強抑制性強潤滑性仿油基鉆井液研究進展

曾佳

(長江大學工程技術學院，湖北 荊州 434020)

在鉆遇復雜地層時，井壁黏土層長時間與鉆井液接觸，極易引起黏土層吸水膨脹，導致卡鉆、井壁坍塌等事故。油基鉆井液具有超強的抑制性、抗污染性、耐溫性和潤滑性，但是鉆井結束后引起的安全環保、含油鉆屑處理等問題一直困擾著石油工作人員[1-7]。因此研究學者們嘗試平衡油基鉆井液的優缺點，在保障油基鉆井液的基本性能前提下，開發出強抑制性強潤滑性仿油基鉆井液(以下簡稱POBM)。本文對一系列技術已經比較成熟的POBM展開綜述，旨在了解各種POBM的作用機理，促進POBM體系的設計、改良，最大限度地實現高效、安全、環保鉆井。

1 POBM及其作用機理

POBM這個概念最早出現在20世紀80年代，與通常所提的低毒鉆井液、環保型鉆井液、強抑制性鉆井液不同的是，POBM特指抑制性、潤滑性、流變性等綜合性能媲美油基鉆井液的一類鉆井液[8-10]，簡單來講就是通過在水基鉆井液中添加關鍵處理劑，形成的一種各項性能比擬油基鉆井液的一種鉆井液體系。

油基鉆井液的發展歷程始終貫穿有保護環境的因素，其中POBM綜合性能趕超油基鉆井液，更重要的是POBM不需要基礎油作為連續相，能從根源上解決油基鉆井液的生物毒性、環保、含油鉆屑處理等問題[11]。陸地POBM比海上POBM早，另一方面海水環境及海上鉆井平臺限制了海上POBM的發展[12]，相關報道比較少。因此主要綜述的是一系列技術已經比較成熟的陸地POBM。

1.1 聚合醇POBM

油田早期大都使用聚合醇鉆井液代替油基鉆井液，尤其在鹽膏層和頁巖地層中使用效果更佳，常用的聚合醇主要是聚乙二醇和聚乙烯二醇，其優異的抑制性和潤滑性主要有兩方面。

濁點效應：聚合醇作為非離子型表面活性劑具有濁點，其濁點為76 ℃。當聚合醇進入近井地帶，聚合醇完全溶解于液相，增加鉆井液的潤滑性，降低近井地帶摩擦阻力[13]。隨著鉆井垂深增加，地層溫度逐漸升高，當地層溫度超過76 ℃時，聚合醇由完全溶解狀態轉變為部分溶解狀態，析出的聚合醇微粒吸附在黏土層表面的微孔中，封堵地層孔隙，從而抑制黏土水化膨脹。當鉆井液返排回地面時，地面溫度一般低于76 ℃，微粒聚合醇又會重新融入鉆井液，既不會堵塞振動篩篩網，還能實現重復利用。

競吸附作用：聚合醇容易與黏土形成氫鍵，超強穩定性氫鍵吸附在黏土顆粒表面，搶占了水的吸附面積，聚合醇與水形成一種競爭吸附關系，在很大程度上杜絕了水與黏土反應[14-15]。許多資料表明，當溫度高于濁點時，附著在井壁的聚合醇濃度增加，競吸附作用效果越明顯。兩者表現出協同效應，共同穩定井壁以及潤滑鉆具。

川西F38-P3、F38-P6兩口頁巖氣井水平段地層是橫向裂縫發育為主的泥頁巖，主要產氣層埋藏深、泥頁巖穩定性差、對激動壓力比較敏感。為了解決上述問題，冷朝君[16]采用2%聚合醇+5%搬土漿+0.5%NW-1+3%HA+2%FT-1+1%NPAN+0.2%包被劑+0.5%AP-1+0.3%PAC-HV強抑制性仿油基鉆井液鉆進。實鉆情況表明兩口井二開機械鉆速超過6 m/h，動塑比均在0.2～0.5之間，濾失量<3 mL，塑性黏度不超過30 mPa·s，流變性比較規律容易調控。反排回井口的鉆井液潤滑系數在0.02～0.05之間，固相含量不超過20%，含砂量不超過1%，表明聚合醇鉆井液抑制了泥頁巖的穩定性差的問題，以及降低了鉆進摩阻提高了機械鉆速，應用效果良好。

