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。