聚合醇钻井液技术

聚合醇钻井液技术与应用

摘要：综述了聚合醇作为水基钻井液处理剂的开发背景；聚合醇的主要物化性质溶解性和浊点；聚合醇的抑制机理以及其他作用特点；聚合醇钻井液体系的室内研究包括无机盐对聚合醇钻井液浊点的影响，抗温性能，润滑性能，热稳定性能评价以及实例分析；基于钻井液技术所面临的油气层保护,安全快速钻井方面的严格要求。从优选处理剂入手,根本上能够解决页岩水化、油层保护、环保等方面的问题，聚合醇钻井液能够取得很好的效果；并且提出是一种比较适合海底天然气水合物地层钻探的钻井液的研制原则。

关键词：聚合醇钻井液发展背景作用机理新型钻井液应用

近年来,我国石油钻探开发逐渐由浅层向深层、由简单地层向复杂地层发展。由于深井、超深井的井下温度和压力比较高,尤其钻遇复杂地层时,井下钻井液性能易发生较大变化,极易导致一些井下复杂情况的发生,如坍塌、卡钻等。因而,寻求更有效的抑制地层膨胀和稳定井壁的新型钻井液体系是钻井液研究的主要发展方向。聚合醇(多元醇)用于钻井液处理剂,国外自20世纪80年代开始室内研究,90年代初投入应用。最早主要用于钻井液防泥包、润滑防卡等。后来发现,其在稳定井壁、保护油层和环境等方面也有很好的作用,于是在江河、湖泊和滩海钻井工程中最先得到广泛应用。聚合醇在我国也被称为多元醇、复合醇,是90 年代初发展起来的一种新型水基钻井液添加剂,兼具易维护、易降解、无荧光、与其他处理剂配伍性好等特点,被看作是协调钻井工程技术、储层保护技术与环境保护需要之间矛盾的产物,是逆乳化钻井液和高电解质体系的取代产品,是钻井液水基处理剂研究中的新秀。

本文主要综述聚合醇用作水基钻井液处理剂的背景、抑制机理，室内研究以及新型的聚合醇钻井液发展。

1. 聚合醇用作水基钻井液处理剂的背景

自上世纪90年代以来,随勘探领域逐渐向恶劣地区扩展,钻探地区日趋复杂,井壁失稳造成的钻井速度下降、钻井成本升高的现象屡见不鲜,同时期发展起来

的水平井、定向井、大位移井等新型钻井技术又对钻井液体系的抑制性、润滑性提出了更高的要求。这使得常规水基钻井液体系的应用受到了限制,不得不采用油基钻井液完成深井、海洋井、大位移井的钻探。油基钻井液对环境污染大,荧光级别高,配制维护要求严格,易着火,在环境保护日益严格的情况下,逐渐丧失其竞争优势。为此,科研人员将开发重点转移至研制新型水基钻井液体系,使该体系具备油基钻井液良好的抑制性和润滑性,同时具备水基钻井液与环境友好、易维护、价格低的长处,即开发一种集抑制性、润滑性、环境友好性、油层保护性等多种功能于一身的新型水基钻井液体系。

2. 聚合醇的物理化学特性

根据疏水基和聚合度的不同,聚合醇产品形式极其丰富,每一种产品有不同的浊点、溶解性、表面张力、临界胶束浓度。这些指标不但控制产品性能,也是决定聚合醇能否用作钻井液抑制润滑剂的关键。

2.1 溶解性

Clapper认为聚合醇产品的溶解性对其抑制性能有一定的影响。完全水不溶的聚合醇因不能在粘土表面吸附而丧失抑制水化分散的能力。

一般来说,聚氧乙烯化合物的溶解范围从完全油溶至完全水溶,这主要决取于分子中加成的EO所占的比例,在疏水基碳链长度确定的前提下,随EO数增加,水溶性增加。而温度和盐浓度的升高会使聚合醇的溶解度降低。聚氧丙烯化合物的溶解度受盐和温度的影响与聚氧乙烯化合物相似,但溶解度随PO加成数的增加而下降。（EO/PO 为随机共聚物）

2.2 浊点

聚合醇在低温下与水混合形成均一透明溶液,随溶液温度升高,水相中聚合醇溶解度下降,从溶液中分离,分离相可产生光散射,人们会看到溶液逐渐浑浊变白。当温度下降到浊点温度以下时,分离相会重新溶解,发生依赖于温度的可逆变化。在浊点前后,聚合醇的起泡性能、溶解性能、表面张力都会发生显著的改变。因此聚合醇的抑制性与浊点性能有紧密关系。

聚合醇的浊点可通过改变使用浓度、分子量、起始基、聚合度、溶液中电解质浓度等条件来调节。聚合醇在水中浊点是其浓度的函数。一般来说,当疏水基

固定,聚氧乙烯化合物的浊点随EO加成数的增加而提高,聚氧丙烯化合物的浊点随PO加成数的增加而降低;当EO加成数相同时,随憎水基碳原子数的增加,浊点降低。溶液中电解质对聚合醇浊点影响较大,特别是阴离子的种类对浊点影响十分显著。所以在现场应用中,常通过改变无机盐的加量来调节聚合醇的浊点,以提高钻井液的适应性。

3.聚合醇的抑制机理

聚合醇是低碳醇与环氧烷的低聚物，是一类非离子表面活性剂，常温下为乳状浅黄色液体，溶于水，其水溶性受温度的影响很大，当温度升到一定程度时，聚合醇从水中析出，这时的温度称为聚合醇的浊点温度，当温度低于浊点时，聚合醇又恢复其水溶性。聚合醇钻井液的设计主要是利用它的浊点特性。

在钻井过程中，随着井深的增加，井下温度逐步上升，由于温度的变化，聚合醇钻井液发生了如下变化：①低于浊点温度时，呈水溶性，其表面活性使它吸附在钻具和固体颗粒表面，形成憎水膜，阻止泥页岩水化分散，稳定井壁，改善润滑性，降低钻具扭矩和摩阻，防止钻头泥包，稳定钻井液性能并能有效控制压力传递。②当高于其浊点温度时，聚合醇从钻井液中析出，粘附在钻具和井壁上，形成类似油相的分子膜，从而使钻井液的润滑性大大增强；同时由于泥饼的形成，封堵岩石孔隙，阻止滤液渗入地层，实现稳定井壁的作用。钻井液从井底返至地面时，因温度逐步降低（从高于浊点温度降到低于浊点温度），聚合醇又恢复其水溶性，避免被震动筛筛除。聚合醇与氧化沥青处理剂复合可用于防塌，它们的作用方式是：低于聚合醇浊点温度时，聚合醇可使氧化沥青充分分散在钻井液中；当高于聚合醇浊点温度时，聚合醇从钻井液中析出，此时，失去了对氧化沥青的乳化分散作用，氧化沥青与聚合醇同时从钻井液中析出，吸附在井壁上，起到封堵、填充微裂缝的作用，起到了协同防塌的作用。

4.聚合醇钻井液的其他作用特点

4.1 良好的润滑性

在钻井时,乙二醇起润滑作用,当钻大角度斜井时,能减小钻井扭矩和阻力。在水基钻井液中加入2%聚合醇,降摩阻效果优于加5%原油;当加量为3%时,钻井液的润滑系数降低80%。聚合醇与极压润滑剂和石墨润滑剂3类润滑剂的复配使用,水基钻井液的润滑性能接近油基钻井液。