中国天然材料改性钻井液处理剂现状与开发方向

天然材料来源丰富、价廉、绿色,在钻井液处理剂中占居重要地位,为总结应用经验,启迪开发思路,从淀粉改性处理剂、纤维素改性处理剂、木质素改性处理剂、腐殖酸改性处理剂、栲胶改性处理剂、植物胶改性处理剂和油脂改性处理剂等方面,对天然材料改性处理剂研究与应用情况进行了综述。分析认为,天然材料改性处理剂在研究、生产和应用方面缺乏延续性,改性方面缺乏新手段和新思路,不重视产品转化和推广应用,且重复现象严重,更多研究以发表文章为目标,没有重视天然改性处理剂所组成钻井液体系的环保性能研究。围绕提高天然材料改性处理剂的产品质量、扩大应用面,今后应重点从改变结构和基团性质,增加基团数量,寻找新的改性方法出发,研制热稳定和剪切稳定性强、易生物降解的绿色处理剂,制备用于处理剂合成的原料等,实现处理剂绿色发展目标。     

2011～2012年国内钻井液处理剂进展评述

2011～2012年度,国内在钻井液处理剂方面又取得了一些新进展,特别是胺基聚醚抑制剂的成功应用,在一定程度上推动了水基钻井液技术的进步.从天然材料改性、合成材料及其他材料方面,就2011～2012年度国内钻井液处理剂研制及应用情况进行介绍,指出钻井液处理剂存在的问题及下步发展方向.从近期的研究看,尽管在天然材料改性处理剂方面开展了不少工作,但仍然以合成材料类处理剂为主,在合成材料方面则以烯类单体聚合物处理剂研究最多,但却缺乏创新性.针对存在的问题,今后在处理剂研究上,要强化基础研究和新原料的开发,在烯类单体聚合物方面,突破传统处理剂结构,设计超支化的树枝状或树形结构的处理剂,在天然材料利用方面,进一步加强淀粉、褐煤、栲胶、木质素等天然材料深度改性,研制绿色、价廉的钻井液处理剂,并重视工业废料和农副产品的利用.     

2009～2010年国内钻井液处理剂研究与应用进展

随着石油勘探开发向深部和海上发展,深井、超深井以及特殊工艺井钻探越来越多,特别是超高温、超高压地层的钻探,对钻井液提出了更高要求。针对钻井液技术发展的需要,促使油田化学工作者不断开发新型钻井液处理剂。近两年,国内在钻井液处理剂方面开展了一系列卓有成效的研究工作,其中一些研究已在现场应用中见到效果,部分产品已达到或超过世界先进水平,从而为钻井液技术的进步奠定了基础。从天然材料改性、合成材料、工业废料或副产物利用,以及不同材料复合或反应产物等方面,就2009～2010年国内钻井液处理剂研制及应用情况进行介绍,并指出处理剂的发展方向。从近期的研究看,仍然以合成聚合物为主,多围绕提高产品的抗温抗盐这一方向,并逐步向超高温发展,且研究最多的是钻井液降滤失剂,其次是降黏剂、堵漏剂和润滑剂等。而在钻井液降滤失剂、降黏剂中,又以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸等含磺酸基单体与其他单体的共聚物更受重视,而润滑剂、堵漏剂等则多以多种材料复配为主。今后,在处理剂研究上,要强化基础研究和新原料的开发,发展低相对分子质量的聚合物处理剂,进一步加强淀粉、褐煤、栲胶、木质素等天然材料的深度改性,研制绿色、价廉的钻井液处理剂。     

国内工业废料及农林副产品改性钻井液处理剂回顾与展望

来源丰富、价格低廉的工业废料及农林加工副产品是钻井液处理剂制备的重要原料,为总结处理剂开发与应用,充分利用工业废料及农林加工副产品,从沥青类处理剂、造纸工业废料改性处理剂、合成纤维、橡胶和塑料等废料改性处理剂、油脂工业下脚料改性处理剂、农林加工副产品改性处理剂等方面,对不同类型和用途的工业废料及农林加工副产品改性处理剂的开发及应用现状进行了综述,分析了该类处理剂研发、生成和应用中存在的问题,指出今后需在已有产品的基础上,以发展绿色产品为目标,借鉴国外成功经验,结合国内实际,探索工业废料及农林加工副产品利用途径,研究油脂工业下脚料经分离、纯化工艺及化学改性方法,以制备水基钻井液润滑剂、乳化剂、防卡剂、抑制剂和油基钻井液乳化剂等,从而促进低成本、绿色钻井液处理剂的发展。     

