环保型水基钻井液在胜利油田的研究与应用

废弃钻井液一直是钻井工程的主要污染物之一,而研发环保型水基钻井液体系,从源头上控制废弃钻井液环境污染,已成为现阶段实现“绿色钻井、清洁生产”的重要途径。针对胜利油田环保型水基钻井液技术需求,自主研发了基于改性淀粉的抗高温环保降滤失剂HBFR,其在淡水、盐水中均具有良好的降滤失性能,抗温达150℃,形成了环保型水基钻井液系列配套处理剂,构建了综合性能良好的抗高温（150℃）环保型水基钻井液体系（SLHB）。评价结果表明,SLHB体系具有良好的流变、滤失、抑制页岩水化及抗污染性能,高温高压滤失量为10.2 mL,EC₅₀值大于1×105 mg/L,BOD₅/COD_Cr为16.2%,可达到国家污水排放二级标准。SLHB已在胜利油田现场应用10余口井,较好地满足了胜利油田环保钻井液技术需求。      

基于改性植物多酚的高温高密度环保型水基钻井液

为提高环保型水基钻井液的耐温性能和密度上限,通过对天然多酚类植物提取物进行接枝改性,分别研制了降滤失剂EHT-FL和分散剂EHT-TH,并利用红外光谱对2种合成产物进行了表征。室内性能评价结果表明,降滤失剂EHT-FL和分散剂EHT-TH均具有良好的抗高温性能,且EC₅₀分别达2.38×105 mg/L和4.49×105 mg/L,无生物毒性;EHT-FL加量为2.0%时,淡水基浆在200℃老化后的中压滤失量和高温高压滤失量分别为7.2 mL和23.6 mL;EHT-TH加量为1.0%时,高密度水基钻井液（ρ=2.0 g/cm3）在200℃老化后的表观黏度由106.5 mPa·s降低至66.5 mPa·s,高温增稠现象消失。在降滤失剂EHT-FL和分散剂EHT-TH的基础上,配伍其他环境友好型处理剂,研制出一套抗高温高密度（ρ=2.0 g/cm3）环保型水基钻井液体系。该体系具有合理的流变与滤失性能,抗温达210℃,抗盐侵25%,抗钙侵1%,抗劣质土侵10%,EC₅₀为4.19×104 mg/L,BOD₅/COD_Cr为29.23,重金属含量低于标准值,对环境友好,能满足深井复杂地层钻井的需求。      

一种新型抗高温降滤失剂的研究和应用

通过将4-乙烯基吡啶（VP）、N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、N-乙烯基己内酰胺（NVCL）以过硫酸铵和亚硫酸氢钠作为氧化还原体系进行自由基共聚反应,合成了抗温达260℃的一种新型降滤失剂（PDANV）。通过设计正交实验确定了最优合成条件为:n_DMAA:n_AMPS:n_NVCL:n_VP=6:2:1:1,反应温度为60℃,反应时间为2 h,引发剂质量分数为单体总质量（20%）的0.5%,并利用傅里叶红外光谱（FT-IR）和核磁共振光谱（1H NMR）进一步确定了产物的分子结构。热重分析（TGA）显示PDANV热分解温度在301℃以后,表明其具有良好的热稳定性。同时,将PDANV应用于水基钻井液中,进一步评价其对水基钻井液流变和滤失性能的影响。结果显示,当PDANV加量为2.0%时,水基钻井液的滤失量仅为4.4 mL,260℃老化后滤失量为6.0 mL,高温高压滤失量为24 mL（150℃）,同时抗盐至饱和,抗钙20000 mg/L。此外,通过对黏土的粒径分析、SEM分析和Zeta电位分析以及不同浓度的PDANV对黏土颗粒的吸附量的测量,进一步揭示了PDANV在水基钻井液中的降滤失机理。      

