聚醚多元醇钻井液应用

I摘要现代钻井技术对钻井液提出了更高更新的要求。作为钻井液重要组成部分的化学处理剂，其发展水平、研究深度和广度直接影响钻井液的工艺技术和使用效果，进一步影响现代钻井技术的发展水平。本文在了解和把握国内钻井液动态的基础上（特别是在大庆油田），重点对此钻井液处理剂进行了综合调研和评价，全面阐述了各种钻井液处理剂的种类，特点和作用机理。其中介绍了钻井液所用的各种无机处理剂、高聚物降滤失剂、稀释剂、增粘剂、抑制剂、絮凝剂、润滑剂、泡沫剂、消泡剂等处理剂同钻井液相互作用的胶化实质和作用原理（机理）及抗盐、抗钙（镁）、抗高温原理。关键词：钻井液；新型处理剂；作用机理II目录第1章绪论.......................................................1第2章国内钻井液动态................................................22.1钻井液概述...................................................22.2国内钻井液动态简介...........................................5第3章钻井液处理剂主要作用原理.....................................83.1水基钻井液性能与处理剂之间的关系.............................83.2抗高温处理剂作用机理.........................................83.3分散钻井液体系常用处理剂及其机理.............................9第4章国内近年来钻井液处理剂研究...................................114.1聚合物钻井液处理剂...................................................114.2抗高温处理剂.........................................................164.3新型聚醚多元醇处理剂................................................21参考文献............................................................301第1章绪论随着石油、天然气及地质勘探开发的飞速发展，现代钻井技术对钻井液提出了更高更新的要求[1]。对钻井液的要求主要有三个方面：一是优选、优配、简化钻井液体系，降低钻井液成本，防止钻井过程中各种复杂问题的发生，如井塌、卡钻、井喷、井漏等，尤其是保护井壁；二是随着人们对环保意识的提高，要求钻井液无毒、无污染，保护环境，可排放；三是保护油气层，提高油气井产量。作为钻井液重要组成部分的化学处理剂，其性能的优劣将直接影响钻井液的工艺技术和使用效果，而且，化学处理剂的发展水平、研究深度和广度还代表着钻井液的发展水平。因此，要完善、发展钻井液体系及其配套技术和弄清钻井液的工艺技术及使用效果，就必须积极研制和开发新型、高效、多功能的化学处理剂，并从基础理论上研究它同钻井液相互作用的胶化实质和作用原理（机理）。目前，我国（本文大部分涉及大庆油田）钻井液处理剂已发展到18类上千个品种。结合当前实际情况及各个领域所用的油田化学处理剂特点，在今后一段时期，我国钻井工程面临的形势是西部深井、超深井的钻探问题，东部老油田打加密井、多分枝井提高采收率、低渗透油气藏的开发及滩海地区钻大位移井，实现海油陆采。为适应上述钻井需要，应重点开发以下钻井用化学剂品种：在钻井液处理剂方面，应开发适用于深井、抗高温、抗盐、抗钙或镁的增粘剂，降滤失剂，降粘剂和流型改进剂；大位移井、多分枝井用润滑剂、井壁稳定剂、流型改进剂和低伤害处理剂；复杂易坍塌地层泥页岩稳定剂，堵漏剂；低渗透地层钻井用保护油气层的各种处理剂，特别是两性离子合成聚合物处理剂；对环境友好、低成本的天然材料改性产品。