1.背景

近年來(lái)，隨著石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，深井、超深井、特殊工藝井，以及海上深水鉆探越來(lái)越多，對(duì)鉆井液的要求越來(lái)越高。為滿(mǎn)足環(huán)保要求和降低鉆井液成本，相關(guān)專(zhuān)家在新型鉆井液方面開(kāi)展了大量的工作，取得了一系列研究成果和應(yīng)用技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出具有油基鉆井液性能的高性能水基鉆井液；高性能水基鉆井液,又稱(chēng)胺基鉆井液，主要由頁(yè)巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑組成,其實(shí)質(zhì)是應(yīng)用了一種新的陽(yáng)離子胺基聚合物。該胺鹽有更高的抑制能力和防泥包能力,符合環(huán)保要求,并具有成膜作用,其效果與油基鉆井液相當(dāng),該體系可以認(rèn)為是替代油基鉆井液且又能安全鉆進(jìn)的一類(lèi)性能更高的水基鉆井液。

水基鉆井液具有廣闊的應(yīng)用前景，特別適合于海上鉆井；水基鉆井液的發(fā)展正朝著更高要求的發(fā)展，包括:提高胺的衍生物和低聚物的抗高溫性;優(yōu)選價(jià)廉物美的低聚物,以改善濾失量和可形成膜的胺產(chǎn)品,并且協(xié)調(diào)其分子量和分子結(jié)構(gòu);用較少的昂貴胺類(lèi)可達(dá)到預(yù)期的效果;廣泛地對(duì)有機(jī)和無(wú)機(jī)滲透驅(qū)動(dòng)劑進(jìn)行研究,改善形成的膜。禾川化學(xué)專(zhuān)業(yè)從事鉆井液配方分析，配方開(kāi)發(fā)，為鉆井液相關(guān)企業(yè)提供一站式技術(shù)服務(wù)。

2.水基鉆井液

2.1新型水基鉆井液特點(diǎn)

1）新型水基鉆井液體系中采用一種特定分子結(jié)構(gòu)的胺類(lèi)頁(yè)巖抑制劑,當(dāng)與絡(luò)合鋁配合使用時(shí),其抑制性與OBM當(dāng)；

2)新型水基鉆井液是一種環(huán)保型的多功能水基鉆井液,完全能滿(mǎn)足復(fù)雜井鉆井作業(yè)的需要,可以替代OBM;

3)新型水基鉆井液可以滿(mǎn)足鉆軟泥頁(yè)巖、硬脆性泥頁(yè)巖、枯竭地層的要求,防塌性能類(lèi)似于OBM;

4)新型水基鉆井液具有非水基鉆井液的許多優(yōu)良性能，如：頁(yè)巖穩(wěn)定性、黏土和鉆屑抑制性、提高了機(jī)械鉆速、減小了鉆頭泥包、減少扭矩和摩阻、高溫穩(wěn)定性、抑制天然氣水合物的生成等；

2.2水基鉆井液機(jī)理

新型水基鉆井液用新胺鹽作抑制劑。該胺鹽完全水溶,低毒,可與其它添加劑一起使用,不水解,具有成膜作用。新胺鹽有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu),可充填在黏土層間,并把它們束縛在一起,有效地減少黏土的吸水傾向;胺分子通過(guò)金屬陽(yáng)離子吸附在黏土表面,或者是在離子交換中取代了金屬陽(yáng)離子形成了對(duì)黏土的束縛;其抑制頁(yè)巖膨脹的機(jī)理不同于聚合醇的作用機(jī)理,是由于胺基獨(dú)特的束縛作用,而不是把水從層間排除;相關(guān)研究表明,隨著其濃度的增加,蒙脫土的層間距在下降,這與在聚合醇溶液中觀察到的現(xiàn)象相反,同時(shí)這也支持了一種新抑制機(jī)理的假設(shè);