蔣巍[17]為解決深水地層井壁穩定性差以及鉆井液與海水配伍性差的問題，研制出一種海上聚合醇硅酸鈉仿油基鉆井液體系。配方為：現場海水+5.0%膨潤土+5.0%碳酸鈉+0.4%PAC+0.7%HA樹脂+3.0%Na2SiO3+5.0%聚乙二醇。流變性測試結果表明，聚乙二醇的加入會使鉆井液增稠，但是失水量有所減少，頁巖滾動回收率有所增加，最大能達到88%的滾動回收率，泥餅致密且均勻，平均厚度約為0.5 mm。80 ℃條件下熱滾16 h，測試鉆井液浸泡后的頁巖膨脹高度，數據顯示頁巖膨脹高度僅為0.44 mm?？刮廴拘阅茉u價表明，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%的CaCl2對鉆井液流變性影響不大，鉆井液沉降穩定性良好，比較適合海上平臺鉆井。

隨著鉆井深度加深，地層條件愈加復雜，單一主鏈的聚合醇POBM難以滿足日益復雜的鉆井工況需求[18]，因此研究學者們通過在聚合醇主鏈上引入不同功能性支鏈，例如聚醚醇、丙三醇、季戊四醇、胺基硅醇，制得多元聚合醇POBM。這些多元聚合醇POBM都已經實現了現場應用且效果顯著，總的來說聚合醇POBM是目前使用效果比較優異的POBM體系。

1.2 甲基葡萄糖甙POBM

甲基葡萄糖甙(MEG)是聚糖類高分子物質，有兩種同分異構體，都為環式單體。以MEG為主要添加劑的鉆井液，具有良好的抑制黏土水化膨脹的性能。Teixeira[19]提出MEG分子進入地層后，四個親水性羥基吸附在黏土表面，一個親油性甲氧基指向外側，可以在井壁上形成一層疏水性半透膜，抑制水分穿梭井壁，從而抑制黏土水化膨脹。Natsi等[20]也展開了MEG鉆井液的研究，提出MEG分子中的羥基可以與水分子形成氫鍵，牢牢鎖住黏土中的水分。最后，國內的梁燕[21]提出疏水性半透膜兩側存在滲透壓，提高MEG溶液的濃度，抑制效果越好，進一步補充完善了MEG鉆井液的作用機制。

Alef等[22]在墨西哥灣近海區域，水敏性頁巖地層中采用MEG無機鹽鉆井液的現場試驗，鉆井液中MEG液相組分為：80.2%MEG+17.49%水+1.75%氯化鈉+0.55%無機鹽+0.01%乙酸。120 ℃ 條件下測其基本性能，測得MEG鉆井液塑性黏度為17 cP、θ6讀數為71 b/100 ft2，漿體穩定且流變性良好。HTHP為1.0 mL、井內無垮塌掉塊、巖屑滾動回收率高、LC50值超過10 000 mg/L，表明MEG鉆井液具有良好的濾失性和抑制性，且生物毒性低。

遼河油田進入油田開發中后期，已經開始采用水平井開采薄油層，為解決薄油層水平井安全快速鉆進問題，王希芹[23]室內通過大量篩選實驗總結出MEG仿油基鉆井液經典配方：5%基漿+1%稀釋劑+2%復合防塌劑+3%降濾失劑+2%潤滑劑+15%～20%MEG+0.1%流型調節劑。通過對比MEG鉆井液與兩性離子鉆井液、甲酸鹽鉆井液、聚硅氟鉆井液、油基鉆井液相同測試條件下的基礎性能，發現MEG鉆井液和油基鉆井液流變性明顯比其它鉆井液優異，動切力是強抑制性甲酸鹽鉆井液的2倍。MEG鉆井液滲透率恢復值比兩性離子鉆井液高出53.7%，抑制頁巖水化能力與油基鉆井液相當，但是潤滑系數比油基鉆井液高出25%，具有優異的抑制與潤滑性能。

MEG雖然性能優良，但是基礎加量高達20%，成本高昂。為此，Kim[24]向MEG鉆井液體系中加入KCl增強其抑制能力，形成KCl-MEG仿油基鉆井液。經過加量優選后，確定了MEG的最優加量為4%，該鉆井液中巖心2，16 h后線性膨脹率分別為2.564 2%，2.854 3%，熱滾16 h后巖屑回收率高達95.04%，與油基鉆井液相比，穩定性好、抑制性高、潤滑性能強，并且極大縮減了MEG的加量，降低了MEG仿油基體系的配制成本。