在油井水泥外加剂方面，应开发耐高温的缓凝剂，以聚合物材料为基础，研究与其他外加剂配伍性好、不发生过度缓凝和起泡的抗高温分散剂，成本低廉的木质素改性产品，水泥浆游离水控制剂，以及固体悬浮剂，降滤失剂和防气窜剂等。2第2章国内外钻井液动态2.1钻井液概述2.1.1钻井液的类型随着钻井液工艺技术的不断发展，钻井液的种类越来越多[2]。我国认可的钻井液类型是：1.分散钻井液分散钻井液是指用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂配制而成的水基钻井液。它是一类使用历史较长、配制方法较简单且配制成本较底的常用钻井液。2.钙处理钻井液钙处理钻井液的组成特点是体系中同时含有一定浓度（质量浓度）的Ca2+和分散剂。Ca2+通过与水化作用很强的钠膨润土发生离子交换，使一部分钠膨润土转变为钙膨润土，从而减弱水化的程度。分散剂的作用是防止Ca2+引起体系中的粘土颗粒絮凝过度，使其保持在适度絮凝的状态，以保证钻井液具有良好、稳定的性能。3.盐水钻井液盐水钻井液是用盐水配制而成的。在含盐量从1%直至饱和之前的整个范围内都属于此种类型。盐水钻井液也是一类对粘土水化有教强抑制作用的钻井液。4.饱和盐水钻井液是指钻井液中NaCl含量达到饱和时的盐水钻井液体系。它可以用饱和盐水配成，也可先配成钻井液在加盐至饱和。饱和盐水钻井液主要用于钻其它水基钻井液难以对付的大段岩盐层和复杂的盐膏层，也可作为完井液和修井液使用。5.聚合物钻井液聚合物钻井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液。由于这些聚合物的存在，体系所包含的各种固相颗粒可保持在较粗的颗粒范围内，与此同时所钻出的岩屑也因及时受到包被保护而不易分散成微细颗粒。6.钾基聚合物钻井液钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。在钻遇泥页岩地层时，使用它可以取得比较理想的防塌效果。7.油基钻井液3以油（通常使用柴油或矿物油）作为连续相的钻井液称为油基钻井液。目前含水在5%以下的普通油基钻井液很少使用，而主要使用油水比在（50～80）：（50～20）范围内的油包水乳化钻井液。8.合成基钻井液合成基钻井液是以合成有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。由于使用了无毒并且能够生物降解的非水容性有机物取代了油基钻井液中通常使用的柴油，因此这类钻井液既保持了油基钻井液的各种优良特性，同时又能大大减轻钻井液排房时对环境造成的不良影响，尤其实用于海上钻井。9.气体型钻井流体气体型流体主要用于钻低压油气层、易漏地层以及某些稠油油层。其特点是密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复杂情况的发生。10.保护油气层的钻井液这是指在储层中钻近时使用的一类钻井液。当一口井钻达目的层时，所设计的钻井液不仅应能满足钻井工程和地质的要求，而且还应满足保护油气层的需要。比如，钻井液的密度和流变参数应调整至合理范围，滤失量要尽可能低，所选用的钻井液处理剂应与油气层相配伍，以及选用适合的斩堵剂等。2.1.2钻井液技术的发展阶段在打井的最初阶段，钻井是用清水作为洗井液的[3]。实践证明，这种最原始的泥浆确有携带岩屑，净化井底和平衡地层压力等作用，但也存在着滤失量高，性能不稳定和易一起井塌卡钻等问题。后来，人们发现使用人工预先配制的泥浆比使用清水具有更好的功能，此时钻井液才逐渐成为了一项工艺技术。总的来看，水基钻井液主要经历从分散钻井液到抑制性钻井液（包括处理钻井液和盐水钻井液等），然后到不分散聚合物钻井液的发展阶段。分散钻井液主要用于浅井阶段。它存在着不能有效控制地层造浆，抗温和抗污染能力差以及不能有效防塌等缺点。为了克服这些缺点，自20世纪60年代起，广泛应用了钙处理钻井液和盐水钻井液，后来又将具有以上特点的钻井液发展成为抑制性钻井液。