高性能环保水基钻井液的研究与应用

针对高性能水基钻井液体系配方复杂、性能调控难度大、生物毒性与重金属超标等技术难题,采用疏水缔合与接枝复合改性方法,设计、研发了一种基于天然高分子/无机纳米复合材料的环保降滤失剂EFR-1,并对其性能进行评价。结果表明,EFR-1的抗温可达170 ℃,在饱和盐水中API滤失量仅为14.8 mL,生物毒性EC₅₀值为96 500 mg/L,生物降解性BOD₅/COD_Cr为18.56%,较好地解决了降滤失剂抗温、耐盐与环境友好性能相互制约的问题。构建了抗高温为170 ℃的高性能环保水基钻井液体系HPHB,该钻井液的流变、滤失性能稳定,配方组成简单,高温高压滤失量仅为7.8 mL,生物毒性EC₅₀值为56 800 mg/L。目前高性能环保水基钻井液体系HPHB已在胜利油田、新疆准中区块等现场应用20余口井,施工顺利,实验井段的井径扩大率≤5%。在显著提升钻井液工程性能的基础上,实现了绿色无毒,为深层超深层、海洋深水、非常规等复杂油气藏的绿色开发提供了技术支撑。      

碳纳米管封堵剂在水基钻井液中的作用机理

针对微米级封堵材料无法对纳米孔缝进行有效封堵的问题，以微米级超细CaCO₃作为对比，研究了氨基化多壁碳纳米管作为纳米封堵材料对钻井液流变参数的影响，通过人造泥饼滤失实验和人造岩心渗透实验研究了其封堵机理。研究结果表明，超细CaCO₃使得钻井液的流变性能变差，而氨基化多壁碳纳米管对钻井液流变性能几乎没有影响；氨基化多壁碳纳米管对人造泥饼或人造岩心的封堵率随着其加量的增加而升高，当其加量为3%时封堵率可达77.70%和79.41%，而相同加量的超细CaCO₃对人造泥饼的封堵率仅为45.28%和为61.76%。这充分说明纳米尺寸的封堵剂对纳米孔缝的封堵效果远优于微米封堵材料，碳酸钙只能在孔缝端面进行堆积，而氨基化多壁碳纳米管能够进入纳米孔缝形成架桥封堵，表面的氨基紧紧地吸附于孔缝的壁面上，阻止滤液的渗入。      

莺琼盆地抗高温高密度水基钻井液

莺琼盆地地温梯度高,压力系数大,安全密度窗口窄,抗高温高密度钻井液技术是其高温高压地层钻井面临的主要技术难题之一。对该区块现用水基钻井液进行性能分析,通过对钻井液性能进行优化,构建了莺琼盆地高温高压段水基钻井液。该钻井液体系在200℃热滚16 h后的黏度为39 mPa·s,动切力为7 Pa,高温高压（200℃、3 MPa）沉降因子为0.512,高温高压滤失量为8.6 mL,高温高压砂床滤失量为14.4 mL,在4 MPa被CO₂污染后黏度为43 mPa·s,动切力为9 Pa,API滤失量为4.5 mL,高温高压滤失量为13.6 mL。研究结果表明,该体系的流变性、沉降稳定性、高温高压滤失性、封堵性及抗酸性气体CO₂污染性能均优于莺琼盆地现有高温高压段水基钻井液体系。      

纳米二氧化硅对盐水钻井液性能的影响

在油气井钻进过程中,井壁发生缩径和掉块往往是由于泥页岩吸水膨胀导致的。针对这种情况,提出使用纳米二氧化硅封堵泥页岩的纳米级孔喉,从而降低其渗透率、减缓水分侵入的思路。通过测试钻井液的黏度、滤失量和膨胀量,评价了纳米二氧化硅对盐水钻井液性能的影响。室内实验结果表明,纳米二氧化硅改善钻井液性能,必须是在其抗盐的基础上才能实现,即需使用抗盐土配浆;浓度为1%~5%的纳米二氧化硅通过增加颗粒间的内摩擦力,既而提高了钻井液的黏度,然而纳米二氧化硅材料对于盐浓度比较敏感;纳米二氧化硅颗粒可以沉积在滤饼表面封堵滤纸孔隙,降滤失效果明显,滤失量降低率可达40.2%;其通过封堵黏土的孔隙,起到了抑制黏土吸水膨胀的作用。优选出的二氧化硅最优加量为3%,其抗盐可至12%;综合考虑滤失、膨胀量实验结果和性价比,选定3%NP+4%Na Cl+SWM-B为最优配方。     

