低活度水基鉆井液體系中的活度調(diào)節(jié)劑的研究與應(yīng)用

曹伶，于培志

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

隨著全球?qū)τ谫Y源的需求日益增加，同時(shí)人們環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng)，且國(guó)家環(huán)保法律法規(guī)日漸嚴(yán)格，并且由于疫情等多方面影響，油價(jià)現(xiàn)狀低迷，而高性能水基鉆井液就是為了以低成本實(shí)現(xiàn)強(qiáng)水敏性泥頁巖膜及含泥巖等易坍塌地層的環(huán)保開發(fā)的鉆井液新體系[1-3]。國(guó)外一些知名公司較早投身于高性能水基鉆井液的研發(fā)，相繼推出高性能水基鉆井液產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)則在此方向上研究較少。因此針對(duì)易失穩(wěn)地層開展構(gòu)建仿油基低活度防塌型鉆井液體系，形成適合深部復(fù)雜地層需要的高性能低活度鉆井液技術(shù)，對(duì)于節(jié)約鉆井成本，提升整體鉆井效率等都具有十分重要意義[4-6]。本文就低活度防塌性水基鉆井液這個(gè)課題的研究與應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并且提出展望。

1 低活度鉆井液體系防塌機(jī)理

活度調(diào)節(jié)劑即低活度水基鉆井液體系防塌性的重點(diǎn)，其以杜南平衡理論及其延伸為主要依據(jù)。當(dāng)溶液水活度高于頁巖活度時(shí)，頁巖會(huì)因濃度差而發(fā)生膨脹，而后膨脹到一定程度后產(chǎn)生微裂縫，致使強(qiáng)度降低，與外部液體的接觸面積增大，膨脹進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致井壁的坍塌[7-9]。當(dāng)溶液水活度低于頁巖活度時(shí)，鉆井液中的水分子會(huì)慢速或者不再向井壁圍巖中滲漏。以此利用活度差來控制鉆井液中的水分子向井壁運(yùn)移的速度和量。以此來盡可能的減少圍巖水化的條件即水分子的多少。從而達(dá)到井壁的穩(wěn)定性[10-12]。另外，活度可以影響圍巖的同時(shí)，構(gòu)成圍巖的粘土礦物同樣影響著自身的水活度。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明頁巖水活度與粘土礦物含量呈正相關(guān)，其中蒙脫石含量對(duì)于活度影響較大[13]。此外在眾多試劑中一部分可以作為活度調(diào)節(jié)劑，但是從其成本與它的環(huán)保性出發(fā)又往往不能兩全。本文針對(duì)不同類別的低活度鉆井液體系進(jìn)行梳理總結(jié)。對(duì)于低活度鉆井液體系的研究具有指導(dǎo)意義。

2 高效活度調(diào)節(jié)劑

現(xiàn)階段的活度調(diào)節(jié)劑分為有機(jī)鹽、無機(jī)鹽、非鹽類三大類。

2.1 無機(jī)鹽類

無機(jī)鹽類是最常用的傳統(tǒng)活度調(diào)節(jié)劑，并且其效率相比無機(jī)鹽與其他非鹽類較高。所以在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多，同時(shí)多配合鍵合劑，封堵劑等使用。常用于調(diào)節(jié)活度的無機(jī)鹽有：NaCl、CaCl2、MgCl2、KCl等。陰離子相同時(shí)，Na+在低濃度時(shí)降低溶液水活度的能力高于 K+、Ca2+、Mg2+，隨著濃度升高，Ca2+、Mg2+降低水活度的能力進(jìn)一步增強(qiáng)超過 Na+[14]。2017年，郭海峰等[15]，在東海某油氣田大斜度井上應(yīng)用NaCl降低體系活度以實(shí)現(xiàn)提高抑制性的目的。原始的低自由水鉆井液體系是針對(duì)東海地層特點(diǎn)研發(fā)的一套鉆井液體系，但應(yīng)用于三口井都發(fā)生了井下復(fù)雜問題，于是結(jié)合作業(yè)情況，提出加入NaCl為活度調(diào)節(jié)劑將鉆井液活度調(diào)整至低于該區(qū)塊地層泥巖活度。改良配方之后，鉆井作業(yè)順利進(jìn)行。2020年，何福耀等[16]在東海海域H6-1井應(yīng)用反滲透鉆井液，運(yùn)用鍵合劑HBA和無機(jī)鹽調(diào)節(jié)鉆井液活度，使鉆井液活度保持在地層泥頁巖地層活度以下，不僅可控制泥頁巖穩(wěn)定性還可保護(hù)儲(chǔ)層。

