1.背景

近年來，隨著石油勘探開發技術的不斷發展，深井、超深井、特殊工藝井，以及海上深水鉆探越來越多，對鉆井液的要求越來越高。為滿足環保要求和降低鉆井液成本，相關專家在新型鉆井液方面開展了大量的工作，取得了一系列研究成果和應用技術，成功開發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,又稱胺基鉆井液，主要由頁巖抑制劑、包被劑、分散劑和降濾失劑組成,其實(shi)質是應用了一種新的陽(yang)離(li)子胺(an)基(ji)聚合物。該(gai)胺(an)鹽有(you)更高的抑制能力和防泥包能力,符合環保(bao)要(yao)求,并具(ju)有(you)成膜作用,其效果(guo)與油基(ji)鉆(zhan)(zhan)井液相當,該(gai)體(ti)系可以認為(wei)是替(ti)代油基(ji)鉆(zhan)(zhan)井液且又能安全鉆(zhan)(zhan)進的一類(lei)性能更高的水基(ji)鉆(zhan)(zhan)井液。

水基鉆井液具有廣闊的應用前景，特別適合于海上鉆井；水基鉆井液的發展正朝著更高要求的發展，包括:提高胺的衍生物和低聚物的抗高溫性;優選價廉物美的低聚物,以改善濾失量和可形成膜的胺產品,并且協調其分子量和分子結構;用較少的昂貴胺類可達到預期的效果;廣泛地對有機和無機滲透驅動劑進行研究,改善形成的膜。禾川化學專業從事鉆井液配方分析，配方開發，為鉆井液相關企業提供一站式技術服務。

2.水基鉆井液

2.1新型水基鉆井液特點

1）新型水基鉆(zhan)井液體系中(zhong)采用一種特定分子結構的胺類頁巖抑(yi)(yi)制劑,當與絡(luo)合鋁配合使(shi)用時,其抑(yi)(yi)制性與OBM當；

2)新型水基(ji)鉆(zhan)井(jing)(jing)液是一(yi)種環保(bao)型的多功能(neng)水基(ji)鉆(zhan)井(jing)(jing)液,完(wan)全(quan)能(neng)滿足復(fu)雜井(jing)(jing)鉆(zhan)井(jing)(jing)作業的需要,可以(yi)替代(dai)OBM;

3)新型水基鉆(zhan)井液(ye)可以滿足(zu)鉆(zhan)軟(ruan)泥頁(ye)(ye)巖、硬脆(cui)性(xing)泥頁(ye)(ye)巖、枯(ku)竭地層的(de)要求,防(fang)塌性(xing)能(neng)類似于OBM;

4)新型水(shui)基(ji)鉆井液具有(you)非水(shui)基(ji)鉆井液的許(xu)多優良性能，如(ru)：頁(ye)巖穩(wen)定(ding)性、黏土和(he)(he)鉆屑(xie)抑制性、提高了機械(xie)鉆速、減(jian)小了鉆頭泥包、減(jian)少扭矩(ju)和(he)(he)摩(mo)阻、高溫穩(wen)定(ding)性、抑制天然氣水(shui)合物的生(sheng)成等；

2.2水基鉆井液機理

新(xin)(xin)(xin)型水(shui)基(ji)鉆井液用(yong)新(xin)(xin)(xin)胺鹽(yan)作抑(yi)制(zhi)劑。該胺鹽(yan)完全(quan)水(shui)溶,低(di)毒(du),可與其它添加劑一(yi)起(qi)使(shi)用(yong),不(bu)水(shui)解,具有成(cheng)膜(mo)作用(yong)。新(xin)(xin)(xin)胺鹽(yan)有獨特的(de)(de)(de)分(fen)子結構(gou),可充填在(zai)(zai)黏土(tu)層(ceng)間,并把它們束(shu)縛在(zai)(zai)一(yi)起(qi),有效(xiao)地減(jian)少黏土(tu)的(de)(de)(de)吸水(shui)傾向(xiang);胺分(fen)子通過金屬陽(yang)離子吸附(fu)在(zai)(zai)黏土(tu)表面(mian),或者是(shi)(shi)在(zai)(zai)離子交換中(zhong)取代了金屬陽(yang)離子形成(cheng)了對黏土(tu)的(de)(de)(de)束(shu)縛;其抑(yi)制(zhi)頁巖膨脹的(de)(de)(de)機理(li)不(bu)同于聚(ju)(ju)合(he)醇(chun)的(de)(de)(de)作用(yong)機理(li),是(shi)(shi)由于胺基(ji)獨特的(de)(de)(de)束(shu)縛作用(yong),而不(bu)是(shi)(shi)把水(shui)從層(ceng)間排(pai)除(chu);相關研究(jiu)表明(ming),隨著其濃度的(de)(de)(de)增加,蒙脫(tuo)土(tu)的(de)(de)(de)層(ceng)間距(ju)在(zai)(zai)下降,這與在(zai)(zai)聚(ju)(ju)合(he)醇(chun)溶液中(zhong)觀察到的(de)(de)(de)現象相反,同時這也支持了一(yi)種新(xin)(xin)(xin)抑(yi)制(zhi)機理(li)的(de)(de)(de)假設;