采用海泡石纳米颗粒控制膨润土基钻井液性能

提出在膨润土基钻井液中添加海泡石纳米颗粒来控制其性能,并通过实验研究了不同温度压力条件下海泡石纳米颗粒对膨润土基钻井液流变性、滤失性等性能的影响。测量了添加海泡石纳米颗粒前后膨润土基钻井液在不同温度压力条件下的塑性黏度、动切力和滤失量,并在储集层温度压力条件下对添加海泡石纳米颗粒前后的膨润土基钻井液进行了岩心驱替实验,对比了钻井液的滤失量及对地层的伤害程度。结果表明:添加海泡石纳米颗粒可以提高清水和盐水膨润土基钻井液的塑性黏度和动切力;海泡石纳米颗粒可以在较大的温度和压力范围内特别是高温高压条件下保持钻井液流变性的稳定;储集层温度压力条件下,海泡石纳米颗粒降低了钻井液的滤失量,抑制了砂岩岩心渗透率降低。海泡石纳米颗粒是一种理想的膨润土基钻井液添加剂。     

页岩储层高性能环保型水基钻井液体系及其环境影响评价

对于鄂尔多斯盆地致密油水平井,常规水基钻井液体系无法满足钻井施工的要求,而油基钻井液体系又会对环境造成严重污染,达不到环保要求。因此,文中以复合有机盐抑制剂FQYY￣1、环保型润滑剂HBRH￣3以及复合微纳米防塌封堵剂FAD￣35为主要处理剂,研发了一种适合致密油水平井的高性能环保型水基钻井液体系。研究结果表明：该体系在140℃下滚动老化16 h后仍具有稳定的流变性能和较低的滤失量,对目标区块储层段岩屑的二次滚动回收率可达90%左右,抑制性能较强;该体系对宽度为1～100μm的岩心裂缝具有较强的封堵能力,最终累计滤失量均小于3.0 m L,极压润滑系数和泥饼黏附系数分别为0.084,0.025,润滑性能与油基钻井液体系相当;在该体系中分别加入质量分数为10%的岩屑、10%的Na Cl和1%的Ca Cl₂,钻井液的流变性和滤失量变化不大,抗污染能力较强;其生物毒性参数EC₅₀值为84 515 mg/L,生物降解参数BOD₅/COD_Cr为0.172,重金属质量比均低于标准要求,环保性能优良。在S4029...     

抗超高温高密度聚合物饱和盐水钻井液体系

设计并研制了3种聚合物类水基钻井液抗高温处理剂,即弱交联结构两性离子聚合物降滤失剂、柔性聚合物微球纳米封堵剂和梳型聚合物润滑剂,构建了能够满足深部地层钻井的抗超高温高密度聚合物饱和盐水钻井液体系。研究表明：弱交联结构两性离子聚合物降滤失剂具有良好的反聚电解质效应,200℃、饱和盐环境老化后API滤失量小于8 mL;柔性聚合物微球纳米封堵剂通过改善泥饼质量降低体系的滤失量,对纳米级孔缝具有良好的封堵效果;梳型聚合物润滑剂重均相对分子质量为4 804,具有多个极性吸附位点,高温高盐条件下润滑性能优异。构建的密度为2.0 g/cm³的钻井液体系流变性能良好,200℃的高温高压滤失量小于15 mL,高温静置5 d沉降因子小于0.52,对易水化岩屑的滚动回收率与油基钻井液接近,具有良好的封堵性能和润滑性能。     

