地熱鉆井

國內超高溫鉆井液研究與應用進(jìn)展

  1前言
 
  20世紀80年代以來(lái),世界各國鉆深井、超深井、復雜井的數量增加,對鉆井液高溫下的穩定性、濾失量和潤滑性提出了更高要求。為滿(mǎn)足超深井鉆井技術(shù)發(fā)展的需要,各國都在努力研制抗高溫鉆井液處理劑和鉆井液體系。
 
  國外超深井鉆探施工起步較早,早在1958年,就采用水基鉆井液,打成了井底溫度為245℃、井深為7000m超深井;后來(lái),用SSMA與木質(zhì)素磺酸鹽組成的鉆井液,在龐怡特雷恩湖地區成功打了一口井底溫度為232℃、井深為6981m的超深井,所用鉆井液密度為2.253g/立方厘米;采用該體系,在加州塞羅普里埃托井底溫度超過(guò)371℃的地熱井中應用,也取得了很好的效果;采用油基鉆井液,在美國德州Webb市施工的羅薩1號勘探井,井底溫度為 290℃,井深為7265m。
 
  目前,我國在塔里木盆地、準噶爾盆地、四川盆地、松遼盆地、柴達木盆地及南海西部等區域,已經(jīng)完成了一批井底溫度大于200℃的超高溫井,如莫深1井,設計井深達7380m,井底溫度超過(guò)200℃,鉆井液密度達2.2g/立方厘米;勝科1井,完鉆井深達 7026m,測試井底溫度超過(guò)235℃;泌深1井,完鉆井深為6005m,鉆井液靜置24h,實(shí)測井底溫度為 236℃;徐深22井5300m(完鉆井深5320m),井底溫度為213℃;長(cháng)深5井,完鉆井深為5321m,井底溫度超過(guò)200℃;徐聞X3井,設計垂深為5100m,斜深為5664m,水平位移達1893.92m,井斜達35°,完鉆井深為6010m,井底5974m處實(shí)測井底溫度達 211℃;南海鶯瓊地區所鉆的崖城21-1-3井,井深4688m,井底溫度達206℃。
 
  應當指出,盡管已經(jīng)有了一些超高溫井的成功實(shí)例及處理劑研究,但國內超高溫鉆井液整體水平與國外還存在差距。本文結合近期研究工作,就國內超高溫鉆井液處理劑和鉆井液體系研究與應用情況進(jìn)行介紹。
 
  2 超高溫鉆井液處理劑
 
  2.1水基鉆井液處理劑
 
  近年來(lái),圍繞超高溫鉆井液發(fā)展的需要,研究者提出了抗高溫鉆井液處理劑設計思路,并在降黏劑和降濾失劑方面開(kāi)展了一些工作。以苯乙烯、康酸為原料,經(jīng)過(guò)共聚、磺化,得到的超高溫水基鉆井液降黏劑磺化苯乙烯-衣康酸共聚物SSHIA具有良好的耐溫性,加量0.3%時(shí),可使淡水鉆井液在 260℃老化16h后的表觀(guān)黏度由59mPa·s降至32mPa·s以下。以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸與丙烯酰胺和N,N-二甲基丙烯酰胺為原料,合成的AMPS/DMAM/AM共聚物鉆井液處理劑,熱穩定性好,降黏和耐溫抗鹽能力強。采用丙烯酰氧丁基磺酸、2-丙烯酰氧-2-乙烯基甲基丙磺酸鈉和N,N-二甲基丙烯酰胺,與丙烯酰胺、丙烯酸等單體共聚,合成的MP488降濾失劑、LP527解絮凝降濾失劑,兩者熱穩定性好,在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用,抗溫大于220℃。以丙烯酰胺、丙烯酰氧異丁基磺酸、丙烯酸和N、N-二甲基丙烯酰胺等單體為原料,合成的低相對分子質(zhì)量的多元共聚物超高溫鉆井液降濾失劑 FLA240,熱穩定性好,與其他處理劑配伍性好,作為鉆井液處理劑,在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中具有較好的降濾失作用,經(jīng)過(guò)240℃超高溫老化后,能較好地控制鉆井液的濾失量,在密度為2.25g/立方厘米的飽和鹽水鉆井液中,當加量由1.0%增加到4.0%時(shí),可以使鉆井液的高溫高壓濾失量由110mL降至 6mL,體現出良好的抗溫性能。以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二甲基丙烯酰胺為原料,合成的P(AMPS/DMAM)共聚物鉆井液降濾失劑,熱穩定性好,抗溫能力強,在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用,經(jīng)過(guò)220℃高溫老化后仍能較好地控制鉆井液濾失量。以丙烯酰胺、 N-異丙基丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為原料,合成的P(AMPS-IPAM-AM)共聚物,在淡水、鹽水、飽和鹽水和復合鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用,在220℃下老化后仍能較好地控制鉆井液的濾失量,具有良好的抗溫、抗鹽和抗鈣性能[16]。丙烯酰胺/丙烯酰氧丁基磺酸/N,N-二甲基丙烯酰胺三元共聚物降濾失劑,在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中均具有較強的降濾失和提黏切能力,即使經(jīng)過(guò)240℃、16h的高溫老化后,仍能有效控制鉆井液的濾失量。1%水溶液的黏度較低(低于15mPa·s)的超高溫聚合物降濾失劑PFL-1,在鉆井液中的黏度效應小,熱穩定性好,抗溫抗鹽能力強,用該降濾失劑處理的鉆井液,即使經(jīng)過(guò)240℃的 高溫老化后,其濾失量仍然較低,與SMC、SMP等具有較好的配伍性。
 