2.3水基鉆井液常見(jiàn)組分

新型水基鉆井液,一般由頁(yè)巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑等成分組成；

1)頁(yè)巖抑制劑

新型水基鉆井液中的頁(yè)巖抑制劑是一種胺基多官能分子,完全溶于水并且低毒。頁(yè)巖抑制劑獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)使其分子能很好地鑲嵌在黏土層間,并使黏土層緊密結(jié)合在一起,促使黏土晶層間脫水，減小水化膨脹；這種作用機(jī)理是中性的胺類(lèi)化合物分子通過(guò)金屬離子吸附在黏土上,或者是質(zhì)子態(tài)的胺分子通過(guò)離子交換作用替代金屬離子。

2)鋁酸鹽絡(luò)合物

鋁的化學(xué)多變性由該元素的固有特性所決定。與鉆井作業(yè)相關(guān)的鋁元素的化學(xué)特性可歸納如下。1）鋁的化合物可能溶于水,也可能不溶于水,這主要取決于反離子和溶液的pH值。2）可溶性鋁鹽溶解時(shí)產(chǎn)生的鋁離子在一個(gè)八面體構(gòu)象中以六角形的水化離子存在。鋁離子所帶的高電荷使水化層失去質(zhì)子,因而會(huì)產(chǎn)生一系列水解產(chǎn)物。鋁水解得到的酸性溶液實(shí)際上都是水溶性的鋁鹽。3)在水溶液中鋁鹽會(huì)經(jīng)歷各種復(fù)雜的與pH值相關(guān)的化學(xué)過(guò)程。4)在適當(dāng)?shù)臈l件下,鋁元素會(huì)生成一種兩性氫氧化物。在pH值較高時(shí),它會(huì)生成水溶性的四羥基鋁陰離子。5)鋁的氫氧化物以幾種晶形或無(wú)定形的形式存在。6)利用鋁的氫氧化物在頁(yè)巖孔喉內(nèi)或微裂縫內(nèi)的沉積作用,可增強(qiáng)井壁穩(wěn)定性.

鋁酸鹽絡(luò)合物在鉆井液中作抑制劑使用，當(dāng)pH值為10~12時(shí)，這種絡(luò)合物在鉆井液中以Al(OH)4-的形式存在；當(dāng)pH值為6~8時(shí)，Al(OH)4-的絡(luò)合物又轉(zhuǎn)化成白色羥化鋁沉淀。根據(jù)鋁酸鹽絡(luò)合物的這一特性，其在鉆井液中是可溶的，但當(dāng)鋁酸鹽絡(luò)合物進(jìn)入頁(yè)巖內(nèi)部后，由于堿濃度的降低以及與多價(jià)陽(yáng)離子的反應(yīng)，則會(huì)生成沉淀，因此，可以用來(lái)增強(qiáng)其在頁(yè)巖孔喉或微裂縫內(nèi)的井壁穩(wěn)定性；

3)鉆速提高劑

它主要是由表面活性劑和潤(rùn)滑劑組成的特殊混合物。該處理劑能覆蓋在鉆屑和金屬表面從而降低黏土水化及其在金屬表面黏結(jié)的趨勢(shì)，防止水化顆粒聚沉,阻止鉆頭泥包。使發(fā)生水化的黏土不易在鋼金屬表面黏附,從而有利于提高機(jī)械鉆速,可確保起下鉆順利。防聚沉劑的化學(xué)作用還可防止井底鉆屑累積,使鉆頭牙輪不斷地與新地層接觸而提高鉆速。這種特殊的表面活性劑和潤(rùn)滑劑的混合物在鉆井過(guò)程中不僅可減輕鉆頭和井底鉆具的泥包,而且還通過(guò)降低摩擦系數(shù)來(lái)增強(qiáng)鉆井液潤(rùn)滑性,降低鉆柱的扭矩和拉力。

4)可變性聚合物封堵劑

它是用來(lái)封堵頁(yè)巖孔隙、喉道和微裂縫的。該聚合物即使在高濃度的鹽溶液中依然能保持穩(wěn)定的顆粒尺寸分布，再加上它的可變形特點(diǎn)，使其可以與頁(yè)巖中的微孔隙相配，并沿著裂縫架橋同時(shí)緊密充填，從而提高鉆井液的封堵效率。

