聚合醇鉆井液處理劑的研究進展

在中國，也被稱為多元醇和復合醇，是20世紀90年代初以來開發(fā)的一種新型水基鉆井液制劑。具有易維護、易分解、耐光等特點，與其他處理劑具有良好的配合性。這被認為是解決鉆探技術(shù)、固井保護技術(shù)和環(huán)境保護需求之間矛盾的產(chǎn)物。這是一種反乳化鉆頭和高電解質(zhì)系統(tǒng)的替代品。這是鉆探水基處理劑研究的新技術(shù)。為進一步擴展該處理劑的應(yīng)用,國外科研人員對聚合醇的應(yīng)用機理和體系進行了探索;我國也在近年來開展了研究,有一些產(chǎn)品投入實際應(yīng)用,取得了良好的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益。本文介紹聚合醇用作水基鉆井液處理劑的由來、種類、機理以及現(xiàn)有體系。1研制新型水基鉆井液體系自上世紀90年代以來,隨勘探領(lǐng)域逐漸向惡劣地區(qū)擴展,鉆探地區(qū)日趨復雜,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。油基鉆井液對環(huán)境污染大,熒光級別高,配制維護要求嚴格,易著火,在環(huán)境保護日益嚴格的情況下,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、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、油層保護性等多種功能于一身的新型水基鉆井液體系。1940年Cannon首次用30%的乙二醇和丙三醇成功地解決了水敏地層的頁巖膨脹問題,使我們對多羥基物質(zhì)的抑制機理有了初步的認識。事隔50年后科研工作者重新對羥基、氫鍵在抑制頁巖水化分散中的作用進行了研究。在減少用量、降低成本思路的指導下,把關(guān)注的焦點移向與乙二醇和丙二醇具有相似化學結(jié)構(gòu)的乙氧基或丙氧基齊聚物,即低聚的聚氧乙烯醚和聚氧丙烯醚。近年來又擴展至以多種功能團為起始基的環(huán)氧乙烷環(huán)氧丙烷共聚物,產(chǎn)品形式和用途日益廣泛,成為一類新型水基鉆井液添加劑。作為處理劑,聚合醇的優(yōu)勢在于:在抑制粘土水化分散的同時,對鉆井液流變性影響較小,便于鉆井液的日常維護(而常用的無機鹽抑制劑或陽離子抑制劑對鉆井液流變性影響較大),在賦予體系以較好的潤滑性的同時不顯熒光,對地質(zhì)錄井、測井不造成干擾(而常用的油基潤滑劑熒光較強),還可抑制天然氣水合物的形成并具有保護油氣層的功效。2聚合醇產(chǎn)品的分類符合嚴格化學定義的聚合醇,應(yīng)是分子中含2個或2個以上羥基的醇。如甘油、聚甘油、乙二醇、糖苷等。但從現(xiàn)有文獻看,聚合醇涵蓋的范圍遠遠超過了其化學定義,已提及的產(chǎn)品形式有環(huán)氧醇醚、聚合甘油、EO/PO隨機共聚物、脂肪酸環(huán)氧化物、脂肪胺環(huán)氧化物等類別。除聚合甘油外,大多數(shù)產(chǎn)品是由含活潑氫的疏水化合物和環(huán)氧化物共聚而得?；瘜W結(jié)構(gòu)的多樣性決定了聚合醇應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性。從目前國外16個廠家生產(chǎn)提供的28種產(chǎn)品看(見表1),聚合醇主要用作抑制潤滑性,也可用作解卡劑、乳化劑、水合物抑制劑等,產(chǎn)品類型呈逐年上升趨勢。3產(chǎn)品的質(zhì)量指標根據(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。3.1聚氧乙烯化合物的溶解Clapper認為聚合醇產(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。3.2聚合物醇的抑制性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。