反相乳液聚合法制备改性淀粉降滤失剂及其性能

为克服水溶液自由基聚合制备改性淀粉降滤失剂存在的凝胶化问题,遵循钻井液抗高温处理剂的设计思路,采用反相乳液聚合法将淀粉与含有酰胺基/磺酸基/苯环的3种单体AM、AMPS、NVP进行接枝共聚,合成了一种新型高温抗盐抗钙降滤失剂ESt-g-NAA。首先,采用正交实验确定了反相乳液聚合的最优合成条件为:反应温度为60℃,单体物质的量比为n_NVP:n_AM:n_AMPS=1∶2∶3,亲水亲油平衡值为5。其次,对ESt-g-NAA在3%膨润土基浆中的抗高温、抗盐和抗钙降滤失效果进行了评价,结果显示:100～180℃老化16 h后,含3% ESt-g-NAA钻井液的滤失量可控制在7.6～15.2mL之间,且ESt-g-NAA钻井液的高温滤失量始终低于相同加量的水溶液聚合产物WSt-g-NAA。ESt-g-NAA显示了极强的抗盐和抗钙能力,在150℃老化16 h的饱和盐水钻井液中,滤失量仅为5 mL;含（0.5%～20%）CaCl₂的钻井液在150℃老化后滤失量控制在5.0～15.5 mL,170℃老化后可抗钙10%,但180℃老化后抗钙性能大大降低。最后,通过分析ESt-g-NAA对基浆中黏土粒度分布的影响,以及泥饼的显微观察,揭示了ESt-g-NAA的控制滤失机理。      

基于疏水型纳米二氧化硅的页岩气盐水钻井液

由于页岩地层层理和裂缝发育,且具有水化性,因此在钻井作业中常面临井壁稳定、降摩减阻、岩屑清除等难题。为此,优选了疏水型纳米二氧化硅作为泥页岩封堵剂,以减少水分侵入,抑制泥页岩水化膨胀。通过钻井液常规性能测试、扫描电镜分析,评价了不同纳米二氧化硅对盐水钻井液的影响。结果表明:①疏水型纳米二氧化硅具强疏水性与强吸附性,能吸附在泥饼上,形成纳米颗粒隔水层,有效降低滤失量;②纳米二氧化硅加量为1%~3%时,疏水型固体纳米二氧化硅可使钻井液滤失量降低48.7%,疏水型纳米二氧化硅分散液可使钻井液滤失量降低41.67%,但固体颗粒易团聚,易失去纳米颗粒特性;③在180℃、NaCl含量25%、分散液加量3%条件下,钻井液滤失量为8.2mL;在室温~180℃下,钻井液水活度稳定在0.815~0.849,页岩膨胀率在4%左右,具有较强的抑制性;钻井液的润滑系数稳定在0.11~0.12,润滑性能较好。综合考虑滤失量、稳定性和性价比等因素,选定基于3%疏水型纳米二氧化硅分散液和25%NaCl的钻井液体系为最优配方。      

无毒环保型高性能水基钻井液室内研究

由于油基钻井液存在使用成本高、环保处理难度大等弊端,使用水基钻井液替代油基钻井液已成为大势所趋。针对页岩地层对钻井液性能的要求,以无氯、无重金属离子、无黑色材料等环保指标为基本原则,优选了胺基聚醇和乳液大分子作为环保型高性能水基钻井液的包被抑制主剂,配合甲酸钾进一步提高体系的抑制性,并通过高效封堵剂提高体系对页岩地层纳微米孔缝的封堵能力,构建了无毒环保型高性能水基钻井液体系。性能评价结果表明,该钻井液在密度为1.22~2.18 g/cm3范围内均具有优良的流变性及滤失造壁性能,该体系静置24 h后上下密度差为0.03~0.06 g/cm3,沉降指数低于0.508,悬浮稳定性好,触变性高,钻井液样品API泥饼黏滞系数最低达到0.026 2,润滑性能好,并兼具较强的抑制性和抗岩屑污染性能,5.0%及8.0%英国评价土或古巴VDW**井岩屑污染前后的塑性黏度、动切力、静切力的变化率均控制在25%左右,能够满足不同压力系统页岩地层钻井的需要。      