2.3水基鉆井液常見組分

新型水(shui)基鉆井液,一(yi)般由(you)頁巖抑制劑(ji)、包被劑(ji)、分散劑(ji)和降濾(lv)失劑(ji)等成(cheng)分組成(cheng)；

1)頁巖抑制劑

新(xin)型水(shui)基鉆井液中的(de)頁(ye)巖抑制劑(ji)是一種(zhong)胺(an)基多官能分子,完全溶于(yu)水(shui)并(bing)且低毒。頁(ye)巖抑制劑(ji)獨特(te)的(de)分子結構使其分子能很好(hao)地鑲嵌在黏土(tu)(tu)(tu)層(ceng)間(jian),并(bing)使黏土(tu)(tu)(tu)層(ceng)緊密結合(he)在一起,促使黏土(tu)(tu)(tu)晶(jing)層(ceng)間(jian)脫水(shui)，減小水(shui)化(hua)膨脹(zhang)；這種(zhong)作用機理(li)是中性的(de)胺(an)類化(hua)合(he)物(wu)分子通(tong)過金屬離(li)子吸附在黏土(tu)(tu)(tu)上(shang),或者是質子態的(de)胺(an)分子通(tong)過離(li)子交(jiao)換作用替代金屬離(li)子。

2)鋁酸鹽絡合物

鋁(lv)(lv)的(de)化(hua)(hua)學(xue)(xue)多變性(xing)由該元(yuan)素(su)的(de)固有(you)特性(xing)所(suo)(suo)決定(ding)。與鉆井作業相(xiang)關(guan)的(de)鋁(lv)(lv)元(yuan)素(su)的(de)化(hua)(hua)學(xue)(xue)特性(xing)可(ke)(ke)(ke)歸納如下(xia)。1）鋁(lv)(lv)的(de)化(hua)(hua)合物(wu)可(ke)(ke)(ke)能(neng)溶(rong)(rong)于水(shui)(shui)(shui),也可(ke)(ke)(ke)能(neng)不溶(rong)(rong)于水(shui)(shui)(shui),這(zhe)主要取決于反離子(zi)(zi)(zi)(zi)和溶(rong)(rong)液的(de)pH值(zhi)(zhi)。2）可(ke)(ke)(ke)溶(rong)(rong)性(xing)鋁(lv)(lv)鹽溶(rong)(rong)解時(shi)(shi)產生(sheng)(sheng)的(de)鋁(lv)(lv)離子(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)(zai)一(yi)個八面體(ti)構象中以六(liu)角形(xing)的(de)水(shui)(shui)(shui)化(hua)(hua)離子(zi)(zi)(zi)(zi)存在(zai)(zai)。鋁(lv)(lv)離子(zi)(zi)(zi)(zi)所(suo)(suo)帶的(de)高電荷(he)使水(shui)(shui)(shui)化(hua)(hua)層失去質(zhi)子(zi)(zi)(zi)(zi),因而會(hui)產生(sheng)(sheng)一(yi)系列水(shui)(shui)(shui)解產物(wu)。鋁(lv)(lv)水(shui)(shui)(shui)解得到的(de)酸(suan)性(xing)溶(rong)(rong)液實際上都(dou)是水(shui)(shui)(shui)溶(rong)(rong)性(xing)的(de)鋁(lv)(lv)鹽。3)在(zai)(zai)水(shui)(shui)(shui)溶(rong)(rong)液中鋁(lv)(lv)鹽會(hui)經歷各種復(fu)雜的(de)與pH值(zhi)(zhi)相(xiang)關(guan)的(de)化(hua)(hua)學(xue)(xue)過程(cheng)。4)在(zai)(zai)適當的(de)條件下(xia),鋁(lv)(lv)元(yuan)素(su)會(hui)生(sheng)(sheng)成(cheng)一(yi)種兩性(xing)氫(qing)氧化(hua)(hua)物(wu)。在(zai)(zai)pH值(zhi)(zhi)較高時(shi)(shi),它(ta)會(hui)生(sheng)(sheng)成(cheng)水(shui)(shui)(shui)溶(rong)(rong)性(xing)的(de)四羥基鋁(lv)(lv)陰離子(zi)(zi)(zi)(zi)。5)鋁(lv)(lv)的(de)氫(qing)氧化(hua)(hua)物(wu)以幾種晶形(xing)或(huo)無定(ding)形(xing)的(de)形(xing)式存在(zai)(zai)。6)利用鋁(lv)(lv)的(de)氫(qing)氧化(hua)(hua)物(wu)在(zai)(zai)頁巖孔(kong)喉內或(huo)微(wei)裂縫(feng)內的(de)沉積作用,可(ke)(ke)(ke)增強井壁穩定(ding)性(xing).

