聚合醇钻井液技术

聚合醇钻井液技术与应用

摘要：综述了聚合醇作为水基钻井液处理剂的开发背景；聚合醇的主要物化性质溶解性和浊点；聚合醇的抑制机理以及其他作用特点；聚合醇钻井液体系的室内研究包括无机盐对聚合醇钻井液浊点的影响，抗温性能，润滑性能，热稳定性能评价以及实例分析；基于钻井液技术所面临的油气层保护,安全快速钻井方面的严格要求。从优选处理剂入手,根本上能够解决页岩水化、油层保护、环保等方面的问题，聚合醇钻井液能够取得很好的效果；并且提出是一种比较适合海底天然气水合物地层钻探的钻井液的研制原则。

关键词：聚合醇钻井液发展背景作用机理新型钻井液应用

近年来,我国石油钻探开发逐渐由浅层向深层、由简单地层向复杂地层发展。由于深井、超深井的井下温度和压力比较高,尤其钻遇复杂地层时,井下钻井液性能易发生较大变化,极易导致一些井下复杂情况的发生,如坍塌、卡钻等。因而,寻求更有效的抑制地层膨胀和稳定井壁的新型钻井液体系是钻井液研究的主要发展方向。聚合醇(多元醇)用于钻井液处理剂,国外自20世纪80年代开始室内研究,90年代初投入应用。最早主要用于钻井液防泥包、润滑防卡等。后来发现,其在稳定井壁、保护油层和环境等方面也有很好的作用,于是在江河、湖泊和滩海钻井工程中最先得到广泛应用。聚合醇在我国也被称为多元醇、复合醇,是90 年代初发展起来的一种新型水基钻井液添加剂,兼具易维护、易降解、无荧光、与其他处理剂配伍性好等特点,被看作是协调钻井工程技术、储层保护技术与环境保护需要之间矛盾的产物,是逆乳化钻井液和高电解质体系的取代产品,是钻井液水基处理剂研究中的新秀。

本文主要综述聚合醇用作水基钻井液处理剂的背景、抑制机理，室内研究以及新型的聚合醇钻井液发展。

1. 聚合醇用作水基钻井液处理剂的背景

自上世纪90年代以来,随勘探领域逐渐向恶劣地区扩展,钻探地区日趋复杂,井壁失稳造成的钻井速度下降、钻井成本升高的现象屡见不鲜,同时期发展起来

的水平井、定向井、大位移井等新型钻井技术又对钻井液体系的抑制性、润滑性提出了更高的要求。这使得常规水基钻井液体系的应用受到了限制,不得不采用油基钻井液完成深井、海洋井、大位移井的钻探。油基钻井液对环境污染大,荧光级别高,配制维护要求严格,易着火,在环境保护日益严格的情况下,逐渐丧失其竞争优势。为此,科研人员将开发重点转移至研制新型水基钻井液体系,使该体系具备油基钻井液良好的抑制性和润滑性,同时具备水基钻井液与环境友好、易维护、价格低的长处,即开发一种集抑制性、润滑性、环境友好性、油层保护性等多种功能于一身的新型水基钻井液体系。

2. 聚合醇的物理化学特性

根据疏水基和聚合度的不同,聚合醇产品形式极其丰富,每一种产品有不同的浊点、溶解性、表面张力、临界胶束浓度。这些指标不但控制产品性能,也是决定聚合醇能否用作钻井液抑制润滑剂的关键。

2.1 溶解性

Clapper认为聚合醇产品的溶解性对其抑制性能有一定的影响。完全水不溶的聚合醇因不能在粘土表面吸附而丧失抑制水化分散的能力。

一般来说,聚氧乙烯化合物的溶解范围从完全油溶至完全水溶,这主要决取于分子中加成的EO所占的比例,在疏水基碳链长度确定的前提下,随EO数增加,水溶性增加。而温度和盐浓度的升高会使聚合醇的溶解度降低。聚氧丙烯化合物的溶解度受盐和温度的影响与聚氧乙烯化合物相似,但溶解度随PO加成数的增加而下降。（EO/PO 为随机共聚物）