油基钻井液天然岩沥青降滤失剂的环保性能

为了解决环保油基钻井液中低成本降滤失剂环保问题,采用致癌多环芳烃含量和急性生物毒性检测对天然岩沥青降滤失剂进行环保性能评价。结果表明,天然岩沥青降滤失剂中未检出致癌多环芳烃,掺入3%天然岩沥青的白油基钻井液体系污染后的岩屑EC₅₀值为104 751 mg/L,达到环保无毒标准。沥青族组成分析结果表明,天然岩沥青中不含低分子量的饱和分和芳香分,可变形的胶质组分含量为13.83%,其余为刚性的沥青质,所有组成均可参与封堵泥饼空隙,起到降滤失效果。天然岩沥青在油基钻井液体系中150℃高温高压滤失量不大于3.7 mL,200℃高温高压滤失量不大于4.0 mL。天然岩沥青降滤失剂绿色环保、降滤失效果稳定,可用于环保油基钻井液体系。      

油基钻井液天然岩沥青降滤失剂的环保性能

为了解决环保油基钻井液中低成本降滤失剂环保问题,采用致癌多环芳烃含量和急性生物毒性检测对天然岩沥青降滤失剂进行环保性能评价。结果表明,天然岩沥青降滤失剂中未检出致癌多环芳烃,掺入3%天然岩沥青的白油基钻井液体系污染后的岩屑EC50值为104 751 mg/L,达到环保无毒标准。沥青族组成分析结果表明,天然岩沥青中不含低分子量的饱和分和芳香分,可变形的胶质组分含量为13.83%,其余为刚性的沥青质,所有组成均可参与封堵泥饼空隙,起到降滤失效果。天然岩沥青在油基钻井液体系中150℃高温高压滤失量不大于3.7 mL,200℃高温高压滤失量不大于4.0 mL。天然岩沥青降滤失剂绿色环保、降滤失效果稳定,可用于环保油基钻井液体系。     

清洁润滑快钻剂CLSD的研制及性能评价

清洁润滑快钻剂CLSD以废弃油脂为原料，在确定其合成工艺和技术参数基础上而制得，室内性能评价结果表明其具有优良的综合性能:配伍性良好，基本不影响流变性，能适当降低中压滤失量；接触角为170.5°，亲油疏水性强，清洁润湿性好，容易吸附在金属表面铺展形成油膜；0.4%浓度时表面张力降低率为68.69%，使钻井液更容易渗入钻头冲击井底岩石时所形成的微裂缝中，降低储层水锁伤害；极压润滑系数降低率为91.83%，泥饼黏附系数降低率为62.67%，且随着温度的升高，润滑性增强，能降低扭矩及钻井液摩擦力；抑制性强，抗饱和NaCl；抗温达160℃，而且高温热滚后基本不起泡，随着井深增加钻井液性能稳定，适用于深井或超深井；能减小压持效应，提高钻速，室内钻井模拟其机械钻速提高率可达35.2%。      

用冷冻干燥技术研究钻井液及泥饼的微观结构

冷冻干燥枝术是用液氮快速冷冻样品,并在真空状态下抽空干燥,保持样品的微观结构不变,得到的干样可用于电镜分析。采用此项技术分析了膨润土基浆、成水基浆、不同配比的聚合物钻井液及相应泥饼的微观结构。电镜分析表明:在膨润土淡水基浆中,粘土片以端—面和端—端相连形成蜂窝状结构或卡片房子结构;在聚合物钻井液中,聚合物吸附在粘土表面上,并相互连接形成了网状和蜂窝状结构;基浆和聚合物钻井液泥饼也呈蜂窝状结构,蜂窝的孔隙大小及分布随钻井液配比不同而变化,重晶石、超细CaCO_3和磺化沥青可起到封堵泥饼孔隙和降低滤失的作用。     