但这类钻井液不能有效的控制钻井液中固相含量，不能很好的解决大段泥页岩层的井壁稳定问题。4随后，随着井深的逐渐增加，更多的钻遇高温高压及各种复杂地层，钻井工艺技术有可更快的发展。其中一个突出表现是钻井液类型不断增多，特别是不分散低固相聚合物钻井液的出现，使高压喷射钻井等新工艺得以实现，是钻井液技术发展过程中取得的重要突破。聚合物钻井液也是发展最为迅速的一类水基钻井液。最初是将有机高分子化合物聚丙烯酰胺和它的部分水解产物引入钻井液中，用它们作为化学絮凝剂，使钻屑和造浆率差的黏土不分散，以利于在地面将其清除。后来，用于钻井液的高分子聚合物的种类越来越多，其中包括阳离子聚合物钻井液体系在国外也有了较快的发展。实践证明，聚合物钻井液在提高机械钻速，稳定井壁，携带岩屑和保护油气层等方面均有明显好于其他类型的水基钻井液。油基钻井液是另一大类钻井液体系。由于其配置成本比水基钻井液高得多，一般只用于高温深井、海洋钻井、以及钻大段泥页岩地层、大段岩膏层和各种易塌、易卡复杂地层。最早在国外20世纪20年代就用原油作为洗井介质，但其流变性和滤失量均不易控制。到了50年代，发展形成了以柴油为连续介质的油基钻井液。为了克服油基钻井液钻速较低的缺点，在70年代又发展了低胶质油包水乳化钻井液。80年代以来，为了增强环境保护，特别是为了钻屑排放对海洋生态环境的影响，又大力发展了以矿物油为作为连续相的低毒油包水乳化钻井液。气体型钻井液是第三大类钻井流体体系。它包括空气或天然气，雾，泡沫和充气钻井流体。这类流体主要应用于钻低压易漏地层，强水敏性地层和严重缺水地区。从20世纪30年代起，气体型钻井流体就开始应用于石油钻井中。由于受到诸多限制，应用并不十分广泛。但近年来，随着欠平衡钻井技术和保护油气层技术的发展，气体型钻井流体，特别是泡沫和充气钻井流体的研究和应用受到了广泛的重视。如果可以排成一个时间表，国外钻井液技术的发展经历了以下几个阶段[4]：（1）1914-1916年，清水作为旋转钻井的洗井介质，即开始使用“泥浆”。（2）20世纪20～30年代，分散水型水基钻井液为主要类型的阶段。（3）70年代以后，以聚合物不分散钻井液为主要类型的阶段。此外，在这一阶段，油基钻井液体系也有了进一步的发展。在抗高温深井钻井液方面，研制出以resinex为代表的抗高温降滤失剂，使深井钻井液技术取得了很大发展。（4）90年代以来，随着阳离子聚合物钻井液的广泛应用，以及其它各种钻井液的出现，钻井液技术进入了一个更新的发展阶段。52.2国内钻井液动态简介2.2.1国内新开发的几种钻井液体系1.可逆的逆乳化钻井液(1)可逆的逆乳化钻井液这种新型逆乳化钻井液，利用一种酸碱化学转化剂，能够很容易且可逆地从油包水乳状液转化为正常的水包油乳状液或者返回到原来的油包水乳状液[5]。在可逆的逆乳化钻井液中，油为连续相而水相(盐水)则在该连续相中被乳化。在逆乳状液阶段，钻屑、地层、钻柱是油润湿的。在水包油阶段，水是连续相，油乳化在水中，岩屑、地层及钻柱是水润湿的。乳状液的这种可逆性由一种化学转化剂控制，因而对于钻井、完井、油井生产的每一个不同阶段，可以优化乳状液相和润湿性。在油包水乳化钻井液中，油为连续相，盐水(25%CaCl2)为分散相。在可逆的逆乳化泥浆中，任意数量的油脂和合成流体都可用作可逆的逆乳化泥浆的连续相。该体系所使用的固体和盐水悬浮在油相中，因此，可使页岩地层和钻屑保持它们的完整性，井身保持稳定。这种可逆的逆乳化钻井液像常规油基泥浆一样，能钻出规则的井眼，保持钻屑的完整性，而在后续的作业中，又能够转化成水包油乳状液用于完井和洗井。在完井操作中，留在井筒里的剩余泥浆能很容易地转换成水连续相，使泥饼易清除，水泥胶结质量好，并且能防止很多地层损害而造成减产。(2)可逆的乳化剂用在这种可逆的逆乳状液中的乳化剂的化学性质和功能对于这种钻井液的性质起着重要的作用。用在这种可逆体系中的表面性剂在碱(石灰)存在下，形成非常稳定的逆乳状液。以非质子形式存在的该表面活性剂，是非离子型的，