关于规范钻井液处理剂及钻井液体系的认识

自上世纪70年代以来,我国钻井液技术逐步趋于成熟,与国外的差距日渐缩小。特别是近年来,围绕高温、高压地层以及强水敏地层、页岩气水平井的需要,在超高温钻井液、超高密度钻井液、页岩气水平井钻井液、油基钻井液等方面又有了新进展。但在钻井液处理剂和钻井液体系规范方面还存在问题,如在命名方面,钻井液处理剂任意编代号,随便起名字,钻井液体系缺乏主题和依据,有时仅仅加入了很小量的某种处理剂,就称"某钻井液体系";标准方面,因制定中缺乏实验和应用依据,多数行业标准系由企业标准转化而来,标准中缺少表征产品本质特征的项目及指标,通用性不强;加之高纯度、高质量产品推广受到价格限制,不同程度上制约了钻井液技术的发展。从钻井液处理剂和钻井液两方面提出规范思路。基于实验和分析认为,处理剂规范应从分类、命名、指标设置和实验方法等方面出发,以保证命名的科学性和标准的准确性与适用性。在钻井液体系方面,基于处理剂、标准、质量控制和钻井液性能间的关系,提出钻井液体系的命名原则,明确了钻井液技术规范、钻井液体系或工艺规范应包括的内容。     

抗高温抗钙水溶性聚合物降滤失剂研究进展

发展高温抗钙钻井液技术的关键在于研制抗高温抗钙处理剂,尤其是高温高钙条件下性能稳定的降滤失剂。对国内外30多年来抗高温抗钙水溶性聚合物钻井液降滤失剂产品研发及机理研究进行了综述,指出分子结构设计是制备高性能钻井液降滤失剂的关键,钻井液中聚合物分子链上的水化基团对钙离子的敏感性以及聚合物分子与黏土颗粒的相互作用是高温条件下钙离子对聚合物降滤失剂性能的影响因素。今后要进一步明确开发目的,加强高温高钙条件下基础理论研究,重视新单体的设计开发和工业化生产,进行聚合物分子多层多级结构设计,研发超支化分子结构或树枝状结构的聚合物,重视天然材料的利用,通过高分子化学反应,如接枝共聚等方法,将天然材料转化为价廉的高性能绿色处理剂,研发兼顾护胶、封堵、改善流型、降滤失等能力的水溶性聚合物,以推动钻井液技术进步。     

国内水基钻井液降滤失剂研究现状

降滤失剂是保证钻井液性能稳定的重要处理剂,主要分为天然/天然改性高分子化合物、合成类聚合物两大类.分别对腐殖酸、纤维素、木质素、淀粉类、酚醛树脂类和乙烯基类合成聚合物降滤失剂的成分、使用条件和改性处理进行介绍,重点对含2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的合成聚合物降滤失剂研究现状进行分析.为提高天然改性产品的使用性能,常用磺化或者通过与其他单体进行接枝共聚的方法进行改性,但这些研究仍不能满足复杂条件下钻井液性能维护处理的需要.由于AMPS单体可以方便地向体系内引入强水化基团磺酸基,因此合成类降滤失剂常采用AMPS与其他一种或者几种单体共聚来制备.但受单体种类多、聚合物结构复杂、相对分子质量多变等条件的限制,聚合物的结构与性能的对应关系研究较少,加之聚合物单体价格较贵、合成条件要求复杂,AMPS类合成聚合物多局限于室内实验,现场应用的产品较少.降滤失剂的开发重点应放在研究聚合物结构和降滤失性能的对应关系、开发新型单体、提高聚合物的耐温抗盐能力、兼顾环境友好和形成工业化生产能力等方面,并注意助剂之间的复配使用,进一步提高性价比.     