1.3 聚胺POBM

氨基陽離子具有較強的穩定性和抑制性，因此聚胺鉆井液是近年來POBM鉆井液的研究熱門[25]。一般在氫氣與催化劑共同作用下，聚醚多元醇與液氨臨氫胺化生成聚胺，重復單元為端氨基聚醚，在水溶液中，聚胺完全水溶但不水解[26]。隨鉆井液進入地層后，氨基陽離子極易嵌入黏土表層，吸附黏土表層靜電黏土顆粒，降低黏土顆粒間斥力，縮短黏土顆粒間距，形成致密的空間網絡結構，抑制水分子運移。另一方面，聚胺分子鏈上有疏水性C10～C20的烴基，當親水性氨基嵌入地層后，疏水性烴基指向井筒內部，增強了井壁表面的疏水性，兩者共同作用抑制黏土水化[27-29]。

Voitenko等[30]開發出一種強抑制性聚胺水基鉆井液HIWBM，該鉆井液主要由聚胺抑制劑、黃原膠增粘劑、聚陰離子纖維素降失水劑組成。配方簡單，不受水源的限制，可以在淡水、海水、NaCl鹽水中達到飽和狀態。HIWBM已在墨西哥灣現場應用，與該地區原始使用的合成基鉆井液相比，抑制性能優良，沒有在鉆具組合上發現泥球或者殘留巖屑，表明鉆出的巖屑封裝性好，沒有發生水化。96 h LC50值超過40 000 mg/L，完全沒有毒性，可直接排放。并且該體系是直接由海水配制，無需廢棄物處理設備，減少了作業船的體積，節約了成本，與旋轉導向工具配合使用，復合鉆進速度提高了85%。Pino[31]室內合成一種強抑制性聚胺抑制劑SD-A，該體系抑制水化作用強，100 min頁巖膨脹率僅為3%，巖屑熱滾回收率>95%；流動性高，動切力為31.0 Pa，動塑比為1.07，能夠有效舉升巖屑；極壓潤滑系數為0.095 05，潤滑性能優良，各項性能接近油基鉆井液。

以上單組分聚胺抑制體系POBM雖然各項性能接近油基鉆井液，但是該體系的強抑制性部分歸因于聚胺的高額加量，加量超過了5%。作為外摻處理劑，這種加量顯然是不合理的。所以近幾年來國內外諸多學者展開復合聚胺協同體系研究，以聚胺為主抑制劑，聚合醇、MEG、鋁酸鹽為輔抑制劑，研發出一系列低加量、低成本、超強抑制性的復合聚胺協同體系[32-34]。

Liu等[35]研制出聚胺加量為1%聚醇-聚胺POBM，使用頁巖膨脹儀測其膨脹率，與不添加聚乙二醇的聚胺POBM相比，頁巖膨脹率下降了24%，甲酸鉀去離子水中測試巖屑回收率，巖屑回收率提高了3%，達到了99%的巖屑回收率。

Abbas等[36]以0.8%聚胺作為主抑制劑，5%MEG作為輔抑制劑和潤滑劑，聚合物類降失水劑為主要材料，制備了聚胺-MEG仿油基鉆井液體系，并在川西新頁HF-1和HF-2井實現了現場應用。室內100 ℃條件下熱滾16 h，測其基本性能，潤滑系數為0.090 7，粘附系數為0.088 7，與油基鉆井液相當。巖屑滾動回收率達到91.96%，將 MEG的加量降至3%，巖屑滾動回收率仍能達到90.38%，滿足水平井對鉆井液抑制性的要求?，F場應用效果跟蹤顯示，新頁的兩口井鉆過程中無掉塊、無垮塌，井眼尺寸變化率小，沒有出現長時間阻卡問題，返排出的鉆井液漏流變性良好，泥餅薄且固相含量<5%，抑制性能與潤滑性能足以媲美油基鉆井液。

Yami[37]發現鋁酸鹽能夠與頁巖發生離子交換，生成的氫氧化鋁沉淀堵塞頁巖孔隙，阻止了鉆井液中的游離水滲入地層，從而提高井壁穩定性?；谶@一發現，Yami構筑了一套聚胺-鋁酸鹽仿油基鉆井液體系，PPT試驗曲線表明，該體系的成膜效率與滲透作用與OBM體系十分相似，可以滿足硬脆性微裂縫頁巖鉆井需求，但是文中沒有提及相關處理劑的摻加量，無法確定具體的體系組成。隨后Martino[38]采取一系列的壓力傳遞實驗、硬度測試、耐崩性測試、防泥包測試、不同鹽濃度下的回收率、毒性與滲透率恢復值，綜合比較確定了聚胺-鋁酸鹽仿油基鉆井液體系的經典配方，得出聚胺鹽合適加量為2%～4%，加量越高，對層間游離水的束縛作用越強；鋁酸鹽合適加量為1%～2%，加量越高生成的沉淀越多，井壁表面越致密，井壁穩定性越高。