當溫度下降到濁點溫度以下時,分離相會重新溶解,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。4滲透說、濁點說、吸附說作為新型水基鉆井液處理劑的聚合醇自使用以來,對其機理的探索一直為科研人員所關(guān)注。目前已在一定的實驗基礎(chǔ)上初步形成了滲透說、濁點說、吸附說3種假說。但是從使用現(xiàn)狀來看,每種假說都有一定的不足。4.1聚合醇有利于控制井眼穩(wěn)定作用滲透說認為聚合醇主要通過增大濾液粘度、降低濾液化學活性起抑制頁巖水化分散的作用。泥頁巖可看作是一個漏失性膜,與鉆井液接觸時由于頁巖與鉆井液之間存在的壓差及頁巖內(nèi)液體活度的不同,常會導致水和某些溶解離子發(fā)生遷移,造成井眼失穩(wěn)。聚合醇一方面可通過提高濾液粘度增加滲濾阻力,減少濾失量,降低水力侵入,起控制頁巖水化分散的作用,還可通過平衡頁巖孔隙水向井眼中滲透回流來阻止鉆井液濾液的侵入,進一步提高井壁的穩(wěn)定性。對于該機理,Bland進行了一些簡單的實驗。他發(fā)現(xiàn)測定溫度低于聚合醇的濁點時,聚合醇確實可增加濾液粘度,降低流體侵入速度,延長頁巖的失穩(wěn)時間;當測定溫度高于濁點15℃左右時,雖有部分聚合醇開始從水相中分離,但溶解的聚合醇依然可以起提高濾液粘度、降低頁巖水化的作用。該機理可解釋無濁點或使用溫度低于濁點的一些聚合醇能有效控制井眼穩(wěn)定的事實。但是一般在聚合醇加量較高(體積分數(shù)一般大于10%)時該機理才能起作用,一些聚合醇在加量較小(3%~5%)時表現(xiàn)出良好的抑制性,該機理無法作出合理的解釋。4.2濁點效應(yīng)對聚合物醇表觀濁點的影響濁點說是一個較能為人們接受的理論。該理論認為,當使用溫度到達聚合醇的濁點時,聚合醇以小油滴的形態(tài)從水溶液中析出,在水基鉆井液體系中形成乳液。這種溫度激活的乳狀液(TAME)不但賦予體系較好的潤滑性,同時可吸附在粘土表面,形成屏蔽層,改變粘土的潤滑性,阻止濾液的侵入。此外,一些粒度適中的油滴還可堵塞頁巖表面的孔隙,起填充孔喉和封堵微裂縫的作用,進一步降低濾液對頁巖水化的影響,提高井眼的穩(wěn)定。Aston用動態(tài)濾失儀對濁點機理進行了室內(nèi)驗證。當實驗溫度低于濁點時,基漿與聚合醇處理漿的動濾失速率差別不大,當實驗溫度高于濁點時,基漿的濾失速率比聚合醇處理漿高46.64%。根據(jù)濁點效應(yīng)對聚合醇的分子量和濁點范圍提出了進一步的要求。如Bland認為,為使析出的聚合醇有效地封堵孔喉,其分子量應(yīng)控制在500~2000,否則粒徑過大,不能進入頁巖孔道,而使抑制頁巖水化分散的作用減弱。Mcgill提出,為獲得更好的抑制性,聚合醇的表觀濁點應(yīng)低于或接近井底溫度;一種有效的聚合醇產(chǎn)品最好由濁點不同的幾種產(chǎn)物組成,將濁點調(diào)整到與井下循環(huán)溫度一致。該機理無法說明一些無濁點的聚合醇產(chǎn)品或使用溫度低于濁點的一些聚合醇產(chǎn)品仍具有良好的抑制性的原因。由此看出,濁點效應(yīng)并不是聚合醇抑制頁巖水化的必要條件。4.3聚酯纖維取代雙分子化合物的配置與使用吸附說認為,聚合醇之所以具有抑制性,是由于其分子內(nèi)的眾多醚鍵與水分子競爭吸附在粘土表面,形成體積較大的化合物層,此化合物層與K+發(fā)生協(xié)同作用,使結(jié)構(gòu)的有序性和致密性進一步提高,從而有效地排斥水分子在粘土表面的附著,起減弱頁巖水化,維持頁巖穩(wěn)定的作用。在吸附說的室內(nèi)探索實驗中,Aston首先用熱重分析儀分析了經(jīng)聚合醇/KCl浸泡的巖樣中水濃度和聚合醇濃度與浸泡時間和處理劑加量的函數(shù)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨浸泡時間的延長或隨聚合醇濃度的提高,出現(xiàn)巖樣含水量下降,聚合醇含量升高的現(xiàn)象。這說明聚合醇可取代巖樣中的吸附水,控制頁巖表面的水化。但是該機理導出的前提是聚合醇與KCl共存,這并不代表聚合醇應(yīng)用的普遍性。