  采用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)與磺化酚醛樹(shù)脂(SMP)為原料,合成的P(AMPS-AM-AA)/SMP復合聚合物降濾失劑,抗溫達240℃,在淡水、鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用,與SMP相比,對高密度鉆井液黏度影響較小,與SMC等具有良好的配伍性,可有效控制高密度鉆井液的高溫高壓濾失量和流變性[19]。在磺化酚醛樹(shù)脂的基礎上,通過(guò)分子修飾得到的抗鹽高溫高壓降濾失劑HTASP,在鹽水和飽和鹽水鉆井液中具有較好的控制高溫高壓濾失量的能力,與SMC和降濾失劑LP527、MP488等具有良好的配伍性,與LP527、MP488和SMC等組成的高密度鹽水鉆井液體系高溫穩定性好,流變性易于控制。采用腐植酸與丙烯酰氧丁基磺酸(AOBS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)接枝共聚,合成的低相對分子質(zhì)量AOBS/AM/AA/腐植酸接枝共聚物,熱穩定性好,抗溫達到240℃,在淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液中均具有較好的降濾失作用,對鉆井液黏度影響較小,可有效控制鉆井液的高溫稠化,與SMC、 SMP等具有良好的配伍性。
 
  2.2油基鉆井液處理劑
 
  近年來(lái),國內在油基鉆井液處理劑方面也開(kāi)展了一些初步的研究工作,如針對高溫、高密度油包水逆乳化鉆井液濾失量大的問(wèn)題,采用胺化合物對腐植酸進(jìn)行改性,得到了一種抗溫能力達220℃的油基鉆井液降濾失劑XNTROL220,在油中具有良好的分散能力,在油包水逆乳化鉆井液中具有明顯的降濾失效果,同時(shí)還具有稀釋降黏、輔助乳化等功能。新型陽(yáng)離子表面活性劑XNWET作為油基鉆井液的潤濕反轉劑,具有來(lái)源廣、價(jià)格低、親油性強的特點(diǎn),實(shí)驗表明,在220℃的高溫下,XNEWT仍能與親水性固體有很好的吸附性能,抗溫性能和熱穩定性好。
 
  通過(guò)優(yōu)選季銨鹽和采用螯合技術(shù)合成的高溫穩定的有機土XNORB,不但在柴油和白油中具有良好的分散性能和增黏效果,而且能在220℃的高溫下基本保持穩定。通過(guò)在鈉土中加入有機改性劑進(jìn)行有機改性,得到有機土LWTRO-250,在油包水乳化鉆井液中,能很好地起到增黏提切的作用,并具有較好的流變性能和抗高溫性能,且能在250℃的高溫下基本保持穩定,對乳狀液的穩定性起到良好的作用。
 
