)算,通常將鉆井液的密度控制在1105-1120 kg/L。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。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(diǎn)設(shè)計(jì)研發(fā)出海洋鉆井用的新型聚合醇鉆井液。結(jié)論：聚合醇是一種非離子表面活性劑,具有濁點(diǎn)效應(yīng)。當(dāng)溫度高于濁點(diǎn)溫度時(shí)，