Reid用遠紅外光譜儀和X射線衍射定量分析儀驗證了在有無KCl的情況下,聚合醇的吸附量與頁巖抑制的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)聚合醇在單獨使用時盡管可強烈吸附在粘土表面,但吸附量與抑制能力不成正比,聚合醇在相鄰粘土間形成的雙分子化合物層穩(wěn)定性差,基底孔隙D001值較大,為1.75nm;而當聚合醇與KCl共存時,聚合醇平臥在相鄰的粘土層間,形成致密的單分子層,D001值降至1.40nm,控制井筒穩(wěn)定能力增強。由此可以看出,聚合醇的取代吸附并不是抑制頁巖水化的充分條件,K+與處理劑中醚鍵的共同作用決定了該處理劑的抑制性。該理論認為聚合醇表現(xiàn)出較好抑制性的必要條件是聚合醇與KCl共存,這無法解釋一些聚合醇單獨使用時也表現(xiàn)出較好抑制性的事實。從上述敘述可以看出,目前的3種機理在解釋低加量、有無濁點、是否與KCl共同使用等幾方面存在爭議。筆者認為,由于聚合醇本身種類較多,起始基的差異、加成數(shù)的不同、加成順序的改變都會影響產(chǎn)品的理化性能,進而影響其抑制頁巖水化分散的機理。而在導出大多數(shù)機理時并未指出聚合醇產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),可能只使用了一系列結(jié)構(gòu)相似、分子量不同的同一族產(chǎn)品,因此得到的機理只適用于某一類化合物。為解決此問題,今后對機理的探索工作應(yīng)細化,針對不同的化合物結(jié)構(gòu)(如聚氧乙烯脂肪醇、聚氧乙烯烷基酚、聚氧乙烯脂肪酸酯、聚氧乙烯胺等)進行機理研究。5海洋環(huán)境敏感地區(qū)作為一種水基抑制潤滑劑,聚合醇最初因為加量大價格高等缺陷,僅限海洋等環(huán)境敏感地區(qū)使用。近年來隨研究的深化,在降低成本提高功效的前提下,已形成了幾種與之配套的體系,使聚合醇的大規(guī)模應(yīng)用得以實現(xiàn)。5.1聚合物體系優(yōu)點這是目前使用最為廣泛的一種聚合醇體系,作為油基鉆井液的替代品,可用于直井、定向井、水平井、大分支井的鉆探。鉆探領(lǐng)域也逐漸由海洋擴展至陸地。該體系與傳統(tǒng)的KCl/聚合物體系相比,①鉆井速度提高,稀釋次數(shù)減少;②鉆屑質(zhì)地改善;③抗石膏侵、氣侵、水泥侵和固相侵的能力增強。聚合醇可改善常規(guī)流型調(diào)節(jié)劑和降濾失劑的高溫高壓穩(wěn)定性。vanOort提出聚合醇通過疏水締合以及氫鍵作用,沿聚合物鏈聚集,與聚合物形成珍珠串,增加聚合物的動力學尺寸,掩蔽氧對聚合物鏈的影響,提高聚合物的耐溫耐鹽性。這種分子間的結(jié)合隨聚合醇的種類、聚合物的不同以及鉆井液的礦化度等條件的改變而改變,不同聚合醇產(chǎn)品在不同體系中對聚合物耐溫性的影響不同。5.2聚合物醇乳化體系在衰竭砂巖的定向鉆探中,由于泥餅厚、濾失量大,經(jīng)常會發(fā)生壓差卡鉆、鉆頭泥包等井下事故。為解決此問題,EP公司在Louisiana地區(qū)嘗試使用了聚合醇/瀝青體系。該體系是將一種有濁點的聚合醇與可變形瀝青混合,依靠聚合醇的乳化作用,在不添加表面活性劑的情況下使氧化瀝青穩(wěn)定地分散在水基鉆井液中。該體系中的可變形瀝青能封堵地層孔隙、微裂縫和層面,并可在井壁上形成致密疏水膜,阻止水對地層的侵蝕,起穩(wěn)定井壁的作用,而聚合醇在濁點以上溫度可形成油滴,為體系提供相應(yīng)的潤滑性,使該體系具有較好的潤滑性能和較低的高溫高壓濾失量。該體系成功地解決了高壓衰竭定向井的鉆探。如鉆PeltoBlock86井時曾遇2層高壓層并造斜46°,使用木質(zhì)素磺酸鹽/聚合醇/瀝青體系成功地控制了鉆井液的高溫高壓濾失量,降低了鉆柱扭矩和拉力,電測一次成功。5.3到的問題上，當事人存在著哪些問題在墨西哥灣等地區(qū)的鉆探中,鉆頭泥包和壓差卡鉆是鉆井中經(jīng)常遇到的問題。以往主要采用油基鉆井液,受環(huán)境政策的限制,不得不改