抗高温环保型有机硅钻井液的研究

利用有机硅降滤失剂研制出了抗220℃高温的环保型有机硅钻井液,并对其流变性能、降滤失性能、抗盐抗钙污染能力、抑制性能、悬浮稳定性、生物毒性和生物降解性进行了评价;利用SEM观察了有机硅钻井液滤饼的形态。实验结果表明,密度为1.16,1.50,1.90 g/cm3的3种有机硅钻井液在150～220℃下老化16 h后均具有良好的流变性能、降滤失性能和抑制页岩水化膨胀的能力,有机硅钻井液经高温老化后形成的滤饼薄而致密;在220℃下老化16 h后的有机硅钻井液具有一定的抗盐抗钙污染能力,悬浮稳定性好,生物毒性达到了排放标准,且具有良好的生物降解性。     

抗高温高密度油基钻井液在塔里木油田大北12X井的应用

大北12X井是2018年塔里木油田的一口高温高压评价井,位于库车坳陷克拉苏构造带大北段大北12号构造东高点,该区块库姆格列木群膏盐岩段（4267～5287 m）普遍为高压～超高压,局部存在高压盐水层、漏层。钻井过程中,易出现井壁失稳、漏失、盐水侵等复杂技术难题。针对该区域的地质特点和作业要求,分析了高温高压作业条件下油基钻井液体系的技术难点,优选出抗高温高密度油基钻井液体系配方,并且通过室内实验,模拟高温高压井段作业可能出现的风险,进行了系统的工况模拟评价。实验结果表明,抗高温高密度油基钻井液体系性能稳定,破乳电压为1562 V、高温高压滤失量为1 mL,体系抗30%体积分数的近饱和NaCl盐水污染,污染后体系表观黏度变化小于10%,滤失量小于2 mL,破乳电压为1002 V。体系抗温稳定能力强,室内实验170℃老化10 d后体系流变性能稳定,沉降因子为0.522。现场应用表明,抗高温高密度油基钻井液体系能够解决塔里木油田库车坳陷克拉苏构造带高温高压超高压盐膏层作业难题。四开井段,钻井液密度为2.43 g/cm3,油基钻井液保持了良好的钻井液流态,较低的黏度、切力及ECD等优良参数,未造成黏度、切力过高引起井漏等复杂情况。该井钻遇盐膏层厚度达2135 m,油基钻井液抗石膏污染能力强,流变性能稳定。      

川西南部沙湾组-峨眉山玄武岩井段井壁失稳机理分析及应对措施

针对川西南部地区沙湾组、峨眉山玄武岩存在严重井壁失稳、垮塌卡钻复杂频繁的难题,结合岩石失稳机理分析及现场工况分析,优选出一套适用于该井段的强抑制、强封堵型钻井液体系。该体系的滚动回收率达99.98%,FL_HTHP为3.6mL,FL'_HTHP为4.8 mL,FL_砂床为4.4 mL。并设计了专项封堵段塞,制定了封堵段塞施工工艺。钻井液配方为:（0.5%~2.0%）土+（0.5%~1.5%）PAC-LV+（5%~6%）SMP-3+（2%~3%）JNJS-220+（0.3%~1.5%）NaOH+（1%~3%）FT+（0.1%~0.3%）聚合醇+（0.4%~1%）CQ-SIA+（6%~8%）WND+（5%~10%）有机盐+3%超细碳酸钙+重晶石。认为应提高随钻堵漏能力、增强泥饼井壁吸附性及黏弹性、在井壁上形成一层具有防渗透和防冲刷能力的封堵层,减缓井下机械碰撞、钻井液冲刷、应力激动对岩层的二次破坏。