5)包被劑

新型水基鉆井液采用一種高分子量的部分水解聚丙烯酰胺(PHPA)作為包被劑,主要用來(lái)降低黏土分散的程度,并通過(guò)對(duì)頁(yè)巖顆粒的包被作用抑制頁(yè)巖水化。此外,新研制開(kāi)發(fā)的一種聚合物具有一定分子量和電荷密度,其通過(guò)限制水滲透到黏土中而起到極好的包被作用。通過(guò)調(diào)整和控制包被劑的分子量,這種聚合物可應(yīng)用于不同密度范圍的鉆井液體系和鉆井液配方中。這種高電荷密度聚合物還具有較強(qiáng)的抗鹽性,能有效地控制水敏性黏土的膨脹和分散,同時(shí)不影響鉆井液體系的流變性。

6)降濾失劑

降濾失劑主要采用聚陰離子纖維素(PAC),該處理劑與其它處理劑有很好的配伍性;

2.3水基鉆井液性能評(píng)估

1)頁(yè)巖抑制性

抑制膨潤(rùn)土造漿和維持鉆井液流變性的能力是評(píng)價(jià)頁(yè)巖抑制劑最適用的方法;將28.4kg/m3膨潤(rùn)土加入到一桶等量的含22.8kg/m3頁(yè)巖抑制劑的淡水中,在65℃下熱滾16h后,測(cè)流變性,然后再加入另一部分膨潤(rùn)土,繼續(xù)老化測(cè)其性能,直到老化后樣品黏度太大不能測(cè)試為止。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新型水基鉆井液抑制性能與KCl和季胺鹽相當(dāng)。

2)屈曲硬度

利用屈曲硬度測(cè)試儀測(cè)量與鉆井液接觸后鉆屑的硬度；把鉆屑用鹽水洗凈后放入盛有待測(cè)鉆井液或溶液的帶孔盤(pán)中,在66℃熱滾16h后用扭力扳手逐漸增加扭力,觀察鉆屑被壓擠出時(shí)儀器轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩的變化及壓出鉆屑的破損情況。試塊越硬,扭力讀值越大,抑制性越好；實(shí)驗(yàn)表明新型水基鉆井液抑制性能較好。

3)耐崩散性

用耐崩實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步評(píng)價(jià)高性能水基鉆井液的性能，利用崩散性試驗(yàn)儀進(jìn)行了各類(lèi)鉆屑回收率數(shù)據(jù)比較。耐崩散實(shí)驗(yàn)是將已知質(zhì)量和尺寸的鉆屑放入有篩孔的容器中,使鉆屑和容器浸沒(méi)在待評(píng)價(jià)的鉆井液中滾動(dòng)一定時(shí)間,破碎的鉆屑自然被篩除,然后再稱(chēng)剩余鉆屑的質(zhì)量,求回收率。實(shí)驗(yàn)表明,在新型水基鉆井液中頁(yè)巖回收率為60~98%。

4)黏附聚集試驗(yàn)

聚結(jié)試驗(yàn)是評(píng)價(jià)新型水基鉆井液的抑制性和特性的最重要實(shí)驗(yàn)之一，將一個(gè)鋼制金屬棒

插入盛有鉆井液和鉆屑的罐中,鉆屑分布在棒的周?chē)?。將罐密封后在室溫下滾動(dòng)一定時(shí)間,取出棒子拍照。刮下棒子上的鉆屑,然后干燥稱(chēng)重,計(jì)算聚結(jié)在棒上鉆屑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；實(shí)驗(yàn)表明新型水基鉆井液中幾乎沒(méi)有聚結(jié)物出現(xiàn)。

5)泥頁(yè)巖成膜試驗(yàn)

用西非頁(yè)巖和Pierre頁(yè)巖試驗(yàn)HPWBM(成膜劑,20%鹽)在不同的裸眼壓力和空隙壓力下的成膜作用.

2.4新型水基鉆井液參考配方

以上水基鉆井液配方技術(shù)資料是借鑒近幾年出版文獻(xiàn)專(zhuān)利資料，僅供技術(shù)交流，知識(shí)點(diǎn)分享，不作商業(yè)推廣，如需了解最新水基鉆井液配方技術(shù)聯(lián)系我中心400-660-8959