雖然無機(jī)鹽的降活度效果好，且成本低，但是由于它對(duì)于鉆井液具有的不良影響也比較大同時(shí)存在污染周圍巖土層的問題，所以大趨勢(shì)是盡量減少無機(jī)鹽類活度調(diào)節(jié)劑的使用，并且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單一試劑的降活度性能相對(duì)復(fù)配試劑降活效果差,所以無機(jī)鹽與其他類別試劑復(fù)配降活度逐漸被廣泛應(yīng)用[17]。其中多為兩種或兩種以上無機(jī)鹽復(fù)配、無機(jī)鹽與有機(jī)鹽復(fù)配、無機(jī)鹽與非鹽類復(fù)配。

劉勝等[18]將活度平衡運(yùn)用到東海油氣田x11井上，應(yīng)用鍵合劑HBA產(chǎn)生反向滲透壓差，配合NaCl及KCl調(diào)節(jié)鉆井液體系的活度，平衡液柱壓差和毛管壓力，阻止水向地層傳遞，阻止濾液侵入，達(dá)到防塌穩(wěn)定井壁的目的。構(gòu)建反滲透鉆井液體系。在降低鉆井液活度的同時(shí)采用納米封堵技術(shù)，應(yīng)用納微米級(jí)封堵材料膠束劑HMS和固壁劑HGW對(duì)泥巖納微米級(jí)孔喉進(jìn)行有效封堵，建立滲透屏障；在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，具有高抑制性，強(qiáng)抗溫能力，潤(rùn)滑性良好，抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)，且儲(chǔ)層保護(hù)效果好。應(yīng)用后日產(chǎn)量上升一倍。

陳華等[19]發(fā)明公開了一種復(fù)合鹽低活度防塌鉆井液及其施工方法，該復(fù)合鹽低活度防塌鉆井液的復(fù)合鹽為有機(jī)鹽與無機(jī)鹽復(fù)配即甲酸鈉和氯化鈉按2∶1的質(zhì)量比例混合。復(fù)合鹽的應(yīng)用提高鉆井液中化學(xué)抑制泥巖防塌的功能和鉆井液的密度。其強(qiáng)化學(xué)抑制，低固相，完全滿足了長(zhǎng)裸眼段對(duì)鉆井液降摩減阻的嚴(yán)格高質(zhì)量要求。

張行云等[20]將低活度與高效封堵性能相結(jié)合形成活度平衡高效封堵鉆井液體系應(yīng)用于渤海中部油田A2、A3井，鉆井作業(yè)一切順利。添加21%復(fù)合鹽水達(dá)到降活度的效果。通過降低體系濾失減少鉆井液中液相進(jìn)入地層從而使地層水化分散的程度達(dá)到穩(wěn)定井壁的效果。

翟科軍等[21]將無機(jī)鹽與糖醇類作為活度調(diào)節(jié)劑復(fù)配形成的低活度高鈣聚胺鉆井液體系應(yīng)用于淮北101井，通過加入CaCl2增大鉆井液體系中鈣離子的濃度并其將山梨糖醇與海藻糖復(fù)配形成低活度劑LAA-1且優(yōu)選出加量為2%。最終構(gòu)建出低活度高鈣聚胺鉆井液體系，應(yīng)用于淮北101井的二開與三開擴(kuò)井效果可觀，井壁穩(wěn)定效果良好。