  3超高溫鉆井液體系
 
  3.1水基鉆井液
 
  與國外相比,國內在超高溫水基鉆井液研究方面起步較晚,近期首先針對現場(chǎng)需要,在超高溫鉆井液方面開(kāi)展了一些探索性研究。由高溫保護劑、降濾失劑、封堵劑等組成抗高溫(220℃)、高密度 水基鉆井液,具有良好的抑制性和抗鉆屑污染性能,抗鉆屑污染達10%,抗鹽達2%,抗氯化鈣達0.5%。由抗高溫保護劑、高溫降濾失劑、封堵劑、增黏劑等組成的抗溫可達240℃的淡水鉆井液體系,各種密度配方在240℃下均具有良好的高溫穩定性,高溫高壓濾失量低,并具有良好的流變性能、抑制性能和抗鉆屑污染性能。由3%膨潤土基漿+5%的BS-OS(接枝共聚物與磺化腐植酸衍生物復配產(chǎn)品)+5%的BS-OC(接枝共聚物與磺化腐植酸衍生物復配產(chǎn)品)+2.5%的BS-PN(磺化褐煤樹(shù)脂類(lèi))+3%的SPC(磺化褐煤樹(shù)脂類(lèi))+1.5%的PA-1 (無(wú)熒光防塌劑)+5%聚合醇等組成的抗高溫水基鉆井液體系,抗溫可達250~260℃,抑制防塌效果強,抗污染能力強,潤滑性好,巖心的滲透率恢復值平均為83.11%。由4%膨潤土+1.5%的SMP-2+2%的SPNH+3%的HL-2+1%的SMC+0.2%的80A51+ 0.3%的KHPAN+重晶石+2%的SF260(降黏劑)+1%的高溫穩定劑+0.5%的表面活性劑+1.0%的潤滑劑等組成的抗200℃高溫、密度達2.30g/cm3的水基聚磺鉆井液,熱穩定性好,流變性好,抗鹽、抗鈣污染能力強。以抗高溫降濾失劑LP527-1、MP488和抗鹽高溫高壓降濾失劑HTASP等作為主處理劑,與磺化褐煤(SMC)、XJ-1分散劑等配伍,得到的密度為2.30kg/L、鹽含量為10%~30%的鹽水鉆井液,經(jīng)過(guò)220℃、16h的老化后,表現出良好的高溫穩定性,沒(méi)有出現高溫稠化,高溫高壓濾失量控制在 20mL以?xún)?。針對勝?井5800~7026m井段的需要,綜合Duratherm體系、Therma高溫水基鉆井液優(yōu)點(diǎn),以國外產(chǎn)品DriscalD聚合物降濾失劑、Desco降黏劑和磺化瀝青Soltex為主處理劑,研制的超高溫高密度水基鉆井液,在應用中鉆井液密度控制在 1.70~1.74g/cm3范圍,該體系熱穩定性好,抗污染能 力強,潤滑性和剪切稀釋特性良好,高固相情況下流變性好、高溫高壓濾失量低,抗高溫能力達到 235℃,能經(jīng)受各種可溶性鹽類(lèi)及高價(jià)離子的污染,且處理工藝簡(jiǎn)單,配制方便,便于維護[32]。為解決費爾干納盆地深部井段抗高溫高密度鉆井液技術(shù)難題,開(kāi)發(fā)出抗溫220℃、密度為2.60~3.00g/cm3的有機鹽鉆井液,該體系在密度達3.00g/立方厘米時(shí),固相含量低于50%,濾餅摩阻系數小于0.20,具有良好的流動(dòng)性和潤滑防卡能力,較好地解決了加重材料的沉降和過(guò)飽和鹽水的結晶問(wèn)題[33]。采用抗高溫降濾失劑MP488、抗高溫解絮凝劑LP527、抗鹽高溫高壓降濾失劑HTASP,配制了抗溫達240℃、密度為 2.0g/cm3的飽和鹽水鉆井液體系,經(jīng)240℃、16h高溫老化后具有良好的流變性,高溫高壓濾失量小于 20mL,鉆井液抗鈣、鉆屑、黏土污染性能好,頁(yè)巖一次回收率達97.4%,沉降穩定性好。針對徐聞X- 3井三開(kāi)井段的需要,以PFL系列降濾失劑形成的超高溫水基鉆井液體系,整個(gè)三開(kāi)井段具有穩定的高溫流變性能、強抑制防塌性能和良好的潤滑性能,井深5974m處測得井底溫度為211℃,180℃高溫高壓濾失量控制在10~12mL。
 