2.2 浊点

聚合醇在低温下与水混合形成均一透明溶液,随溶液温度升高,水相中聚合醇溶解度下降,从溶液中分离,分离相可产生光散射,人们会看到溶液逐渐浑浊变白。当温度下降到浊点温度以下时,分离相会重新溶解,发生依赖于温度的可逆变化。在浊点前后,聚合醇的起泡性能、溶解性能、表面张力都会发生显著的改变。因此聚合醇的抑制性与浊点性能有紧密关系。

聚合醇的浊点可通过改变使用浓度、分子量、起始基、聚合度、溶液中电解质浓度等条件来调节。聚合醇在水中浊点是其浓度的函数。一般来说,当疏水基

固定,聚氧乙烯化合物的浊点随EO加成数的增加而提高,聚氧丙烯化合物的浊点随PO加成数的增加而降低;当EO加成数相同时,随憎水基碳原子数的增加,浊点降低。溶液中电解质对聚合醇浊点影响较大,特别是阴离子的种类对浊点影响十分显著。所以在现场应用中,常通过改变无机盐的加量来调节聚合醇的浊点,以提高钻井液的适应性。

3.聚合醇的抑制机理

聚合醇是低碳醇与环氧烷的低聚物，是一类非离子表面活性剂，常温下为乳状浅黄色液体，溶于水，其水溶性受温度的影响很大，当温度升到一定程度时，聚合醇从水中析出，这时的温度称为聚合醇的浊点温度，当温度低于浊点时，聚合醇又恢复其水溶性。聚合醇钻井液的设计主要是利用它的浊点特性。

在钻井过程中，随着井深的增加，井下温度逐步上升，由于温度的变化，聚合醇钻井液发生了如下变化：①低于浊点温度时，呈水溶性，其表面活性使它吸附在钻具和固体颗粒表面，形成憎水膜，阻止泥页岩水化分散，稳定井壁，改善润滑性，降低钻具扭矩和摩阻，防止钻头泥包，稳定钻井液性能并能有效控制压力传递。②当高于其浊点温度时，聚合醇从钻井液中析出，粘附在钻具和井壁上，形成类似油相的分子膜，从而使钻井液的润滑性大大增强；同时由于泥饼的形成，封堵岩石孔隙，阻止滤液渗入地层，实现稳定井壁的作用。钻井液从井底返至地面时，因温度逐步降低（从高于浊点温度降到低于浊点温度），聚合醇又恢复其水溶性，避免被震动筛筛除。聚合醇与氧化沥青处理剂复合可用于防塌，它们的作用方式是：低于聚合醇浊点温度时，聚合醇可使氧化沥青充分分散在钻井液中；当高于聚合醇浊点温度时，聚合醇从钻井液中析出，此时，失去了对氧化沥青的乳化分散作用，氧化沥青与聚合醇同时从钻井液中析出，吸附在井壁上，起到封堵、填充微裂缝的作用，起到了协同防塌的作用。

4.聚合醇钻井液的其他作用特点

4.1 良好的润滑性

在钻井时,乙二醇起润滑作用,当钻大角度斜井时,能减小钻井扭矩和阻力。在水基钻井液中加入2%聚合醇,降摩阻效果优于加5%原油;当加量为3%时,钻井液的润滑系数降低80%。聚合醇与极压润滑剂和石墨润滑剂3类润滑剂的复配使用,水基钻井液的润滑性能接近油基钻井液。

4.2钻速快

Milpark公司在美国南路易丝安那海湾钻井时,曾使用油基钻井液、氢氧化钾/石灰水基钻井液和多元醇/铝复合物水基钻井液,统计资料显示平均钻速分别为6.71mPh、2.74mPh、3.96mPh。