2.2 有機(jī)鹽類

實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)陽離子相同時(shí)，氯離子在低濃度時(shí)降低溶液水活度能力高于碳酸根、乳酸根和甲酸根離子等有機(jī)酸根。但是隨著濃度升高，甲酸根離子降低溶液水活度能力進(jìn)一步增強(qiáng)超過氯離子；所以有機(jī)鹽試劑的降活度效果在相對(duì)濃度低的時(shí)候，沒有無機(jī)鹽類的要好，但是較高濃度的甲酸鹽類的降活效率還是很可觀的，并且有機(jī)鹽類相對(duì)無機(jī)鹽污染性和毒性較低，具較強(qiáng)環(huán)保性[22]。常用于調(diào)節(jié)活度的有機(jī)鹽有：醋酸鉀、醋酸鈉、甲酸鹽、甲酸鈉、碳酸鉀、乙酸甲、乙酸鈉等。其中降活效率高的為甲酸鹽類。1986年，醋酸鉀(KAc)作為鉆井液中氯化鉀(KCl)的一種更環(huán)保的替代品自提出以來已被成功應(yīng)用。1998年，另一種鉀鹽甲酸鉀(KCOOH)被提出并應(yīng)用于鹽水和鉆井液配方中[23]。甲酸鹽因其可生物降解且對(duì)水生生物毒性低而日益受到關(guān)注。除此之外，它們對(duì)油田管道和輔助硬件中使用的鐵基金屬幾乎沒有腐蝕性。它們?cè)谒芯哂挟惓８叩娜芙舛龋⒔档土嗽S多增粘劑和失水劑在高溫下的水解和氧化降解速率[24]。Zhong H Y等[25]通過膨潤(rùn)土抑制試驗(yàn)、頁巖熱軋分散試驗(yàn)和顆粒分布試驗(yàn)，評(píng)價(jià)了甲酸鹽類的抑制性。通過zeta電位測(cè)定、X射線衍射分析、改性蒙脫土吸水性試驗(yàn)和活性試驗(yàn)，分析了甲酸鹽的緩蝕機(jī)理。結(jié)果表明，甲酸鹽則主要通過降低溶液活度來阻止粘土水合。在1999年，Gallino G等[26]在意大利南部通過極塑性頁巖鉆探幾口井時(shí)成功使用的創(chuàng)新醋酸鹽或甲酸鹽泥漿配方。非生產(chǎn)區(qū)的鉆井聚合物泥漿，其配方中包括低濃度甲酸鉀，作為常規(guī)KCl的替代品，首次廣泛應(yīng)用于ENI S.p.A./Agip分區(qū)井。在ENI S.p.A./Agip分部，K-醋酸鹽和K-甲酸鹽聚合物泥漿已用于在意大利南部?jī)蓚€(gè)不同油田(A和B)鉆探11口井。自甲酸鹽被提出并應(yīng)用與鉆井行業(yè)中便迅速推廣起來，2002年[27]在國(guó)外已采用甲酸鈉聚合物鉆井液鉆兩口水平井和1口側(cè)鉆水平井，歐洲各國(guó)已用甲酸銫鉆井液鉆了100多口井，均取得很好的效果。2016年，Isinak A a等[28]在阿爾巴尼亞亞得里亞海岸附近的卡尼納鎮(zhèn)附近的Vlora區(qū)卡尼納1號(hào)井的1 610～4 653 m的關(guān)鍵中間段成功地利用了多元醇-碳酸鉀復(fù)合體系。使用了比重為1.20～2.05的泥漿，其中含有12%的復(fù)合多元醇添加劑、40 kg/m3的碳酸鉀和2%的潤(rùn)滑、滲透率增強(qiáng)添加劑。在這種抑制性水基流體中，鉆速遠(yuǎn)高于預(yù)期，PDC鉆頭性能良好。2018年于雷等[29]鑒于有機(jī)鹽對(duì)鉆井液性能影響小的特點(diǎn)和鉀離子獨(dú)特的抑制頁巖水化作用，選擇甲酸鉀作為鉆井液活度調(diào)節(jié)劑甲酸鉀溶液最佳活度應(yīng)控制在0.900～0.950。綜合考慮性能、成本等因素，確定甲酸鉀加量為15%。2020年，于雷等[13]將有機(jī)鹽weigh2與甲酸鈉和甲酸鉀抑制性相比優(yōu)選出有機(jī)鹽weigh2作為活度調(diào)節(jié)劑，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)活度低于0.94時(shí)膨脹率與頁巖回收率優(yōu)化不明顯。選取最優(yōu)活度值為0.94。