鋁(lv)酸(suan)鹽(yan)絡(luo)(luo)合(he)(he)物(wu)(wu)在鉆井(jing)液中作抑制劑使用(yong)，當pH值為(wei)10~12時，這種(zhong)絡(luo)(luo)合(he)(he)物(wu)(wu)在鉆井(jing)液中以Al(OH)4-的(de)(de)(de)形(xing)式存(cun)在；當pH值為(wei)6~8時，Al(OH)4-的(de)(de)(de)絡(luo)(luo)合(he)(he)物(wu)(wu)又轉化成(cheng)白色(se)羥(qian)化鋁(lv)沉淀。根(gen)據鋁(lv)酸(suan)鹽(yan)絡(luo)(luo)合(he)(he)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)這一特性，其(qi)在鉆井(jing)液中是可溶(rong)的(de)(de)(de)，但當鋁(lv)酸(suan)鹽(yan)絡(luo)(luo)合(he)(he)物(wu)(wu)進入頁巖(yan)內部后，由于堿(jian)濃度的(de)(de)(de)降低以及(ji)與多價陽離子的(de)(de)(de)反應，則會(hui)生成(cheng)沉淀，因(yin)此，可以用(yong)來增強其(qi)在頁巖(yan)孔(kong)喉或(huo)微裂縫內的(de)(de)(de)井(jing)壁穩定(ding)性；

3)鉆速提高劑

它主要是由表(biao)(biao)面活性(xing)(xing)劑(ji)(ji)(ji)和潤滑劑(ji)(ji)(ji)組成(cheng)的(de)(de)(de)(de)特(te)殊混合物。該處理劑(ji)(ji)(ji)能覆蓋在(zai)(zai)鉆(zhan)(zhan)(zhan)屑和金屬表(biao)(biao)面從(cong)(cong)而降低(di)(di)黏土(tu)水化(hua)及其(qi)在(zai)(zai)金屬表(biao)(biao)面黏結(jie)的(de)(de)(de)(de)趨勢，防(fang)(fang)止水化(hua)顆粒聚(ju)沉,阻止鉆(zhan)(zhan)(zhan)頭泥包。使發生(sheng)水化(hua)的(de)(de)(de)(de)黏土(tu)不(bu)易在(zai)(zai)鋼(gang)金屬表(biao)(biao)面黏附,從(cong)(cong)而有利于提高(gao)機(ji)械(xie)鉆(zhan)(zhan)(zhan)速(su),可(ke)確保起下(xia)鉆(zhan)(zhan)(zhan)順利。防(fang)(fang)聚(ju)沉劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)化(hua)學作用還可(ke)防(fang)(fang)止井(jing)(jing)(jing)底(di)鉆(zhan)(zhan)(zhan)屑累積,使鉆(zhan)(zhan)(zhan)頭牙輪不(bu)斷地與(yu)新地層接觸而提高(gao)鉆(zhan)(zhan)(zhan)速(su)。這種特(te)殊的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)面活性(xing)(xing)劑(ji)(ji)(ji)和潤滑劑(ji)(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)混合物在(zai)(zai)鉆(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)過(guo)程中不(bu)僅可(ke)減輕鉆(zhan)(zhan)(zhan)頭和井(jing)(jing)(jing)底(di)鉆(zhan)(zhan)(zhan)具(ju)的(de)(de)(de)(de)泥包,而且還通過(guo)降低(di)(di)摩(mo)擦系數來增強鉆(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)(jing)液(ye)潤滑性(xing)(xing),降低(di)(di)鉆(zhan)(zhan)(zhan)柱的(de)(de)(de)(de)扭(niu)矩(ju)和拉力。