2013~2014年国内钻井液处理剂研究进展

从天然材料改性产物、合成材料两方面,就2013~2014年度国内钻井液处理剂研制及应用情况进行了介绍,指出了钻井液处理剂存在的问题及下步发展方向。从近期的研究看,在天然材料改性处理剂方面主要为淀粉、木质素和腐殖酸改性产物,在合成材料方面则以烯类单体聚合物处理剂研究最多,且反相乳液聚合逐步受到重视。与以前不同的是,油基钻井液处理剂研究大幅度增加。但从整体情况看,研究的深度和覆盖面还不够,创新性不足,投入现场的少,缺乏经济性和可行性研究。针对存在的问题,今后在处理剂研究上,要围绕绿色环保、抗温抗盐的目标,重视生物质资源的利用,针对提高处理剂抗高价离子的需要,开发含膦基的阴离子单体及高温下水解稳定性好的非离子单体,以及支化或星形结构的聚醚和聚醚胺等化合物;探索超支化的树枝状或树形结构的处理剂合成;加大反相乳液聚合物钻井液处理剂的推广;在油基钻井液处理剂方面,重点围绕油基钻井液体系完善配套的需要,同时研制适用于油基钻井液的防漏、堵漏材料,并在室内研究的基础上,重视处理剂生产工艺及经济性研究,加快成果转化。     

生物质改性钻井液处理剂研究进展

介绍了淀粉、纤维素、木质素、栲胶和植物胶等生物质改性钻井液处理剂的改性方法,对国内生物质改性钻井液处理剂研究与应用情况进行了概述,生物质改性产物因来原料源丰富、价格低廉、绿色环保等,成为重要的钻井液处理剂．随着研究的不断深入,其用量将越来越大。但从周内研究进展来看,其研究深度和广度还不够,部分研究成果尚未实现工业化,生物质改性钻井液处理剂在石油勘探开发中的潜力尚待挖掘。     

2017～2021年国内钻井液处理剂研究进展

从天然材料改性产物、合成材料和混合或复配物方面,就2017～2021年度国内钻井液处理剂研制及应用情况进行了介绍,分析了各种类型处理剂的研究情况及存在的问题,指出了下步发展方向。从整体情况看,在天然材料改性处理剂方面主要为淀粉改性,纤维素、木质素和腐殖酸等改性产物较少;在合成材料方面则以烯类单体聚合物处理剂研究最多,合成树脂类较少;与以前相比,油基钻井液处理剂方面的研究逐步增加;混合或复配处理剂较多。存在的问题主要体现在研究的创新性、深度和覆盖面还不够,多局限在室内评价,同时相似或重复性工作多,与现场实际结合不密切,真正能够于现场或有发展前景的处理剂相对较少。针对当前实际,今后应从解决现场问题出发,围绕抗高温、抗高价离子和绿色环保的目标,重视天然资源的利用,加大超支化的树枝状或树形结构等新型处理剂合成及处理剂的推广应用;重点围绕钻井液体系完善配套的需要,研制适用于高温情况钻井液性能控制的抗高温处理剂。     

国内钻井液及处理剂发展评述

国内开展钻井液研究与应用经历了起步、发展、完善和提高四个阶段。正是由于处理剂的发展,钻井液技术有了长足进步,钻井液由分散到不分散,到低固相、低或/和无黏土相钻井液发展过程中不断完善配套。不分散低固相聚合物钻井液、"三磺"钻井液、饱和盐水钻井液、聚磺钻井液、聚磺钾盐钻井液、两性离子聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液、正电胶钻井液、硅酸盐钻井液、氯化钙钻井液、有机盐钻井液、甲基葡萄糖苷钻井液、聚合醇钻井液、胺基抑制钻井液、超高温钻井液、超高密度钻井液等一系列钻井液体系,解决了不同时期、不同阶段、不同地区和不同复杂地质条件下的安全快速钻井难题。围绕井壁稳定、防漏堵漏机理和方法的研究成果的应用,有效减少了井下复杂的发生,保证了钻井质量。今后需要针对复杂地质条件下深井、超深井、大位移井钻井,以及页岩气水平井钻井的需要,从抗温、井壁稳定、润滑、防卡等方面,研究关键处理剂,实现处理剂系列化;减少关键处理剂在生产、流通及其他环节的浪费,提高产品质量;减少钻井液处理剂品种;在保证钻井液性能满足需要的前提下,尽可能降低钻井液处理剂用量;科学的选择和使用钻井液,重视油基钻井液的应用及技术水平的提高;并围绕绿色环保、抗高温抗盐的目标,开发高性能钻井液处理剂,建立钻井液及其处理剂的毒性检测评价手段,促进钻井液技术进步。     