在國(guó)內(nèi)[30]采用甲酸鉀取代KCl作為鉀基鉆井液的活度調(diào)節(jié)劑而形成的無氯新鉀基鉆井液體系先后在東部地區(qū)、南海西部鉆井,收效明顯。

2.3 非鹽類

目前非鹽類降活劑研究范圍中效果較好且常被提及的有：乙二醇、丙二醇、1-2丙二醇、山梨醇、甘露醇、木糖醇、甲基糖苷、甲基糖苷衍生物、葡萄糖、麥芽糖、山梨糖醇與海藻糖等。非鹽類在水基鉆井液活度調(diào)節(jié)劑中是屬于環(huán)保性最強(qiáng)的品類了，但他不能兼顧高效降活。因此醇類降活劑多采用醇類間復(fù)配形成多元醇或與鹽類復(fù)配以此達(dá)到良好降活效果,據(jù)文獻(xiàn)，多元醇與鹽混合使用比其單獨(dú)使用更有效[31]，多元醇如聚乙二醇、聚丙三醇、甲基葡萄糖苷等與鹽類復(fù)配時(shí)對(duì)頁巖穩(wěn)定性作用比單獨(dú)使用時(shí)效果明顯提高。改進(jìn)了頁巖流體成膜效率。鹽類降低了鉆井液水活度，頁巖可有效進(jìn)行脫水作用。

2019年，張敬輝等[32]將低活度應(yīng)用于酒精基鉆井液中，其中降低活度的方法為在制備好的膨潤(rùn)土漿中加入小分子多元醇，即加入乙二醇、丙二醇、1-2丙二醇、山梨醇、甘露醇、木糖醇中的一個(gè)或多個(gè)進(jìn)行復(fù)配制備出高效活度調(diào)節(jié)劑。該低活度酒精基鉆井液體系具有環(huán)保性，對(duì)環(huán)境無害，且易于控制。2011年，肖金裕等[33]將有機(jī)鹽聚合醇鉆井液在頁巖氣井中，用其與聚磺鉆井液、聚合物鉆井液浸泡寧 206 井現(xiàn)場(chǎng)頁巖巖心，頁巖巖心在有機(jī)鹽聚合醇鉆井液中浸泡后活度降低更多，說明該鉆井液比其它鉆井液具有更低的活度，減少了水分子進(jìn)入泥頁巖的破壞作用，充分體現(xiàn)出該鉆井液的低活度、防塌特性。 糖類則是多用于與鹽類非鹽類試劑復(fù)配，做輔助效果甚佳。上文提到[20]，將CaCl2增與山梨糖醇與海藻糖復(fù)配形成低活度劑LAA-1降低水基鉆井液活度。