  3.2油基或合成基鉆井液
 
  現場(chǎng)應用表明,油基或合成基鉆井液在井壁穩定、潤滑防卡、抑制地層水敏膨脹、抑制地層造漿以及快速鉆進(jìn)等方面,具有水基鉆井液無(wú)法比擬的優(yōu)勢,在越來(lái)越多的各種高難度鉆井中應用,已經(jīng)成為鉆探高難度的高溫深井、海上鉆井、大斜度定向井、水平井、各種復雜井段和儲層保護的重要手段。
 
  國內在超高溫油基鉆井液或合成基鉆井液方面開(kāi)展的工作較少,近年來(lái)研制了抗溫220℃的油包水鉆井液,并在現場(chǎng)進(jìn)行了應用。中國石油大學(xué)(北京)從分子結構和處理劑性能兩方面對處理劑進(jìn)行優(yōu)選,通過(guò)新型主(輔)乳化劑、降濾失劑和潤濕劑的研制和篩選,研制出抗高溫高密度油基鉆井液體系,經(jīng)室內測定,體系的抗溫能力達到220℃,密度大于2.3g/cm3,能抗15%的海水污染和30%的泥頁(yè)巖巖屑污染,并用于現場(chǎng)。
 
  以線(xiàn)性α-烯烴作為基油的合成基鉆井液,電穩定性好、低毒,抗溫能力達215℃,最高密度為 2.1g/立方厘米,最低密度為0.86g/立方厘米,抗水污染能力強,該鉆井液的油層保護效果好,巖心滲透率恢復值達到90%以上。由于合成基鉆井液熱穩定性好,用于超高溫鉆井取得了較好效果,如YC21-1-4井是在鶯瓊盆地鉆探的一口高溫高壓井,井深5250m,井底溫度200℃,該井自井深4960m至完鉆(井深 5250m),采用以線(xiàn)性α-烯烴為基油、鐵礦粉為加重劑形成的ULTIDRILL合成基鉆井液體系,該合成基鉆井液抑制性強,具有抗高溫、濾失量小、穩定井壁的性能,滿(mǎn)足該井施工要求。
 
  4結語(yǔ)
 
  國外在超高溫鉆井液處理劑及鉆井液體系方面已開(kāi)展了卓有成效的工作,水基鉆井液體系的使用溫度已經(jīng)超過(guò)260℃,早在上世紀80年代就形成了配套的鉆井液處理劑。與國外相比,國內在超高溫水基鉆井液研究方面剛剛起步,近年來(lái)盡管在水基鉆井液處理劑方面也開(kāi)展了一些研究工作,但大部分研究?jì)H局限在實(shí)驗室合成,研究的針對性還不強,體系的抗鹽能力還存在差距。就目前發(fā)展看,應集中力量把研究方向放在超高溫鉆井液處理劑產(chǎn)品的轉化上,并重點(diǎn)圍繞超深井的需要,開(kāi)發(fā)抗高溫不增黏處理劑和超深井高溫高壓濾失量控制劑以及稀釋劑、潤滑劑,盡快形成配套產(chǎn)品,并在已有鉆井液體系的基礎上,通過(guò)選擇高效處理劑,優(yōu)化鉆井液配方,進(jìn)一步提高鉆井液的抗污染和抗溫能力,形成不同密度、不同含鹽量的超深井鉆井液體系。同時(shí),在借鑒國外成果和經(jīng)驗的基礎上,開(kāi)展超高溫油基鉆井液處理劑及鉆井液體系的研究,以滿(mǎn)足國內超深井鉆井的需要。