4)可變性聚合物封堵劑

它是(shi)用(yong)來封堵頁巖(yan)孔隙、喉道和微裂(lie)縫的(de)(de)。該聚合(he)物即使在(zai)高(gao)濃度的(de)(de)鹽溶(rong)液(ye)中(zhong)依然能保持穩定的(de)(de)顆粒(li)尺(chi)寸(cun)分布(bu)，再加上它的(de)(de)可變形特點(dian)，使其可以與頁巖(yan)中(zhong)的(de)(de)微孔隙相配，并沿著裂(lie)縫架橋同時緊密充填，從(cong)而提高(gao)鉆井液(ye)的(de)(de)封堵效率。

5)包被劑

新型水(shui)基鉆(zhan)井液(ye)采用(yong)(yong)一(yi)種高(gao)分(fen)子量(liang)的部(bu)分(fen)水(shui)解(jie)聚丙烯(xi)酰胺(PHPA)作(zuo)為(wei)包被(bei)(bei)(bei)劑(ji),主要用(yong)(yong)來降低黏土(tu)分(fen)散的程度(du),并(bing)通(tong)過對頁巖顆粒的包被(bei)(bei)(bei)作(zuo)用(yong)(yong)抑制(zhi)頁巖水(shui)化。此外,新研制(zhi)開發的一(yi)種聚合(he)物(wu)(wu)具有一(yi)定分(fen)子量(liang)和(he)電(dian)荷(he)密(mi)度(du),其(qi)通(tong)過限(xian)制(zhi)水(shui)滲(shen)透到黏土(tu)中而起到極好的包被(bei)(bei)(bei)作(zuo)用(yong)(yong)。通(tong)過調整(zheng)和(he)控制(zhi)包被(bei)(bei)(bei)劑(ji)的分(fen)子量(liang),這(zhe)種聚合(he)物(wu)(wu)可應用(yong)(yong)于不(bu)同密(mi)度(du)范(fan)圍的鉆(zhan)井液(ye)體系和(he)鉆(zhan)井液(ye)配方中。這(zhe)種高(gao)電(dian)荷(he)密(mi)度(du)聚合(he)物(wu)(wu)還(huan)具有較強的抗鹽性(xing)(xing),能(neng)有效(xiao)地控制(zhi)水(shui)敏性(xing)(xing)黏土(tu)的膨脹和(he)分(fen)散,同時不(bu)影(ying)響鉆(zhan)井液(ye)體系的流變(bian)性(xing)(xing)。

6)降濾失劑

降(jiang)濾失(shi)劑主要采用聚陰離子(zi)纖維素(su)(PAC),該處(chu)理劑與(yu)其它處(chu)理劑有很好的配伍性;

2.3水基鉆井液性能評估

1)頁巖抑制性

抑制(zhi)(zhi)膨(peng)潤(run)土造漿和維持(chi)鉆(zhan)井液(ye)流變性(xing)(xing)的(de)能(neng)力是評價頁巖抑制(zhi)(zhi)劑最(zui)適用的(de)方法(fa);將(jiang)28.4kg/m3膨(peng)潤(run)土加(jia)入到一桶等量的(de)含(han)22.8kg/m3頁巖抑制(zhi)(zhi)劑的(de)淡水中,在65℃下熱滾16h后,測流變性(xing)(xing),然后再加(jia)入另一部分(fen)膨(peng)潤(run)土,繼續老(lao)(lao)化測其性(xing)(xing)能(neng),直到老(lao)(lao)化后樣品黏度太大不能(neng)測試為止。實驗結果表明(ming),新型水基鉆(zhan)井液(ye)抑制(zhi)(zhi)性(xing)(xing)能(neng)與KCl和季(ji)胺(an)鹽(yan)相(xiang)當。