4.3 防止和消除钻头泥包

多元醇吸附在钻头表面形成一层疏水性薄膜,阻碍亲水性钻屑在钻头表面吸附,这已被大量现场实验所证实。

4.4 对地层损害小(用于打开油层的完井液)

具有良好的保护储层效果,渗透率恢复值在85%以上[9,28]。主要原因是:

(1)聚合醇能提高滤液的液相粘度,降低滤失量;

(2)达到浊点温度时,聚合醇具有封堵微孔隙的作用。

(3)与钾离子的协同作用,增强了对粘土的水化抑制能力。

(4)聚合醇能显著降低油水界面张力(其临界胶束浓度1~5@10-4molPL),在

25e时,1%多元醇水溶液与空气界面的张力为50mN/m。温度升高或无机盐含量增加,均使界面张力降低,界面张力的降低,使返排容易,有利于保护油气储层。

4.5环保性能好

多元醇毒性极低,且易被生物降解。排放的多元醇会很快在微生物的作用下降解为水和CO2等小分子物质。

4.6配伍性好

通常是把乙二醇加入现有的常用水基泥浆体系配方中,从而增强了原有泥浆体系的性能,因而被称为“乙二醇增效泥浆”。

在增强了原有泥浆体系的性能的同时,还能增加聚合物和淀粉类处理剂的耐温性和降滤失性。用乙二醇控制循环液滤失,其机理是:(1)乙二醇能增加滤失粘度,因此减少滤失量;(2)乙二醇能与聚合物结合,在温度增加时改善其滤失性能;(3)乙二醇在接近它的浊点时成为不可溶的,形成/乳状液0,这些/微滴0能堵塞滤饼内的小孔并密封滤饼,因而减少滤失量和滤饼沉积。因此为了使乙二醇达到最大降滤失和润滑效果,井下温度必须超过乙二醇的浊点温度。有文献认为使用井段的井温比其浊点高出25e左右最佳。考虑到钻井液中有机大分子处理剂和

无机盐的影响,其使用井段的井温比聚合醇的浊点高出5~10e最佳。使用聚合醇钻井液体系,还应充分考虑季节及区域的适应性。

聚合醇能与聚合物发生各种相互作用,从而对聚合物钻井液的各种性能产生影响。研究表明,聚合醇对聚合物钻井液有稀释降粘作用[31],在无机盐存在时,又使聚合物水溶液粘度略有提高。聚合醇为非离子型低聚物,能同各种电性处理剂很好相容。

人们对阴离子、阳离子及非离子表面活性剂与水溶性聚合物结合越来越感兴趣。这类混合物改善了用于防滤失和改变流变性的聚合物的高温高压稳定性。普通钻井液聚合物与各种聚乙二醇相互作用实验

结果表明:聚合物P聚乙二醇的相互作用增加了水及钻井液中聚合物的高温P高压稳定性;聚合物和聚乙二醇的分子之间的亲水作用和氢键是产生聚合物P 聚乙二醇最佳协合作用的机理;最佳协合作用取决于聚合物类型、聚乙二醇类型及基液盐的浓度;为极大提高高温P高压钻井液稳定性,可通过优化聚乙二醇添加剂种类和其浓度实现。

5.聚合醇钻井液体系的室内研究

5.1无机盐对聚合醇浊点的影响

在2%聚合醇溶液中，改变无机盐KCL加量，测定无机盐的浓度对2%聚合醇溶液浊点的影响。测定结果如图

由上图可以看出聚合醇的浊点随着无机盐浓度的增大而降低，这是因为电解质对水的亲合力大于对表面活性剂的氢键结合力，而使水逐渐有脱离聚合醇的倾向，结果使浊点下降。

5.3聚合醇钻井液体系的抗温性能评价

将两性聚合物低固相钻井液作为基浆，并在基浆中加入2%聚合醇，分别在100℃、120℃、140℃下滚动12h后，测其流变参数见表1。从表可以看出，聚合醇钻井液体系具有较好的抗温性能，抗温性能可达120℃。