高性能钻井液处理剂设计思路

高性能钻井液处理剂的设计包括分子设计和合成设计.在分子设计中,核心是结构和基团设计,结合复杂条件下钻井液对处理剂分子的热稳定性和剪切稳定性,以及抑制性、流变性和滤失量等方面的要求,提出超支化的树枝状和树形结构模型.为保证处理剂的综合性能,在基团设计中提出主导基团、选择基团、非主导基团和次生基团的概念.合成设计中:在自由基聚合方面,可以传统原料为基础合成高性能处理剂,采用多功能性及高温下稳定性好的单体合成高性能处理剂,用强螯合作用的单体作为共聚单体,提高处理剂的抗高价离子污染能力,设计树枝状和树形结构的单体或中间产物,实现高性能处理剂的最佳目标;缩合聚合方面,利用苯酚、对胺基苯酚等,通过不同的扩链反应,制备带有不同基团支链结构的可缩聚单元或产物,将得到的树枝状结构的产物与苯酚、甲醛和亚硫酸钠等进一步缩合聚合、磺化反应,得到超支化的改性磺化酚醛树脂;在天然材料及有机合成方面,可以木质素、栲胶等分子结构单元中的酚羟基与环氧乙烷或环氧丙烷反应,得到聚氧乙(丙)烯化支链的产物,并进一步扩链得到超支化结构的产物,以腐殖酸结构单元上的羧基与乙二胺的反应为基础,合成具有超支化结构的产物,以提高天然材料的抗温抗盐性能,以及通过不同的化学反应,合成具有不同结构的低相对分子质量的降黏剂和抑制剂等.     

钻井液用两性离子P(AM-AMPS-DAC)共聚物反相乳液的制备与性能评价

作为钻井液处理剂,反相乳液聚合物与粉状聚合物相比,能够减少聚合物在烘干、粉碎过程中由于降解、交联等反应造成的不利影响,产品可以直接加入钻井液并快速分散,在达到同样效果的前提下,可减少用量,降低钻井液处理费用,且更容易实现绿色环保生产。以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为原料,采用氧化还原引发剂体系,通过反相乳液聚合,制备了两性离子P(AM-AMPS-DAC)反相乳液聚合物。研究了复合乳化剂的HLB、乳化剂用量、引发剂用量、油水体积比、AMPS和DAC用量对共聚物的水溶液表观黏度及所处理钻井液的流变性和滤失量的影响,测定了聚合物的红外光谱和TG曲线。结果表明,当油水体积比为1.0,单体质量分数为30%,复合乳化剂质量分数为5%~6%,复合乳化剂HLB值为7.1,引发剂用量为0.2%,n(AM)∶n(AMPS)∶n(DAC)=0.59∶0.35∶0.06时,能够制得热稳定性好的反相乳液聚合物,且在淡水、盐水、饱和盐水和复合盐水基浆中具有较好的增黏、降滤失能力,抗温、抗盐能力强,同时具有较强的润滑和防塌能力。     

关于加快发展我国油基钻井液体系的几点看法

油基钻井液具有抗高温、抗盐钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度小等优点.国外早在20世纪60年代,就十分重视油基钻井液技术的开发与应用,现已广泛作为钻深井、超深井、海上钻井、大斜度定向井、水平井和水敏性复杂地层及储层保护的重要手段.国外油基钻井液体系及配套技术比较成熟,国内在油基钻井液方面尽管开展了一些工作,但应用较少,还没有形成体系.目前,国内非常规油气资源的开发已经启动,对油基钻井液有了迫切需求.我国应在油基钻井液应用方面尽快行动起来,在借鉴国外经验和国内初步实践的基础上,首先开展油基钻井液的应用,在应用中积累经验、完善体系,并通过油基钻井液处理剂(降滤失剂、提黏切剂、封堵剂及润湿剂)的研制,逐渐形成具有国内特点,能够满足现场需要的油基钻井液体系,以及钻井液回收处理循环再利用的配套设备与方法.同时,开展油基钻井液高温下流变性、稳定性研究,以形成系统的流变性控制方法,为油基钻井液体系的应用提供理论支撑,促进国内页岩气等非常规油气资源的开发.     

Effects of Polymers and CMC Concentration on Rheological and Fluid Loss Parameters of Water-Based Drilling Fluids

Abstract

Fluid loss during drilling operations has a very significant effect on both reservoir formation damage and monetary terms. There are many additives to control this unwanted phenomenon. Nevertheless, most of these substances are artificial chemicals. Thus, they are not only expensive, but also hazardous to the environment. In this article, a more natural method was applied to overcome the higher filtration problems by employing carboxyl methyl cellulose (CMC) and polymers (XT), DSHV, and MAC PR. Drilling fluids were prepared due to American Petroleum Institute (API) standards. The fluid weights were adjusted as 9 ppg. API filtration tests were applied to fluid samples including the chemicals. Tests were also conducted with non-treated bentonites + barite fluids without chemicals for comparative purposes. All of the rheological parameters including plastic and apparent viscosity and yield points were determined. Comparative graphs of shear stress vs. shear rates were plotted. The optimum CMC and polymer amounts were selected by graphical analysis of the results of rheological tests made by using shear meter and filtration tests. An optimization of the fluid loss control due to addition of the chemicals was made. The behavior of water-based fluids with CMC and polymers was examined. The accurate and sensitive industrial application of this study would reduce drilling fluid loss expenditures effectively.     