2)屈曲硬度

利(li)用(yong)屈曲硬(ying)度測(ce)試儀測(ce)量與鉆(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液接觸后鉆(zhan)(zhan)(zhan)屑(xie)的硬(ying)度；把鉆(zhan)(zhan)(zhan)屑(xie)用(yong)鹽(yan)水洗(xi)凈后放(fang)入(ru)盛有待測(ce)鉆(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液或溶液的帶(dai)孔盤中,在66℃熱滾16h后用(yong)扭力(li)扳手逐漸增(zeng)加扭力(li),觀(guan)察鉆(zhan)(zhan)(zhan)屑(xie)被壓擠出時儀器轉數和扭矩的變化及壓出鉆(zhan)(zhan)(zhan)屑(xie)的破損(sun)情況。試塊(kuai)越硬(ying),扭力(li)讀(du)值越大,抑制(zhi)性(xing)越好(hao)；實驗表(biao)明新型水基鉆(zhan)(zhan)(zhan)井(jing)(jing)液抑制(zhi)性(xing)能較好(hao)。

3)耐崩散性

用耐崩(beng)實驗(yan)方法(fa)進一(yi)步(bu)評價高(gao)性能水基鉆(zhan)(zhan)井(jing)液(ye)的(de)性能，利用崩(beng)散性試驗(yan)儀進行了各類鉆(zhan)(zhan)屑(xie)回收(shou)率數據(ju)比較。耐崩(beng)散實驗(yan)是將(jiang)已(yi)知(zhi)質量和尺寸的(de)鉆(zhan)(zhan)屑(xie)放入有篩(shai)孔(kong)的(de)容(rong)器(qi)中,使鉆(zhan)(zhan)屑(xie)和容(rong)器(qi)浸(jin)沒在待評價的(de)鉆(zhan)(zhan)井(jing)液(ye)中滾動一(yi)定(ding)時間,破(po)碎的(de)鉆(zhan)(zhan)屑(xie)自(zi)然被篩(shai)除,然后再稱剩(sheng)余鉆(zhan)(zhan)屑(xie)的(de)質量,求回收(shou)率。實驗(yan)表明,在新型水基鉆(zhan)(zhan)井(jing)液(ye)中頁巖回收(shou)率為60~98%。

4)黏附聚集試驗

聚結試驗是(shi)評價新型水(shui)基鉆井液(ye)的(de)抑制(zhi)性和特(te)性的(de)最(zui)重要(yao)實(shi)驗之一，將(jiang)一個(ge)鋼(gang)制(zhi)金屬棒

插入盛(sheng)有鉆(zhan)井液和鉆(zhan)屑的(de)罐中(zhong),鉆(zhan)屑分布(bu)在(zai)棒(bang)(bang)的(de)周圍(wei)。將罐密封后在(zai)室溫下(xia)(xia)滾動一定時間,取出棒(bang)(bang)子拍照。刮下(xia)(xia)棒(bang)(bang)子上的(de)鉆(zhan)屑,然后干燥稱(cheng)重(zhong),計算聚結(jie)在(zai)棒(bang)(bang)上鉆(zhan)屑的(de)質量百分數；實驗(yan)表明新型水基鉆(zhan)井液中(zhong)幾乎沒有聚結(jie)物出現(xian)。

5)泥頁巖成膜試驗

用西非頁巖(yan)和(he)Pierre頁巖(yan)試驗HPWBM(成膜(mo)劑,20%鹽)在不同的(de)裸眼(yan)壓力和(he)空隙壓力下的(de)成膜(mo)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資料是借鑒近幾年出版文獻專利資料，僅供技術交流，知識點分享，不作商業推廣，如需了解最新水基鉆井液配方技術聯系我中心400-660-8959