5.3聚合醇钻井液体系润滑性能评价

利用EP-1极压润滑仪对聚合醇的润滑性进行评价。评价方法是：将待测液加温至80℃后，倒入测试杯中确保在浊点温度以上，测出相应的数据如下，可知加入2%的聚合醇比5%的原油降摩阻能力要好。

5.4聚合醇钻井液体系热稳定性能实验

将聚磺钻井液作为基浆，加入2%聚合醇在100℃下滚动12h后测其流变参数（见表 3）。由表3 可知，将聚磺钻井液转化为聚合醇钻井液后具有更好的热稳定性能。

上述实验表明聚合醇钻井液体系从根本上改变了基浆的性质，并有较好的抑制性、润滑性、抗温性能和油层保护作用；钻井液性能稳定，降摩阻效果明显，能有效减少井下复杂情况，缩短钻井周期。

6.聚合醇钻井液的应用实例

文188-12井

该井是处于文南区块的一口滚动开发井,完钻井深3 645 m,设计为五段制定向井,最大井斜36.08°,水平位移460.82 m。该区块处于河岸地区,地层易坍塌掉块;上部井段采用钾盐三磺钻井液体系,成功地抑制了井塌,但井下摩阻很大,粘卡严重，钻至2 934.9 m,井斜已达34.58°,经多次调整处理钻井液性能,并采取短程起下钻、划眼清砂等措施,无法恢复正常钻进。后一次性加入聚合醇4 000 kg,井下情况逐渐好转,摩阻由原来的250-300 kN降至100-150 kN,安全地钻完设计井深。转化前后钻井液性能见下表

7.新型水基聚合醇钻井液研发原则

根据海洋天然气水合物赋存地层及水合物自身特点,采用聚合醇钻井液体系,其设计原则为:

1)采用海水配浆。在海上钻井时,淡水供应成本高,因而大都使用海水配浆。海水的矿化度一般为33-37 g/L,室内试验用水的总矿化度取35g/L,其配方为水+3.0% NaCl+0.2%MgCl2+0.2% CaCl2。

2)钻井液密度控制。为保持井壁稳定和水合物稳定,需要较高的钻井液密度,但海底沉积地层破裂压力较低,因此钻井液的密度又不能太高。根据海底水合物地层钻井的实际情况,经过计算,通常将钻井液的密度控制在1105-1120 kg/L。

3)钻井液应具有很强的页岩水化抑制性和水合物抑制性。聚合醇钻井液具有很强的水化和水合物抑制性能,能够有效封堵孔隙,阻止滤液进入地层。此外,加入少量动力学抑制剂(LDHI)能够有效抑制循环管路内水合物的再生[8],且安全无毒,不会对海洋环境造成破坏。

4)钻井液应具有良好的低温流变性。由于海洋水合物赋存于低温、高压的环境下,因此,钻井液在使用前应先进行低温冷却,使其与海底水合物地层的温度相近,但不能出现流动不畅甚至凝固等现象。

希望以后可以根据以上几点设计研发出海洋钻井用的新型聚合醇钻井液。结论：

①聚合醇是一种非离子表面活性剂,具有浊点效应。当温度高于浊点温度时,发生相分离而从水中析出,形成憎水膜聚集在粘土表面,抑制页岩的水膨胀。

②聚合醇与无机盐具有协同效应,起到了抑制页岩水化分散,稳定页岩的作用。

③聚合醇可增大滤液的粘度、降低滤液的化学活性,抑制页岩的水化分散。

④聚合醇的加入降低了钻井液的粘度与切力,表现出一种稀释降粘的作用,流变性能变好,对钻井液的流变性能调节起到了一定的作用。

⑤聚合醇的加入使钻井液的热稳定性能提高。

⑥聚合醇钻井液体系有良好的配伍性能。

⑦聚合醇钻井液在环保方面也有积极意义。

参考文献

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