除糖醇類以外其他一些試劑在活度調(diào)節(jié)方面的價(jià)值也不斷被發(fā)掘、提出并改進(jìn)。1999 年[34]甲基糖苷鉆井液在國(guó)內(nèi)新疆沙113井首次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果良好，當(dāng)鉆井液中甲基糖苷含量接近 40% 時(shí)，可顯著降低鉆井液水活度，形成理想半透膜，阻止鉆井液濾液侵入地層導(dǎo)致的泥頁巖水化膨脹，有效維持井眼穩(wěn)定。 但也普遍存在著加量大、成本高、抑制及抗溫性能有待提高等問題，限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。在克服這些問題時(shí)國(guó)內(nèi)外采取了不同的技術(shù)路線，國(guó)外開展了通過烷基糖苷與無機(jī)鹽的復(fù)配來減少 APG 加量的研究; 國(guó)內(nèi)開展了通過烷基糖苷的改性來達(dá)到減小加量、降低成本的目的，主要得到了陽離子烷基糖苷(CAPG) 、聚醚胺基烷基糖苷(NAPG) 等改性產(chǎn)品[35-37]。2016年[38]甲基糖苷衍生物CAPG、NAPG 等產(chǎn)品已在新疆、陜北、內(nèi)蒙、四川和中原等地區(qū)應(yīng)用近 50 井次，滿足了強(qiáng)水敏性泥巖、含泥巖等易坍塌地層長(zhǎng)段水平井開發(fā)的需要。針對(duì)頁巖氣長(zhǎng)水平井對(duì)鉆井液井壁穩(wěn)定、潤(rùn)滑防卡和攜巖帶砂等性能要求高，中原石油工程有限公司自主研發(fā)出以NAPG、CAPG 和 APG 為核心主劑的烷基糖苷衍生物鉆井液體系，簡(jiǎn)稱 APD(Alkyl Polyglucoside Derivative)鉆井液。2015年，趙虎等[39]將高濃度的CaCl2溶液加入烷基糖苷鉆井液中形成氯化鈣-烷基糖苷鉆井液體系，該體系水活度可達(dá)0.40～0.76，有效降低鉆井液的活度進(jìn)而提高半透膜效率。2021年，Gao J等[40]研究了以玉米淀粉為主要成分的甲基葡萄糖苷(MEG)鉆井液。結(jié)果表明，MEG能有效降低水基鉆井液的水活度，提高頁巖膜效率。MEG鉆井液具有低水活度、高溫穩(wěn)定性、頁巖抑制性和良好的流變性能。此外，它易于生物降解，可用于環(huán)境保護(hù)。

除糖類醇類中已知明確用來降低活度的試劑，其他降活試劑也被合成，2021年屈沅治等[41]合成了一種新型頁巖抑制劑名為SGI-1，由堿木質(zhì)素加入三甲基氯化銨溶液在特定手法下制備而成，其抑制性能好，且環(huán)保，并且其降低活度的效果優(yōu)秀，隨SGI-1加量逐漸增加，水溶液的水活度隨之下降，在加量為2%便可降活度降到0.84以下。

3 總結(jié)與展望

隨著環(huán)保意識(shí)與環(huán)保政策發(fā)展的同時(shí)，兼顧經(jīng)濟(jì)效益，高性能水基鉆井液優(yōu)化的必要性與日俱增。從杜南理論及其延伸理論出發(fā)，對(duì)目前常用的水活度調(diào)節(jié)劑進(jìn)行梳理與歸納，主要可總結(jié)為以下幾方面：(1)無機(jī)鹽類為最常用活度調(diào)節(jié)劑，它具有高效，成本低，但對(duì)鉆井液影響大，對(duì)周圍環(huán)境污染大等特點(diǎn)。(2)有機(jī)鹽類試劑具有效率相對(duì)無機(jī)鹽類相對(duì)較低，但大多數(shù)環(huán)保性強(qiáng)毒性低，有些可生物降解等特點(diǎn)。(3)非鹽類的優(yōu)點(diǎn)為環(huán)保型好、無毒無害可降解；但是也有降活效率低的缺點(diǎn)。但是多種醇類復(fù)配形成多元醇會(huì)大大提高降活效率，糖類則是在復(fù)配中可以起到很好的輔助作用。

目前活度調(diào)節(jié)劑方向仍需進(jìn)一步研發(fā)：(1)目前鉆井液行業(yè)對(duì)于環(huán)保要求不斷提高，應(yīng)開發(fā)以環(huán)保應(yīng)能為立足點(diǎn)的新型降活度試劑，盡量達(dá)到無毒無害可降解。(2)目前常用活度調(diào)節(jié)劑單體較為單一，無機(jī)鹽類方向難以取得進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)聚焦于無機(jī)鹽于非鹽類，擴(kuò)大原料范圍，通過實(shí)驗(yàn)等手段研究最佳復(fù)配方法同時(shí)對(duì)于性能好的處理劑兼活度調(diào)節(jié)劑進(jìn)行優(yōu)化；開發(fā)新型活度調(diào)節(jié)劑。