页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则

我国页岩气资源勘探开发已全面铺开。针对页岩气的成藏特征,页岩气开发以浅层大位移井、丛式水平井布井为主。由于页岩地层裂缝发育、水敏性强,长水平段钻井中不仅易发生井漏、垮塌、缩径等问题,且由于水平段较长,还会带来摩阻、携岩及地层污染问题,从而增大了产生井下复杂情况的几率。解决井壁稳定、降阻减摩和岩屑床清除等问题是目前页岩气水平井钻井液选择和设计的关键。选择页岩气水平井钻井液的原则是确保井壁稳定、润滑、防卡和井眼清洗。油基钻井液可提高水润湿性页岩的毛细管压力,防止钻井液对页岩的侵入,从而有效保持井壁稳定,同时还具有良好的润滑、防卡和降阻作用,是国内外目前采用最多的钻井液体系。当采用水基钻井液的时,利用低活性高矿化度聚合物钻井液或CaCl2钻井液以降低页岩和钻井液相互作用的总压力;采用浓甲酸钾、Al3+盐,可以通过脱水、孔隙压力降低和影响近井壁区域化学变化的协同作用产生良好的井眼稳定作用;对于有裂隙、裂缝或层理发育的高渗透性页岩应使用有效的封堵剂进行封堵;但对于强水敏性页岩地层,水基钻井液在抑制性方面仍然存在局限性。从环境保护的角度出发,甲基葡糖苷钻井液在井壁稳定机理方面与油基钻井液相似,未来可望作为有效的钻井液体系之一。随着以页岩气为代表的非常规油气资源的不断开发,为了满足安全钻井和环境保护的需要,未来页岩气水平井钻井液技术的研究应围绕高效、低成本水基钻井液和低毒油基钻井液来展开。     

国内泡沫钻井流体应用与研究进展

综述泡沫钻井流体在国内的现场应用及室内研究,总结泡沫钻井流体的优点和不足.泡沫钻井流体具有密度低、滤失量小、携岩能力强和机械钻速高等特点,对于衰竭、水敏性地层有着广泛的应用前景,已成为油气田开发过程中钻井流体的一个重要发展方向.指出泡沫钻井流体在井壁稳定方面具有独特优势,为稳定井壁提供了新的技术手段；同时,也存在泡沫体系稳定性差、现场消泡困难以及井壁稳定评价方法欠缺等问题.以工程应用和室内研究为两条主线,介绍泡沫钻井流体在我国的应用进程和研究进展.最后指出,加强对泡沫钻井流体的认知和研究,进一步开发和优选发泡剂、稳泡剂,提高体系稳定性；增加消泡技术研究,促进泡沫钻井流体的可循环利用；研究抑制剂、井壁稳定剂,建立专用的室内井壁稳定评价方法和统一的标准,促进泡沫钻井流体在国内的进一步推广应用.     

单环羧酸盐聚合物成核剂研究及应用进展

单环羧酸盐属于分散型聚合物成核剂。介绍了以苯甲酸钠、苯甲酸铝和六氢化邻苯二甲酸盐为代表的单环羧酸盐成核剂的合成方法、主要物性及其在聚合物中的应用。苯甲酸钠是最早使用的成核剂之一,具有制备工艺简单、价格便宜、应用广泛的优点;苯甲酸铝是目前仍在使用的增刚成核剂,具有制备工艺较为简单、价格适中的优点;而六氢化邻苯二甲酸盐是目前为止应用性能最好的单环羧酸盐成核剂,具有聚合物结晶温度高、结晶时间短和吸水性差等优点,其不足之处在于合成工艺较为复杂,且价格昂贵。欲提高单环羧酸盐成核剂的使用性能并降低价格,一是要降低HHPA盐的粒度,提高其在聚合物中的分散度和成核效果;二是与同类型的成核剂进行复配;三是与其他类型的成核剂或助剂如抗氧剂复合使用,发挥不同助剂之间的协同效应。