1.4 天然材料提取物POBM

在開發一系列化學合成添加劑的同時，研究學者們也對天然提取物添加劑展開了研究，試圖尋求一種最低成本、最佳抑制性和潤滑性的POBM體系。到目前為止，已經有一系列提取物用于POBM鉆井液。

天然淀粉屬于葡萄糖聚合物，類似于MEG本身就可以形成半透膜，而鉀離子水化半徑極小容易嵌入黏土層?；阝涬x子鑲嵌機理與淀粉成膜機理的協同作用，長江大學的許明標團隊在酸性環境下利用引發劑催化水解淀粉，然后在其葡萄糖環上接枝共聚引入鉀離子，制備了FK-1抑制劑[39]。性能評價表明FK-1與水基鉆井液處理劑配伍性良好，配制的FK-1仿油基鉆井液120 ℃、16 h巖屑回收率高達92.4%，線性膨脹率僅為2.564 2%，潤滑系數為0.042 2。結合相關的流變失水性能表明，FK-1仿油基鉆井液抑制性遠優于聚胺鉆井液、合成基鉆井液、聚磺鉆井液，潤滑性能已經非常接近油基鉆井液。

Aghil等[40]介紹了一種采用指甲花提取物Lawsone(主要成分為5-羥基-1，4-萘醌、沒食子酸、葡萄糖和丹寧)配制的POBM，由于Lawsone中含有大量烯醇，烯醇中的羥基孤對電子與水分子中的氫相結合，在膨潤土表面生成氫鍵，抑制了水分子自由通過膨潤土表面，從而抑制膨潤土水化。動態線性膨脹實驗表明，82 ℃條件下浸泡72 h后，氯化鉀溶液中的膨潤土膨脹率約65%，Lawsone僅為58%。同時基于膨潤土抑制性實驗，Aghi還考察了不同濃度指甲花提取物對膨潤土溶液的表觀黏度、塑料黏度、屈服點和凝膠強度的影響，綜合分析發現低含量Lawsone具有一種反絮凝作用，即通過擴散膠體離子雙電層增加離子雙電層厚度，減少Lawsone鉆井液對膨潤土顆粒的捕集，宏觀上表現為降低鉆井液摩擦阻力，提升鉆井液的潤滑性。

Mehdi[41]考察了紅參根提取物Ginsenosides作為POBM添加劑的可行性，Ginsenosides是一種非離子型表面活性劑，外觀呈棕色粉末狀，可溶于酒精和水。主要提取自人參根莖，富含甾體皂苷或三萜皂苷，分子中富含親水性羥基和疏水性甲基。水潤濕角實驗表明，少量紅參根提取物鉆井液就可以使粘土表面潤濕反轉，并且這種潤濕反轉能夠長時間保持穩定，含量為0.01，0.02，0.03 g/mL的紅參根提取物鉆井液，能將頁巖滾動回收率分別提升至 81.8%，88.7%，93.55%。機理分析上認為Ginsenosides強抑制性主要來源于吸附機理，非離子表面活性劑與黏土顆粒相結合形成疏水殼，顯著降低黏土表面對水的吸附，另一部來源于Ginsenosides的親水性部分與硅氧烷表面的氧原子相結合形成穩定的氫鍵，兩者共同作用最終阻礙了水的吸附，從而提高了頁巖的穩定性。

目前天然材料添加劑提取工藝比較繁雜、制備成本高，大都僅限于實驗室室內研究，尚無大規模商業化應用，后續研究工作應主要聚焦于優化提取工藝、減少制備成本。但是天然提取物添加劑原材料來源廣、價格低廉、無毒環保，是一種理想的鉆井液添加劑，特別是經過提純后的添加劑，綜合性能甚至能夠趕超化學合成的添加劑，這些原生優勢促使其仍是一大研究熱門。

2 結論與展望

在石油與天然氣開采過程中，復雜井段面臨的主要挑戰是井壁穩定性，井壁穩定性又取決于井壁周圍地層和鉆井泥漿之間的物理和化學相互作用，因此選擇合適的處理劑和開發有效的鉆井液體系是鉆井成功的關鍵。另一方面，在日益嚴格的環保政策要求下，油基鉆井液必將被舍棄，但是技術革新需要一定的時間，在傳統油基鉆井液被舍棄、綠色環保鉆井液技術尚未成熟之前，POBM是一種優良的過渡產物，目前POBM以聚胺復合體系為主，天然提取物POBM為主要發展方向，在保障基本性能的條件下，探尋更加經濟、綠色的POBM鉆井液體系是科研工作者努力的方向。